数据收集技术

1、数据收集第九章数据收集技术主要内容数据收集概述，什么是数据收集模拟信号的数字化处置多路模拟开关、测量放大器采样/维持电路模/数转换器、数/模转换器数据收集的抗干扰技术传感器、数据收集系统设计（自学内容）2001年4月1日，一架美国海军EP-3型侦测机在南中国海进行侦查， 中国海军航空兵派出2架歼-8II战斗机进行监视和拦截，其中一架僚机在海 南岛东南70海里上空与美机发生碰撞、坠毁，飞行员王伟跳伞，下落不明， 后确认捐躯，美国军机迫降海南岛陵水机场执行侦查任务丫搜集中国军情形报。2008年9月25日，神舟七号飞船在酒泉卫星发射中心发射。点火583秒，飞 船与火箭在高度约200千米处成功分离。发

2、射测控网共设13个站，其中上升段有3个站：发射场的东风站、渭南站 和青岛站，这三个站负责飞船在上升段的测量，覆盖率达到100%。入轨段有 两条测量船：远望一号和远望二号对象测控1T数据收集与目标控制类似的例子很多，如物联网。上述实例中，进行情报搜集或完成测控任务，完全依赖于信息技术。信息技术的核心包括信息获取、通信传输和运算机数据处置技 术，其中信息获取是基础和前提，而信息获取的主要手腕是数据收集技 术；数据收集技术随着微电子技术、电子技术、运算机技术的进步取得 迅速进展，发挥着愈来愈重要的作用。数据收集技术与运算机技术紧密相关，按照大纲要求，在运算 机原理课程中增加数据收集技术的内容。一、数

3、据收集的大体概念1、数据收集运算机处置的对象是数字量，而外部世界的大部份信息是持续转变的物理 量，例如温度、压力、位移、速度，要将这些信息送入运算机进行处置，就必需 先把这些持续的物理量离散化，即进行量化编码，变成数字量才能实现。数据收集就是将被测对象的各类参量通过传感器做适当转换后，由非电量变 换成电量，再通过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤输入运算机进行 处置或存储记录的进程。2、数据收集系统用于数据收集的成套设备称为数据收集系统，运算机是数据收集系统的核 心，完成对整个收集进程的控制、对收集的数据进行处置的任务。3、数据收集系统任务数据收集系统的任务主要有三项：把模拟信号转换为运算

4、性能识别的数字信号，送入运算机通过运算机进行计算和处置，取得有效的信息实现对进程或目标（某些物理量）的监视与控制二、数据收集系统的大体组成数据收集系统包括硬件和软件两大部份，硬件部份又可分为模拟部份和数字 部份。硬件大体组成示用意如下。常把传感器输出到A/D转换器输出的信号通道称为模拟通道。1、传感器传感器的作用是把非电量的物理量转变成模拟电信号，例如电流、电压、频 率或脉冲等。举例：热电阻能够把转变的温度转换为转变的电压；转速传感器把转速转换为电脉冲，等。2、放大器放大器用来放大缓和冲输入信号。传感器输出的信号较小，通常在几毫伏到几十毫伏之间，人体生物电信号为 微伏量级。需要放大，以知ADC

5、W量程输入的要求，如5 10V。放大器还起到 阻抗变换器的作用，来缓冲输入信号。放大器的种类比较繁杂。3、滤波器滤波器用来衰减噪声，以提高输入信号的信噪比。传感器和电路中的器件会产生噪声，人工发射源通过耦合使信号通道感染噪 声，其它用电器产生的谐波污染等。数据收集必需有效去除噪声才能取得可信的 数据。4、多路模拟开关多路模拟开关为电子开关，用来分时选通来自多个输入通道中的某一路信 号，以实现多路巡回检测。功能：扩展输入路数，减少后续电路器件数（S/H、 ADC等只需1套）。可节省本钱和体积，但会降低收集速度，增大误差，适合转 变缓慢的物理信号。5、采样/维持电路（S/H）A/D转换器完成一次转

