计算机控制系统-4-数据采集与处理技术 (2)

1、第第4 4章章 数据采集与处理技术（二）数据采集与处理技术（二）主要内容：介绍数据采集系统中的一些基本概念、模拟数 据采集的一般方法、数字数据处理技术、传感 器与变送器、智能仪表技术 重点：模拟数据采集与处理系统设计、数字数据采集 与处理系统设计 难点：数据采集与处理系统设计实现与理解4.2.1 多路模拟信号数据采集多路模拟信号数据采集以以8 8路模拟量采用路模拟量采用AD574AAD574A为例为例CD4051口地址口地址： bff8H bfffHAD574A启动口地址启动口地址： 7fffH读读AD574A高高8位口地址位口地址：7ffeH读读AD574A低低4位口地址位口地址：7fffH

2、1、 电路电路可以采用延时、查询、中断三种方式可以采用延时、查询、中断三种方式4.2 模模拟数据采集技术拟数据采集技术.图 4.3 8路 模 拟 电 压 自 动 巡 回 数 据 采 集 电 路+15VVVVDDEESSINININ127ABCINHCD4051+15V-15V-15VVINCHININ-+LF398OUTOFFSET+Vs-Vs1K24K100K100K100100EEVINV5V +15VDDVVcc2000pOUTREF OFFBIF OUTREF INSTS12/8DGAGAD574DB11DB0P0.70.0PCER/CCSA0RDWR0AP2.72.6PAA12图4-

3、2INTXCD4051是单端双向8通道多路开关，其引脚结构如下图所示。 图中第6脚INH为禁止输入端。 当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。 C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。其真值表如下表所示。 改变图中IN/OUT07及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。CD4051CD4051引脚图引脚图多路转换开关（多到一的转换）： IN：1、2、4、5、12、13、14、15 OUT：3反多路转换开关（一到多的转换）： IN：3 OUT： 1、2、4、5、12、13、14、15主要特性：主要特性：

4、和端分别为VCC和VEE电源端。电源电压范围为5V15V。端为失调调零端。当输入Vi=0，且在逻辑输入为1采样时可调节端使Vo=0。端为模拟量输入端。 端为输出端。 端为接采样保持电容CH端。 端为逻辑基准端（接地）。 端为逻辑输入控制端。该端电平为 “1”时采样，为“0”时保持。当8端为“1”时，使LF398内部开关闭合，此时A1和A2构成1：1的电压跟随器，Vo = Vi，并使迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。当8端为“0”时，LF398内部开关断开，输出电压Vo值为控制端8由“”跳到“0”时CH上保持的电压，以实现保持目的。端8的逻辑输入再次为“1”、再次采样时，

5、输出电压跟随变化。IN+采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。电路如图所示： 2、实现实现8路模拟量巡回检测路模拟量巡回检测程序程序unsigned int RAD8;main( ) unsigned char xdata *pCD4051，*pRH，*pRL ；IT0 =1； EX0 =1； EA =1； pCD4051 =0 xbff8； pRL =0 x7fff； while (1)； AD574A( ) interrupt 0 unsigned char order=0;RADo

6、rder= *pRH*16+ *pRL &15 ；if (order+=7) order=0; pCD4051=0 xbff8 ； pCD4051 + ； *pRL =0； /*8路转换结果数组*/*序次*/*8路指针、读结果指针*/*INT0负跳变请求中断*/*允许INT0中断*/*指向0路*/*pCD4051 =0； *pRL =0； /*等待*/*启动AD574A */*接通0路*/*指向AD574A*/*开中断*/*pCD4051 =0； /*获取并保存转换结果*/*指向下一路*/*若8路完毕，重新开始*/*接通下一路*/*启动AD574A */pRH=0 x7ffe；4.2

