计算机数据采集系统设计

1、1、计算机数据采集与分析技术概述；1.1、 数据采集计算机处理的对象是数字量，而外部世界的大部分信息是连续变化的物理量，例如温度、压力、位移、速度，要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先把这些连续的物理量离散化，即进行量化编码，变成数字量才能实现。数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感器做适当转换后，由非电量变换成电量，再经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，输入计算机进行处理或存储记录的过程。1.2、 数据采集系统用于数据采集的成套设备称为数据采集系统，计算机是数据采集系统的核心，完成对整个采集过程的控制、对采集的数据进行处理的任务。1.3、 数据采集分析技术数据采集分析技术的任务

2、主要有三项：把模拟信号转换为计算机能识别的数字信号，送入计算机通过计算机进行计算和处理，得到有用的信息实现对过程或目标（某些物理量）的监视与控制2、计算机数据采集电路数据采集系统随着新型传感技术、微电子技术和计算机技术的发展而得到迅速发展。由于目前数据采集系统一般都使用计算机进行控制，因此数据采集系统有叫做计算机数据采集系统。数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。图2.1是硬件基本组成示意图。下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成部分。计算机系统图1.1数据采集系统硬件基本组成.传感器传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量（如电压、电流或频率），例如使用热

3、电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压，转速传感器常把转速转换为电脉冲等。通常把传感器输出到A/D转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。.放大器放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到儿十毫伏之间；电阻应变片输出电压变化只有几个毫伏；人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大.以满足大多数A/D转换器的满量程输入5-10V的要求。传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种捅合渠道使信号通道感染上噪声.例如工频传号可以成为一种人为的干扰顿。这种噪声可以用滤波器来衰减.以提高校拟输入信号的信噪比。.多路模拟开关在数据采集

4、系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，因此、在多路开关后的单元电路.如采样/保持电路、A/D及处理器电路等，只需一套即可.这样节省成本和体积。但这仅仅在物理且变化比较缓慢、变化周朗在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通的数十微秒A/D转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时.必须注意泄漏及逻辑安排等问题；当信号频率较高时，使用多路分路开关后，对A/D的转换速率要求也随之上升。模拟多路开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，涌注意选择多路模拟开关的类型。

5、若选用集成电路的模拟多路开关，由于它比干黄或继电器组成的多路开关导通电阻大.泄漏电流大.因而有较大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关的类型。.采样/保持器模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前（每道一个）.还可实现对瞬时信号进行同时采样。.A/D转换器采样/保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A/D转

6、换器的种类也较多，早期的采样/保持器和模数转换器需要数据采集系统设计人员自行设计.目前普遍采用单片集成电路，有的单片A/D转换器内部还包含有采样/保持电路、基准电源和接口电路。这为系统设计提供了较大方便。A/D转换的结果输出给计算机。3、数据采集系统设计及举例系统设计的一般步骤.3.1.1、分析问题和确定任务在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证。如产品的应用场合、面向的客户类型等。在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统

7、设计的技术路线。确定采样周期Ts采样周期Ts决定了采样数据的质量和数量。利用采样定理和系统设指标来确定采样周期。系统总体设计在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作。进行硬件和软件的功能分配一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也降低。要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能分配。确定微型计算机的配置方案可以根据具体情况，采用微处理器芯片、单片微型机芯片、单板机、标准功能模板或个人微型计算机等作为数据采集系统的控制处理机。选

8、择何种机型，对整个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的影响。操作面板的设计(1)输人和修改源程序；(2)显示和打印各种参数；(3)工作方式的选择；(4)启动和停止系统的运行。为了完成上述功能，操作面板一般由数字键、功能键、开关、显示器件以及打印机等组成。系统抗干扰设计对于数据采集系统，其抗干扰能力要求一般都比较高。因此，抗干扰设计应贯穿于系统设计的全过程，要在系统总体设计时统一考虑。硬件和软件的设计硬件设计硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心，设计出与其相配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。采用单片机的硬件设计过程。(1)明确硬件设计任务为了使以后的工作能顺利进行，不造成大的返工，在硬件

9、正式设计之前，应细致地制定设计的指标和要求，并对硬件系统各组成部分之间的控制关系、时间关系等作出详细的规定。(2)尽可能详细地绘制出逻辑图、电路图当然，在以后的实验和调试中还要不断地对电路图进行修改，逐步达到完善。(3)制作电路和调试电路。按所绘制的电路图在实验板上连接出电路并进行调试，通过调试，找出硬件设计中的毛病并予以排除，使硬件设计尽可能达到完善。调试好之后，再设计成正式的印刷电路板。3.2.2软件设计(1)明确软件设计任务在软件正式设计之前，首先必须要明确设计任务。然后，再把设计任务加以细致化和具体化，即把一个大的设计任务，细分成若干个相对独立的小任务，这就是软件工程学中的自顶向下细分

10、”的原则。(2)按功能划分程序模块并绘出流程图将程序按小任务组织成若干个模块程序，如初始化程序、自检程序、采集程序、数据处理程序、打印和显示程序、打印报警程序等，这些模块既相互独立又相互联系，低一级模块可以被高一级模块重复调用，这种模块化、结构化相结合的程序设计技术既提高了程序的可扩充性，又便于程序的调试及维护。(3)程序设计语言的选择选用何种语言与硬件选择有关。(4)调试程序首先，对子程序进行调试，不断地修改出现的错误，直到把子程序调好为止，然后再将主程序与子程序连接成一个完整的程序进行调试。其次，调试程序时，在程序中插人断点，分段运行，逐段排除错误。最后，将调试好的程序固化到EPRO(系统