6、换需要必然的时刻，这段时刻内，A/D转换器的模拟 输入信号不能转变，不然不能保证转换精度。采样/维持电路的主要作用是快速拾取模拟输入信号，并维持其幅值恒定， 以提高人/D转换器的转换精度；若是把S/H电路放在多路开关之前，可实现对多 路模拟瞬时信号同时采样。6、模数转换器（ADC）模数转换器的主要作用是把模拟信号转换为数字信号，其输入是采样/维持 电路的输出，输出是运算机接口的输AADC是模拟输入通道的关键电路，是影 响系统采样速度和精度的主要因素之一。7、运算机I/O接口A/D转换结果要送入运算机处置，而数据处置后还要送出运算机，都需要借 助于运算机I/O接口完成。8、按时与控制逻辑在数据收

7、集系统中，各器件的按时关系是超级严格的，若是按时不适合，会 严峻影响系统的采样精度。例如，在多路模拟开关、采样/维持，AD转换之间，哪个开启、开启多长 时刻有严格的规定。按时与控制逻辑偏重于为完成数据收集任务所进行的控制功能，是面向系统 的。按时与控制逻辑在结构图中没有画出。三、数据收集系统的主要指标对数据收集系统性能指标的要求主要取决于具体应用的目的和应用的环境。 以下介绍几个常常利用指标的含义。1、系统分辨率数据收集系统能够分辨的输入信号的最小转变量。通常常利用最低有效位值 （LSB）占满量程的百分比表示，或用系统可分辨的最小电压值或满量程可划分 的级数表示。以满量程为例：2、系统精度系统

8、精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，通常表示为满量程的百分 数。系统精度是系统各类误差的总和，模数转换器的精度是系统精度的极限值。 实际情形是，系统精度达不到数模转换器的精度。3、收集速度收集速度也叫吞吐率，是指在知足精度指标的前提下，系统对输入模拟信号 在单位时刻内所完成的收集次数。采样速度是采样周期的倒数，采样周期表征了系统每收集一个有效数据所需 的时刻。采样周期内需完成采样、量化、编码、传输、处置等的全数工作。4、动态范围某个物理量的转变范围，即信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。设允 许输入信号的最大幅值V血/最小幅值Vj血，则动态范围表示为：VimaxI = 20lgVimin

9、5、非线性失真非线性失真也叫谐波失真，当系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出 中出现很多频率为kf（k为正整数）的新的频率分量，这种现象称为非线性失 真。用谐波失真系数衡量。四、数据处置的任务数据收集是以传感器技术、信号检测与处置、电子学、运算机技术等为基础 而形成的一门综合应用技术学科，除硬件设备外，往往需要软件的支持，以对所 收集的数据进行分析与处置，并完成信息的表示等，是软件要完成的任务。数据类型的不同、应用领域的不同，数据处置方式会有专门大不同。本章的 重点放在数据收集原理上，而对具体的数据处置方式将不作详细介绍。1、信号分类（）信息通过信号来传递，信号是信息的载体，是信息的表现形式

10、。数据收集的 对象是信号；数据处置的目的是获取信息。信号数据信息了解信号的分类有利于找到规律，便于数据处置。（1）按信号特性分类肯定信号：能用肯定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，如 正弦曲线、指数曲线等。-周期信号：按必然周期重复出现的信号。-非周期信号：不按固定周期出现的信号。随机信号：不能用肯定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号， 但服从某种统计规律，如产品的合格率等。-平稳随机信号：统计特性不随时刻转变。-非平稳随机信号：统计特性随时刻转变。上述信号还能够继续分类，如周期信号可分为谐波信号和复杂周期信号 等，这里再也不讨论。（2）按信号形式分类模拟信号幅度的取值是持续的，

11、为时刻上持续转变的信号，如电压、温度等，输入运算 机前需要通过采样、量化和编码，进行离散化。状态信号物质系统所处的状况，一个状态可由一组物理量来描述。状态信号则可由二进 制代码来表示。水在不同的温度下会有不同状态，温度V0C :固态，温度 100C： 气态。固态、液态和气态可用00、01、10状态信号来表示；开关的状态可用0和1表 示。数字信号幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。例如某种量的二进 制编码就是一种数字信号。照信号的分类和应用的不同，处置方式也不尽相同。2、数据处置的类型数据处置有多种类型，对于数据收集系统而言有以下分类。（1）按处置方式分类实时处置：在收集数据的同

