第一章数据采集与处理

数据采集与处理班级：机研15课时：24教材：《数据采集与处理技术》作者：马明建参考：数据采集与分析技术作者：周林、殷侠等主讲教师：Dr.吴晓明•第一章绪论•第二章模拟信号的数字化处理•第三章模拟多路开关•第四章测量放大器•第五章采样／保持器•第六章模／数转换器•第七章数／模转换器•第八章数据的接口板卡采集•第九章数字信号的采集•第十章数据的串行端口采集•第十一章数据采集系统的抗干扰技术•第十二章采样数据的预处理•第十三章数据采集系统设计•第十四章数据采集系统实例）前言各章主要内容第１章：绪论主要介绍数据采集的意义和任务，数据采集系统的基本功能、结构形式、数据采集软件的功能，还介绍了数据处理的类型和任务。第２章：模拟信号的数字化处理重点介绍模拟信号数字化处理中的基本理论、方法，包括采样过程、采样定理、量化与量化误差、编码，还讨论了几种采样技术的应用、频率混淆的原因及消除频率混淆的措施。第３章：模拟多路开关介绍模拟多路开关的工作原理和主要技术指标，常用集成多路开关芯片、多路开关的电路特性和多路开关的使用。第４章：测量放大器介绍测量放大器的电路原理、主要技术指标，集成芯片和测量放大器的使用，还介绍了隔离放大器的结构和应用。第５章：采样／保持器介绍采样／保持器的工作原理、类型、主要性能参数和集成芯片，还讨论了系统采集速率与采样／保持器的关系，以及采样/保持器使用中应注意的问题。返回第６、７章：模／数、数／模转换器介绍Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器的分类，主要技术指标、工作原理。在详细介绍几种８位、１２位Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器的基础上，给出了与单片机、ＰＣ机的硬件接口电路及调试方法和步骤#并介绍了在实际工作中如何选用Ａ／Ｄ转换器芯片的方法。第11章：数据采集系统的抗干扰技术介绍数据采集系统常见的干扰，并讨论了抑制干扰的措施，还讨论了在编程中容易忽视的软件干扰问题及软件抗干扰措施。第12章：采样数据的预处理介绍采样数据由无工程单位数字量变换为有工程单位数字量时的标度变换，还介绍采样数据的数字滤波!采样数据中奇异项的剔除及采样数据的平滑处理。第13章：数据采集系统设计介绍数据采集系统的设计原则、设计步骤、系统A/D通道的确定及微型计算机的选择，还介绍系统误差的分配及估算。返回第一章绪论主要章节:§1.1数据采集的意义、任务及基本概念§1.2数据采集系统的基本功能§1.3数据采集系统的结构形式§1.3.1微型计算机数据采集系统§1.3.2集散型数据采集系统§1.4数据采集系统的软件§1.5数据处理的类型和任务§1.5.1数据处理的类型§1.5.2数据处理的任务§1.1数据采集的意义、任务及基本概念数据采集：指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。数据采集的意义：在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。数据采集的任务：数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集（DataAcquistion）:将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。数据采集系统追求的2个目标:精度和速度•现代数据采集系统一般都内含有计算机系统。•软件在数据采集系统中的作用越来越大。•数据采集与数据处理相互结合日益紧密。•速度快，数据采集过程一般都具有“实时性”。•数据采集系统的体积越来越小。•总线技术的应用推动了数据采集系统的发展。现代数据采集系统的特点：§1.2数据采集系统的基本功能•数据采集（基本理论采样、量化等）•模拟信号处理•数字信号处理•开关信号处理•二次数据计算通常把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据称为二次数据。二次数据计算主要有：平均值、累计值、变化率、差值、最大值和最小值等。•屏幕显示•数据存储•打印输出•人机联系§1.3数据采集系统的结构形式§1.3.1微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统是由传感器、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§1.3.2集散型数据采集系统集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信接口、通信线路组成。§1.3.1微型计算机数据采集系统系统：若干个相互作用和相互依赖的事物组合而成的具体特定功能的整体。系统输入信号：激励输出信号：响应系统组成简易图：计算机数据采集系统的组成计算机数据采集系统硬件软件模拟部分数字部分传感器前置放大器滤波器多路模拟开关S/HA/D计算机系统传感器前置放大器滤波器传感器前置放大器滤波器123计算机数据采集系统的硬件基本框图微型计算机数据采集系统的特点•系统结构简单，技术上容易实现，能够满足中、小规模数据采集的要求。•微型计算机对环境的要求不是很高，能够在比较恶劣的环境下工作。•微型计算机的价格低廉，降低了数据采集系统的成本。•微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分。•微型计算机的各种I/O模板及软件都比较齐全，很容易构成系统，便于使用和维修。§1.3.2集散型数据采集系统数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于生产设备附近，独立完成数据采集和预处理任务，并将数据以数字信号的形式传送给上位机。上位机一般为ＰＣ计算机，配置有打印机和绘图机。上位机用来将各个数据采集站传送来的数据，集中显示在显示器上或用打印机打印成各种报表，或以文件形式储存在磁盘上。此外，还可以将系统的控制参数发送给各个数据采集站，以调整数据采集站的工作状态。数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传送数据。数据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。集散型数据采集系统特点•系统的适应能力强。无论是大规模的系统，还是中小规模的系统，集散型系统都能够适应，因为可以通过选用适当数量的数据采集站来构成系统。•系统的可靠性高。由于采用了多个以单片机为核心的数据采集站，若某个数据采集站出现故障，只会影响某项数据的采集$而不会对系统的其它部分造成任何影响。•系统的实时响应性好。由于系统中各个数据采集站之间是真正“并行”工作的，所以系统的实时响应性较好。这一点对于大型、高速、动态数据采集系统来说，则是一个很突出的优点。•对系统硬件的要求不高。由于集散型数据采集系统采用了多机并行处理方式，所以每一个单片机仅完成数量十分有限的数据采集和处理任务。因此，它对硬件的要求不高，可以用低档的硬件组成高性能的系统，这是微型计算机数据采集系统方案所不可比拟的。•用数字信号传输代替模拟信号传输，有利于克服常模干扰和共模干扰。因此，这种系统特别适合于在恶劣的环境下工作。§1.4数据采集系统的软件•模拟信号采集与处理程序•数字信号采集与处理程序•脉冲信号处理程序•开关信号处理程序•运行参数设置程序•系统管理（主控）程序•通信程序§1.5数据处理的类型和任务§1.5.1数据处理的类型1.按处理的方式划分•实时（在线）处理•事后（脱机）处理２.按处理的性质划分•预处理•二次处理§1.5.2数据处理的任务•对采集到的电信号做物理量解释•消除数据中的干扰信号•分析计算数据的内在特征•二次处理补充：数据采集系统的主要性能指标1系统分辨率数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。A/D位数级数1LSB（满分度的百分数）1LSB（满度值为10V的电压）82560.39139.1mV1010240.09779.77mV2010485760.00009539.53μV2系统精度当系统工作在额定采集速率下，整个数据采集系统所能达到的转换精度。系统精度是系统的实际输出值和理论输出值之差，它是系统各种误差的总和，通常表示为满度值的百分数。3采集速率（系统通过速率或吞吐率）在满足系统精度指标的前提下，系统对输入的模拟信号在单位时间内所能完成的采集次数或者说是系统每个通道、每秒可采集的有效数据的数量。采集过程包括了：采样、量化、编码、传输、存储等过程。4动态范围指某个确定的物理量的变化范围。信号的动态范围：信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。5非线性失真（谐波失真）当给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。