7、模模拟数据采集技术拟数据采集技术1、有效性检查、有效性检查检查被测量是否在信号标准的上下限值范围内。包括：有效性检查与数字滤波技术包括：有效性检查与数字滤波技术4.2.3 模拟量数据采集的预处理方法模拟量数据采集的预处理方法 与模拟滤波器相比，有以下几个优点:(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。(2)数字滤波可以对频率很低(如0.01HZ)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。(3)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 主要数字滤波算法： 算术平均值法、中位值滤波法、加权平均滤波 2、 数字滤波技术数字

8、滤波技术 算术平均值法是对输入的N个采样数据xi(i=1N)，寻找这样一个y，使y与各采样值间的偏差的平方和为最小，使由一元函数求极值原理可得：NiiE12)(minxyNiiN11xy算术平均值法例：某压力仪表采样数据如下：1234567891024252027246024252623序 号采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。采用算术平均值滤波后，其采样值为：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+23)/10=28干扰被平均到采样值中去了 特点1）、N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N的增大，平滑度提高，灵敏度降低。应该视具体情况选择N，以便得到满意的滤波效

9、果。2）、对每次采样值给出相同的加权系数，即1/N。在不同采样时刻采集数据受到同样重视。实际上某些场合需要增加新采样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法。滤波公式为：3）、平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。中位值滤波法中位值滤波法 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次(m3)且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数据。特点: 中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干扰有良好的滤波效果。如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法。

10、抗脉冲干扰平均值滤波法抗脉冲干扰平均值滤波法 中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到m个滤波值，再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。123456789242520272460242526例：某压力仪表采样数据如下：序 号采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25.33对1、2、3次采样中位值滤波后值：24对4、5、6次采样中位值滤波后值：27对7、8、9次采样中位值滤波后值：25123456789242520272460242526例：某压力仪表采样数据如下：序 号采样值采样数

11、据明显存在被干扰现象（彩色数据）。剩下七个采样值用干扰平均值滤波，平均值为：25去掉最小值：20去掉最大值：60滑动平均滤波滑动平均滤波滑动平均滤波法把n个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为n，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有n个“最新”的数据。然后把队列中的n个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。滑动平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差，因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。上述各种平均滤波法中，每次采样在平

12、均结果中上述各种平均滤波法中，每次采样在平均结果中的比重是均等的。为了增强最后一次（或某一次）在的比重是均等的。为了增强最后一次（或某一次）在平均结果中的比重，以增强实时性，可采用加权平均平均结果中的比重，以增强实时性，可采用加权平均滤波滤波 加加权平均滤波权平均滤波 所谓加权平均的含义是指参加平均运算的各采样值按不同的比例进行相加求均。加权系数一般先小后大，以突出后若干次采样的作用，加强系统对参数变化趋势的辨识。N项加权平均滤波的算法为：式中 C0，C1，CN1为常数，它们的选取有多种方法，但应满足 C0 C1 CN1 1 1N0iiNinYCY开关量的软件抗干扰技术开关量的软件抗干扰技术1

13、.开关量(数字量)信号输入抗干扰措施 干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们在采集某一开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上结果完全一致方为有效。2.开关量(数字量)信号输出抗干扰措施 在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只要有可能，其重复周期尽可能短些。 输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性相差较大。前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管此时数据是否有效。 线性标度变换公式线性标度变换公式 Y表示参数测量值Ymax表示参数量程最大值Ymin表示参数量程最小值Nmax表示 Ymax

14、对应的AD转换后的输入值Nmin表示量程起点Ymin对应的AD转换后的输入值X表示测量值Y对应的AD转换值YmaxYminNminNmaxYNXY4.3 模拟数据后处理技术工程量标度变换、线性化处理、上下限检查（越限报警）4.3.1工程量标度变换工程量标度变换 () maxminminminmaxminYYYXNYNN）（例：例：压力检测通道，将0-40kpa压力转换为10位二进制数。求：1. 分辨率、量化单位、量化误差。2. 压力 P=18.5 kpa 时转换的数字量。3. 转换数字量 N=2F4H 时对应压力。解：解：1. 分辨率、量化单位、量化误差。 i11=0.1%2 -1102340