12、时，对数据进行某种处置，实时处置也 称为在线处置。对于高速数据收集，实时处置必需快，不然会丢失数据。脱机处置：非实时处置，处置时刻不受限制，能够按要求进行复杂 处置。（2）按处置性质分类预处置：去除数据奇异项，数据滤波，数据转换等。 二次处置：对数据的进一步处置，取得有效的信息。3、数据处置的任务数据处置是必需的，主要任务如下：（1）消除干扰信号在数据的收集、传送和转换进程中，会受到干扰和噪声的影响，所收集 的数据中会含有干扰信号，需要采用各类方式最大限度地消除数据中的干扰 成份，保证数据的精准度。消除干扰信号的方式很多，可采用硬件的方式，例如硬件低通滤波器等; 也可采用软件的方式，例如软件中

13、值滤波算法、惯性滤波等。（2）进行物理解释诸如温度、压力等被收集量经传感器转换为电量，该电量在通过采样、 量化和编码等环节以后，送入运算机中变成一组代码，无明确的物理意义。 数据处置任务之一就是要将其还原成原来对应的物理量。（3）分析数据的内在特征对收集的数据进行加工（如傅立叶变换），或在关联的数据之间进行 某种运算（如计算相关函数），从而取得能表达数据内在特征的二次数据， 获取有效的信息。（4）数据表示与数据存储通过某种形式对处置结果做出适当的、直观的表示，以便于信息的理 解，如图形、曲线、表格等。完成数据的存储。模拟信号的数字化处置在数据收集系统中，同时存在着两种不同形式的信号：模拟信号和

14、离散 信号。在进行数据收集时，第一碰到的问题是如何把传感器所测量的持续模 拟信号转换为离散数字信号。转换进程需经历两个断续进程。1、时中断续对持续的模拟信号x(如依照必然的时刻距离Ts，抽取相应的瞬时值，那 个进程称为采样。持续的模拟信号x(t)经采样后转换为时刻上离散的模拟信号 x(nT)，其幅值仍是模拟信号，称为采样信号。相当于用时刻刀切割原信号 s s的结果。2、数值断续把采样信号x(nT)以某个最小数量单位的整倍数来气宇，那个进程称为量 s s化，相当于拿数值尺气宇，采样信号xs(nTs)通过量化后变换为量化信号xq(nTs)， 再通过编码，转换为离散的数字信号x(n)，成为时刻和幅值

15、离散化的信号，简称为数字信号。下图是信号的转换进程。可能因采样点过量，致使占用大量的运算机内存，影响处置速度,严峻时将因内存不够而无法工作。可能因采样点太少，采样点之间的距离太大，引发原始数据值失真，不能原样再现原来持续转变的模拟量x(t)，从而造成误差。那个原则就是所谓的香农采样定理。以下先介绍采样进程。一、采样进程在时刻和幅值上持续的模拟量x(t)，通过一个周期性开闭(周期为Ts， 闭合时刻为t)的采样开关K后，输出一串在时刻上离散的脉冲信号x(nT)， s s该进程称为采样进程。采样开关输入信号与输出信号的关系为：因为t fc时，X(0=0Tv或 2fc2fc时，由采样后取得的采样信号X

16、s(nT)能无失真地恢复为原来信号x。2、采样定理中两个条件的物理意义条件1物理意义:持续模拟信号x的频率范围是有限的，信号频率f在0v fV fc之间。条件2物理意义：采样周期不能大于信号周期Tc的一半。3、采样定理不利用的情形()假设持续信号为0VV2n其采样值为当时，则有4、频混的产生与消除频混的产生当T取值过大，在时，将会发生x(t)中高频成份s()叠加到低频成份()上去的现象，即频混。为了解释频混，先看一个例子。某一持续信号x(t)中含有频率为900Hz、400Hz、100Hz的成份，并以f=500Hz进行采样。现在： sf 2X100、 f V 2X400、 f V 2X500ss

