12数据采集与控制系统概论CP__0410.

合肥工业大学陈品数据采集与控制课程章节结构1-82）数据采集与控制系统基本概念3）模拟电路基本理论与设计4）采集与输出基本理论与设计5）接口电路基本理论与设计6）系统抗干扰设计7）自动控制基础知识8）数据采集与控制系统设计案例1）数据采集与控制系统概论数据采集(DAQ-DataAcquisition)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集电量信号或非电量,送到上位机中进行分析，处理。1.基本概念、原理与系统组成数据采集系统(DAS-DataAcquisitionSystem)，是结合基于计算机或其它专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。主要由硬件和软件组成。从硬件方面看,数据采集系统有两种结构形式:微型计算机的数据采集系统集散型数据采集系统一.数据采集与控制系统概论微型计算机数据采集系统是将PC及数据采集卡(模块)集成一体，采集卡采集完的数据直接保存在内部硬盘等存储介质中，为非组网模式。一.数据采集与控制系统概论NIPXI数采数采一体机便携式数采数采一体机HP数字万用表数字示波器手持数采微型计算机数据采集系统(系统框图)由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。一.数据采集与控制系统概论集散型数据采集系统由若干个数据采集站和一台上位机及通信线路组成。数据采集站可以独立采集模拟和数字信号，数据通过通讯网络(光纤或网络等)传输到PC的硬盘进行保存及处理，为组网模式。一.数据采集与控制系统概论PLC采集串口转TCP/IP采集串口转光纤采集PLC采集站现场仪表采集站分厂交换机分厂交换机主采集服务器公网服务器集散型数据采集系统(系统框图)通讯网络的几种形式：有线、无线局域网(TCP/IP)、射频网络电台、RS485、CAN总线、GSM等。一.数据采集与控制系统概论从软件上看，数据采集系统软件包含：设备底层固件程序设备驱动程序上位机应用程序一.数据采集与控制系统概论设备底层固件ADC工作模式控制模拟通道耦合控制RAM内存管理信号常规分析功能各外设硬件自检LED/LCD显示功能数据接口电源管理采样时序操作设备驱动程序数据批量上传控制指令下传数据缓存区管理数据FIFO中断数据包索引排序通讯纠错机制上位机应用程序数据接收(线程/中断)设备参数配置程序设备通讯接口程序数据显示与存储数据分析功能测试工程项目管理二次开发接口数据图表显示数据打印与输出设备硬件平台计算机平台软件与硬件相互结合，共同实现系统的功能下面简要介绍一下系统的组成:1)传感器2)信号调理电路3)多路模拟开关4)采样/保持电路5)AD转换6)计算机及数据输出设备7)反馈控制环节8)数据处理一.数据采集与控制系统概论(组成)1)传感器（Sensor）信号提取(被测量)→传输(信号变换部分)测量精度要求(信噪比、线性度等)；被测量变化范围(动态范围)、频率带宽；被测对象所处的环境条件(温湿度等)；对传感器体积和整个采集系统的成本等的限制；选择传感器的依据：一.数据采集与控制系统概论(组成)感受被测量的大小并输出相对应的可用输出信号的器件或装置，主要执行检出功能。是采集系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分。2)信号调理电路（SignalConditioning）信号调理电路的主要功能包括信号的转换和标准化。⑴对模拟信号而言：◆阻抗变换；◆信号耦合方式、种类变换；◆增益、归一化；◆滤波、整流等；最终：得到测试系统所‘认识’的标准信号（4-20mA、1-5V、±5V、±10V）。⑵对数字信号而言：缓冲、锁存、整形等。一.数据采集与控制系统概论(组成)3)多路模拟开关（MUX）作用：使多路被测信号共享一路A/D,或控制电阻网络当被测量信号的通道比较多时，为了节省开支和减轻电路的复杂程度，一般在信号调理电路后面，加多路模拟切换开关，从而使各路信号共享一路A/D通道。