15、40q=0.039139.1211023119.552ikpakpakpapaqpa 分辨率2.压力 P=18.5 kpa 时转换的数字量。maxminminminmaxmin()400.0391102318.50.03910.0391473.13754731 9PPPNNPNNNNPND H3.转换数字量 N=2F4H 时对应压力。16102 47560.03910.0391 75629.559629.56FPNkpakpa课堂练习：有一温度系统，温度范围是-2060，A/D转换器对应 的输出0FFFH，试列写出标度变换式。设采集的温度数 字量为E8EH，试计算对应的温度值。25信息工程学院

16、1.查表法查表法原理：设有非线性关系的两个参数A和B，现要根据参数A取参数B数值。过程如下（1）造表。根据需要确立参数A的起始值A0及等差变化值N有 Ai=A0土iN， i0，l，2，n (4.12)确定一块连续内存区，设其地址为T0，T1，Tn ，Ti与Ti+1之间的关系可按某些规律算法确定，但一般为了编程方便，通常是按顺序递增或递减的关系，即Ti+1Ti+M，M是参数B在计算机中存贮值的字节数。将对应参数Ai和Bi值存入相应的Ti内存区，当Bi为多字节时，应先从低字节存起。（2）查表。设有待查参数Am，由i=(Am一A0)N，有 Ti=TiM (4.13)从内存Ti处连续取M字节数据，即为

17、参数Am对应的Bm值。 4.3.2线性化处理线性化处理26信息工程学院2.用数学表达式换算用数学表达式换算 各种热电偶的温度与热电势的关系都可以用高次算式来表达，即 (4.14) Tx温度； Ex热电偶的测量热电势； ao，a1，an系数。实际应用时方程所取项数和各项系数取决于热电偶的类型和测量范围，一般取n4。将上式略加修改，可得到如下形式： (4.15)上式有利于编制程序。 nxnxxxEaEaEaaT210001234)(aEaEaEaEaTxxxxx27信息工程学院3.3.折线近似及线性插值（用得最多最广泛方法）折线近似及线性插值（用得最多最广泛方法） 也叫分段线性拟合方式（逼近方式）

18、 为了对T-E进行线性拟合，可通过实验分段测出一些T-E值，如图中),(),(),(662211TETETET4E1T2T5ExT1T3T6TxE2E3E5E4E6ET是实验测出的准确值，点与点之间的温度值，可按如下三点式线性方程求得：)(1111nxnnnnnxEEEETTTT28信息工程学院n注意点：两种方法的Ex，可按工程量的线性转换法求得。取Emax=En,Emin=En-1,Nmax=Nn,Nmin=Nn-1,Nx=N(Ex),于是：cc1000400c60)(1111nxnnnnnxNNNNEEEE折点号0 1 2 3 4 5 6 7 8温度T(0C)400 460 520 580

19、 640 700 760 820 880热电势E(mv)16.4018.9421.5025.05 26.60 29.13 31.6434.10 36.53显然，折点取得越多越密，计算出（拟合）的精度越多。例：将上述 ，按 一段划分成10段，经实验测得各折点的T-E值如表所示。29信息工程学院将采样值经计算机作一定处理后的数据与规定的工艺参数范围的极限数据比较。有效检查：以标准电平为上有效检查：以标准电平为上/下限；下限； 上上/下限检查：以给定电平为限。下限检查：以给定电平为限。上/下限电平在有效性检查电平以内，如图所示，超出上/下限可输出，报警信号及越限标志。上，下限电平检查范围有 效性 检

20、查 范围 4.3.3上下限检查（越限报警） 上下限报警处理程序设计上下限报警处理程序设计 报警程序主要有以下几个步骤组成：（1）采样被测参数。（2）比较采样值和给定的上下限。（3）根据比较结果执行相应的处理程序。报警程序的应用报警程序的应用常用的报警方式有：常用的报警方式有：1、 声语言报警：电铃，电笛，频率可调的蜂鸣震声语言报警：电铃，电笛，频率可调的蜂鸣震荡音响，集成电子音乐芯片，语音芯片等。荡音响，集成电子音乐芯片，语音芯片等。2、 显示报警：显示报警：LED指示灯，闪烁的白炽电灯，指示灯，闪烁的白炽电灯，LED、LCD数码管，数码管，LED、LCD图形显示器，图形显示器，CRT显示器等