17、s理论分析会产生频混现象，实际情形如何？消除频混为了减少频混，通常能够采用两种方式：对频率衰减较快的信号，可用提高采样频率的方式解决依照采样定理，采样频率2,提高采样频率也就是减小采样周期Ts ; 但也不能过小，Ts过小，增加内存占用量、增加计算量、也会使频域的频 率分辨率下降过量。对于频率衰减较慢的信号，可用消除频混滤波器来解决在采样前，用截止频率为f的消除频混滤波器，将信号x(t)进行低通滤波， c将不感兴趣或不需要的高频成份滤掉，然后再进行采样和数据处置。这种方 式既经济又简单。三、采样技术()数据收集需遵守采样定理。在高速目标测量或长时刻测量的数据收集中，将产 生大量数据，需要专门大存

18、储空间，为此必需采用技术手腕来适应存储的需要。本 节介绍雷达测速四种采样技术。1、常规采样常规采样就是前面介绍的采样技术，采样持续进行，采样频率由采样定理决定。设雷达天线回波中，目标的多普勒信号的最高频率fdmax，若采样频率为fs,贝Ufs= K . fdmax (K2)雷达数据收集和处置分开进行，数据需要存储，存储容量S为模拟信号频率越高，测量时刻越长，需要的存储容量越大。2、间歇采样间歇采样进程如下图所示。只要合理调整采样时刻段%与间歇时刻段七的比 例关系，就可以记录下所有的采样数据。设各采样时刻距离相等，气尸=，各间歇时刻段也相等，%=农=，间歇时刻与采样时刻之比a = tGi / t

19、& ,采样时刻为t,所需的 数据存储容量为间歇采样，少量信息丢失对速度检测精度不会产生直接影响。4、下采样有时目标的多普勒信号频率，在整个测量进程中转变不大，为带通信号，可作特殊 处置。设信号x.(t)的频率范围为：a式中，为带宽。当（k为奇整数）或（k为整数）时，可取采样周期，即时，采样信号的频谱不会发生混叠。为了不失真地恢复信号，可通过一个理想的带通滤波器，其频率特性为：在进行数据处置时，称带通信号采样为下采样。长处：下采样的采样频率低，具有测量精度高、数据量小的长处。四、量化与量化误差1、量化来自传感器的持续模拟信号通过采样后，变成时刻上离散的采样信号， 但其幅值在采样时刻T内仍是持续的

20、，因此，采样信号仍然是模拟信号。为了用运算机处置信号，须将采样信号转换成数字信号。量化就是把采 样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信 号幅值的最小数量单位的倍数来代替该幅值。这一进程称为量化进程，简称 量化。最小数量单位称为量化单位。量化单位概念为量化器满量程电压FSR（Full Scale Range）与2n的比值，用4表示：q = FSR / 2n为量化器的位数。例 当 FSR=10V，n=8时，q=;当 FSR=10V，n=12时，q=;当 FSR=10V，n=16时，q二。由此可见，量化器位数口越多，量化单位q就越小。把量化后的信号称为量化信号，把量化信号

21、的数值用二进制代码来表示，称为编码。量化信号编码后转换为数字信号，完成量化和编码的器件是模数 转换器(ADC)。量化方式人民币的最小单位是分，任何商品的价钱都是分的整倍数。对于不到一分钱的 部份，通常有2种处置办法：忽略不计或四舍五入。类似地，A/D转换器也有两种量 化方式。只舍不入的量化用量化单位均分幅值轴，信号小于量化单位的部份一概舍去。量化信号用Xq(nTs)表示。当0V Xq(nTs)V：q时，xq(nTs)=；当q V %(nTs)V2q时，Xq(nTs)= q ; .;以此类推。有舍有入的量化采样信号小于q/2的部份舍去；采样信号大于q/2的部份计入。量化信号用Xq(nTs)表示。当-q/2v Xq(nTs)Vq/2时，()=0;当q/2V x(nT)V3/2q时，x(nT)= q ; .；以此类推。能够看出，采样信 q sq s号x(nT)偏置 7q/2。q s量化误差由量化引发的误差称为量化误差，记为e :e = x (nT)- x (nT )s s q s式中，xnTs)为采样信号；Xq(nTs)为量化信号。量化误差e的大小与所采用的量化方式有关，下面别离讨论。有舍有入法的量化误差有舍有入法