11、采用微处理器、单板机、单片机时)或存入磁盘(系统采用个人微机时)，供今后使用。3.3当今电厂数据采集系统的结构由分散处理单元、数据高当今大型火电机组单元采用多级网络式结构的数据采集系统，速通道、操作员站、工程师站等人机接口构成，如图5.2所示:图5.2多级网络式结构DAS总体示意分散处理单元具有数据采集和处理功能，可以通过过程通道从现场采集各种过程变量，并将采集到的数据先进行初步的数据处理，然后送到数据高速通道。过程通道是一个在生产过程与数据采集系统之间进行信心交换和传输的电路。过程通道按信息的传输方向可分为输入通道和输出通道。按信息类型可分为模拟量通道、数字量通道和脉冲量通道。模拟量是指随事

12、件连续变化的量，如温度、压力、流量、液位、转速、振动、电流、电压等，模拟量通常要按比例经过量化和编码转换成数字量才能输入计算机；开关量是指只具有两个状态的过程量，如开关的“断开”与“闭合”，信号的“有”与“无”等，开关量要经过电平转换并按计算机字长进行分组才能输入计算机；脉冲量是指随着时间的推移周期性重复出现短暂起伏的过程量，如转速表输出的代表转速的一定频率的脉冲信号等，计算机要对单位时间内的脉冲进行计数才能知道该数值的大小。一般情况下，过程通道包括模拟量（AI）通道、模拟量输出（A。通道、数字量输入（DI）通道、数字量输出（DO通道、脉冲量输入（PI）通道、脉冲量输出（P。通道六种类型。高速

13、数据通道负责分散处理单元和上一级计算机之间的联络通信，是数据采集系统的神经中枢，也是数据采集系统向分布式发展的基础。操作员站从高速数据通道上获取全部信息，经复杂的数字处理后通过人机接口装置一CRT键盘（或鼠标等其他光电输入设备）、记录数据站、打印机等实现显示、打印、备份等功能，并建立数据库。工程师站用于系统的组态和修改，也可作为操作员站的后备。数据采集系统是机组启停、正常运行和事故处理工况下的主要监视手段，通过CRT显示和打印机等人机接口向操作员提供各种实时和历史数据及信息以指导运行操作。数据采集系统的主要功能包括：数据采集与处理、屏幕显示、打印记录、历史数据存储和检索、性能计算等。此外，针对

14、火电厂的特点和要求，还可实现设备的寿命管理、能量损耗分析和运行操作指导等高级处理功能。4、基于LabVIEW实现数据采集LabVIEW是虚拟仪器开发过程中最具代表性的图形化编程语言（G语言），它用图标、连线、框图代替传统的程序代码，能形象地观察数据的传输过程。LabVIEW是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一，它有十分强大的功能，例如数值运算、信号处理、数据分析、数据采集图形获取和传输等。LabVIEW程序是数据流驱动的，主要组成有：前面板、框图程序、图标/接线端口。1数据采集系统的构成数据采集系统由数据采集卡、硬件驱动程序接口、数据采集函数组成1。数据采集（DAQDataAcqu

15、sition）系统的基本任务是物理信号的产生和测量。要使计算机系统能够测量物理信号，首先要用传感器，把物理信号转换成电压或电流等的电信号。通常不能把被测信号直接连接到DAa,须用信号调理辅助电路，先将信号进行预处理。总之，数据集是借助软件来控制DAQ整个系统，包括采集原始数据、数据存储、回放及显示等，用户调用数据采集函数编写数据采集程序。2数据采集流程模块中使用多通道输入采样函数，此函数完成对多通道模拟输入量信号的采集。程序中实现对压差和流量参数的数据采集。具体采集过程中，通过Case结构（见图1）实现几个参数任意组合的采集。Case结构是执行条件语句的方法，相似于If,Then,Else语句

16、，它有多个子框图，但每次只能看到一个，具体执行哪一个子框图，是由输入到选择器端子上的数据来决定。采集完成后，使用索引数组函数来分离所采集的数据，函数会自动调整大小来匹配连接的输入数组维数。也就是说，如果将一维数组连接到ArrayIndex函数，那么将显示1个索引输入；同样，如果连接二维数组，那么它将显示2个索引输入1行1列2。将采集到的数据分离后，将数值连接到控制器前面板上进行直观形象的显示。在这个框图中，实现程序自动循环采集的函数是While函数，见图2。此函数重复执行代码片段直到满足某种条件为止，类似于传统语言中的DoLoop循环。3信号的存储和回放1）信号的存储是将采集到信号参数进行保存

17、，便于今后随时参考。本系统中采用LabVIEW自带的存储模块设计文件存储程序，它可选择所存储文件的格式（例如EXCELHTM格式等）。根据实际工艺流程，我们把压差和流量等信号，分单元存储。具体方法是：首先在最外层使用桢顺序结构函数，实现文件路径的数据流传递，用它控制节点的执行顺序，节点间不用连线连接，将最先执行的代码放在桢0边框内3,依次类推。在保存采集次数、时间等参数时，因是以字符串保存的，所以就用函数将数字转化为字符串。具体的结构和循环，主要使用带寄存器的While和Case结构来完成。2）信号的回放是用户在数据采集和分析完成之后，能够随时重新观察4。数据回放是历史信号追忆的前提，如果不能将用户想要的信号数据从历史文件中检索到，记忆显示就无从谈起。查询历史数据时，首先要确定读取哪一组保存的数据，然后再选择是对哪一个几个参数的读取，最后以这几个值为条件进行查询。本系统中的回放功能，