这样做会影响采样速度，因而对于变化很快的被测信号，就需要为每一路单独配置A/D通道，成本必然提高。实际设计时，可根据具体情况灵活掌握。一.数据采集与控制系统概论(组成)4)采样保持电路（S/H）作用：S/H的基本功能是获取输入信号并在其后A/D转换期间使信号保持不变。特别是当被测信号为高频信号时，都应加采样保持电路。串联型反馈型电容校正型一.数据采集与控制系统概论(组成)5)A/D转换电路（ADC）..DAS的核心器件是A/D转换器。因为只有通过它才能将模拟量变成计算机所能接受的数字量。具体讲，A/D转换部分应包括以下两项功能：⑴将模拟量离散并量化为数字量。⑵能与计算机(MCU)进行接口通讯。全并行ADC结构一.数据采集与控制系统概论(组成)6)计算机及数据输出设备一般采用工控机及打印机、绘图仪等，用于将采集处理后的数据打印或显示出来（报表、曲线等）。属于数据显示记录环节：将被测量信息变成人感官能接受的形式,以完成监视、控制或分析的目的。测量结果可以采用模拟/数字显示,也可以由记录装置进行自动记录或由打印机将数据打印出来。一.数据采集与控制系统概论(组成)7)反馈控制环节若计算机的输出还用于控制执行机构以调节过程参数，此时DAS就发展成为计算机控制系统。如电磁阀的控制、PID控制，这相当于在DAS的基础上增加了自动调节(负反馈控制)，使其成为完整的生产过程自动化系统。带有反馈控制的DAS系统一般称为计算机控制系统，基本框图如下：一.数据采集与控制系统概论(组成)8)数据处理(1).零点、满度调整调整A/D转换器数据，使其满足系统要求。(2).校准调试进行灵敏度系数调整、定标，用于恢复物理量的量纲及表现形式。例：某线性压力传感器，测得下述一组数据压力（KPa）：01050100200300400500输出（V）：0.00.10.51.02.03.04.05.0则,该压力传感器的定标系数为：100KPa/V。即：每输出1V电压，传感器需加压100KPa。有了定标系数，便可以将A/D后的数字量变成相应的物理量纲（具体大小）。如采用上述压力传感器，8bitA/D，满度为5V，单极性。若转换结果为80H（10000000B），27=128。则表示的电压为27/28×5=2.5V，代表实际压力为：2.5V×100KPa/V=250KPa。一.数据采集与控制系统概论(组成)(3).消除干扰平滑、滤波、非线性校正、IIR、FIR数字滤波(4).数据变换运算相关、卷积、滤波、PID、频谱分析等。(5).数据输出制表、显示、打印、绘图、控制数据处理的常用程序设计语言有：汇编、KeilCBasic、C、C++、VB、VC、C#等，QT等一.数据采集与控制系统概论(组成)2.典型数据采集与控制系统1).多通道数据采集卡IEPE调理--可通过软件配置±10V的电压范围45kHz无混叠带宽24位分辨率，110dB动态范围最高采样速率达102.4kS/s8路同步采样模拟输入通道调理电路、模数转换、时钟、逻辑控制、主控单片机、接口芯片、电源、基准、其它一.数据采集与控制系统概论(典型介绍)2).数字示波器采样率：500MS/s模拟带宽：25MHz记录长度：2.5k点模拟通道：2一.数据采集与控制系统概论(典型介绍)模拟通道输入BNC、幅值档位、通道使能、纵向位置调整、横向位置调整、时间窗口、屏幕按钮外部触发输入BNC、数据保存、自动设置、运行停止、光标控制、数学计算、数据输出接口USB3).数字微分模块(速度转加速度)加速度信号输出速度信号输入系统供电+12V输出增益调节A=1+R8_3/R8_2，左侧为R8_3，右侧为R8_3数字增益设置数字IO口备用一.数据采集与控制系统概论(典型介绍)3.计算机控制系统的分类按照控制系统的功能可分为五大类：1）数据采集系统尽管数据采集系统不属于控制的范畴，但是计算机控制系统总是离不开数据采集，它是了解被控对象的一种必要手段。被测对象S/HAD微型计算机模拟数字…12n显示打印报警一.数据采集与控制系统概论(控制系统分类)2）数字控制系统被控量X0设定值X1控制器执行器被控对象测量部件变换器+_b闭环控制系统X0X1控制器D/A被控对象A/D+_数字计算机数字控制系统执行器一.