21、。显示器等。3、 图形、声音的混合报警。图形、声音的混合报警。根据开关量状态进行报警时，可用硬件申请，软件处理报警，程序设计简单。报警要求不是由软件程序不断地比较产生，而是直接由传感器中进行被测参数和给定值比较，产生开关量信号，如行程开关（限位开关）、电接点式压力报警装置等，再通过中断的方式对系统参数进行检测处理。下图中，SL1和SL2分别为液位上、下限报警接点，SP为蒸汽压力下限报警接点， ST为炉膛温度上限报警接点。输入对应位高电平表示正常，为低电平时表示越限。程序清单：ORG 0000HAJMP MAIN ；上电自动转向主程序ORG 0003H ；外部中断方式0入口地址AJMP ALAR

22、MORG 0200HMAIN：SETB IT0 ；选择边沿触发方式SETB EX0 ；允许外部中断0SETB EA ；CPU允许中断HERE： SJMP HERE ； 模拟主程序ORG 0210HALARM： MOV A，#0FFH ：设P1口为输入口MOV P1， AMOV A，P1 ；取报警状态SWAP A ；ACC.7ACC.4ACC.3ACC.0MOV P1，A ；输出报警信号RETI1231- 拖拉机 2- 测试机架 3- 光电传感器 1- 拖拉机 2- 测试机架 3- 光电传感器 4- 齿形编码盘 5- 测量轮 4- 齿形编码盘 5- 测量轮 45工作原理： 当齿盘旋转一个节距时，

23、传感器转换输出一个近似于正弦波的信号，该信号经滤波、放大和整形后，变成一个脉冲信号，齿盘旋转一周，传感器转换输出60个脉冲。 40NDv式中 D 测量轮直径（mm） N 测量轮转速（rmin） 由式可知，只要测量出测量轮的转速，就可以得到车辆的车速。 由于测量轮是一个从动轮，即车辆前进时带动该轮旋转。测量轮的圆周速度就是车辆的车速，因此有如下关系： 41 设计数器的计数值为C，测量轮每转一周传感器输出的脉冲数为P，计数时间为t，测量轮转速为N（r / min），则有如下关系式成立：2. 脉冲信号的处理60NtPC整理式（4.4-2），可得到测量轮转速的公式：tPCN60用式（4.4-3 ）计算

24、出测量轮的转速N，然后将N代入式（4.4-1 )，即可得到车辆的车速。由此可知，关键是知道 t 秒内的脉冲计数值。 423. 脉冲信号的采集计数采集计数方法 硬件采集计数 软件采集计数脉冲信号硬件采集计数自习。软件采集计数 该方法只需要很简单的接口电路，再配以相应的程序，就能完成脉冲信号的采集计数。 43IOWRESETALEPC总线译码器WRCS8255AIORRDRESETA1PC0.D0D7.D0D70A0AA1A49A 44 脉冲信号采集计数程序的编程 在用程序对脉冲信号计数时，仅在脉冲上升沿到来时计数，其它时候均不计数，图4.4-12 用程序对脉冲信号计数计数A=1A=0 45设8255的端口地址如表4.4.2所示。表4.4.2 8255A端口地址 IO口地 址A口B口0305HC口0306H控制寄存器0307H0304H 设从C口位对脉冲信号不断采集计数，每隔1秒钟显示脉冲信号的计数值，则可编出相应的计数程序。计数程序采用以下变量：S A A = 1 表示PC0位是高电平A = 0 表示PC0位是低电平统计脉冲数（计数）反映PC0位电平的变化B B = 1 表示已计数B = 0 表示未计数计数标志变量，表示计数与否计数条件：当A = 1其他情况不计数。且