数据采集与控制系统概论(控制系统分类)3）监督控制系统（源于工矿部门）监督计算机根据生产过程工艺参数和数学模型，给出工艺参数的最佳值，作为控制器的给定值，监督控制的效果取决于数学模型的精确程度。离线工作，不参与过程控制。4）分级控制系统计算机控制系统不单纯包含控制功能，而且包含了生产管理和指挥的功能。5）分布控制系统以微处理器为核心，实现地理上和功能上分散的控制，通过高速通讯网络将分散信息集中起来，集中监控操作并实行高级复杂规律的控制。一.数据采集与控制系统概论(控制系统分类)分布控制系统举例防火墙(可选)数据库服务器可与主服务器合并专线交换机工作站工作站主服务器WEB服务器可与主服务器合并路由器移动基站互联网或移动内部网络路由器通讯网络监控中心短信报警机(可选)打印机(可选)投影仪(可选)自动监控设备大屏幕显示墙控制主机图形处理器VGA切换矩阵大屏幕显示墙工作站整合一体化后的无线检测终端GPRS供电GPS主机麦克风振动传感器。。。。。。硬件层软件层设备固件层同步数据采集软件振动噪声谱分析软件GPS通讯及校时软件通讯协议层传感器校准配置软件硬件看门狗防死机制SD卡实时存储现场监控与调试接口大容量数据缓存。。。与服务器应答机制实时数据传输包历史数据传输包远程终端配置信息包报警信息包地理信息包上位机指令包链接保持心跳包链接保持心跳包与终端SD卡文件操作。。。服务器应用层终端定位及状态监控终端检测查看与回放故障实时报警故障与寿命统计研发应用功能扩展故障特征判断软件。。。故障库模型建立服务器操作系统数据库支持故障特征谱库故障特征谱库学习软件样机采集与特征提取现场数据采集与校验故障数据库原型建立故障检测状态校核故障库标准化中心主站平台应用软件WEB发布中心主站平台后台软件。。。数据库结构优化大屏幕控制软件短信报警软件一.数据采集与控制系统概论(控制系统分类)4.数据采集与控制的发展趋势1）专家智能化嵌入式计算机采集系统深程度与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自我诊断、以及“思维”等人工智能，就称之为系统的智能化。借助于半导体集成化技术，把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成智能数采模块。智能数采模块，是数据采集技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现将取决于数采技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这数采模块具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是重要的方向之一。传感器+嵌入式计算机智能传感器一.数据采集与控制系统概论(趋势)2）微型化、大规模集成化由于计算机技术的发展，辅助设计(CAD)技术和集成电路技术迅速发展，微机电系统（MEMS)技术应用于传感器等技术，从而引发了采集系统微型化、大规模集成化。一.数据采集与控制系统概论(趋势)AT89C51W77E58SOCC8051FARMSTM32动圈式麦克风电容式传声器MEMS数字咪头PDM音频解码3）多机应用一个数据采集或自动控制系统中，应用的微机不止一台，构成纵向的多级系统或横向的分布系统。可完成更为复杂、繁多的任务；可分布在不同地域。4）无线网络化随着通讯技术的发展，无线技术的广泛应用，WLAN/GPRS/GPS技术也应用到数据采集。在航天技术中，人们通过卫星把传感器的采集数据发回地面，从而了解到太空中的情况。基于IEEE802.3工业以太网网络式振动传感器一.数据采集与控制系统概论(趋势)一.数据采集与控制系统概论(资料)1).《数据采集与控制》詹宏英，黑龙江科学技术出版社2).《数据采集与控制技术》唐光荣等，清华大学出版社3).《数据采集与控制系统》赵负图，北京科学技术出版社4).《数据采集系统的设计与实践》周振安等，地震出版社5.