02模拟量输入输出通道的接口技术

第7章过程控制数据处理的方法7.1数字滤波技术7.2量程自动转换和标度变换7.3测量数据预处理技术7.4DSP在数据处理中的应用7.1数字滤波技术引言：•环境需要滤波。•目的：提高信/噪这就是数字滤波。•方法：①模拟滤波②数字滤波微机控制技术1．数字滤波器的优点（1）无需增加任何硬设备。（2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。（3）可多通道共享，从而降低了成本。（4）可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波。（5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。在计算机控制系统中得到广泛的应用。微机控制技术2．数字滤波的方法数字滤波的几种常用方法：（1）程序判断滤波（2）中值滤波（3）算术平均值滤波（4）加权平均值滤波（5）滑动平均值滤波（6）RC低通数字滤波（7）复合数字滤波微机控制技术7.1数字滤波技术7.1.1程序判断滤波7.1.2算术平均值滤波7.1.3加权平均值滤波7.1.4滑动平均值滤波7.1.5RC低通数字滤波7.1.6复合数字滤波7.1.7各种数字滤波性能的比较7.1.1程序判断滤波（1）方法：①根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大允许偏差△Y。②若两次采样信号之间的偏差超过△Y：则表明该输入信号是干扰信号，去掉。小于△Y：将信号作为本次采样值。（2）应用场合：当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，可采用程序判断法进行滤波。微机控制技术滤波方法——限幅滤波和限速滤波1．限幅滤波作法：•|Y（k）-Y(k-1)|≤△Y,则取Y（k）=Y（k）•|Y（k）-Y(k-1)|＞△Y,则Y（k）=Y（k-1）(7-1)式中：Y（k）——第k次采样值；Y(k-1)——第(k-1)次采样值；△Y——相邻两次采样值允许的最大偏差。（其大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应）。微机控制技术7.1．1程序判断滤波用途：•主要用于变化比较缓慢的参数，（温度、物位等）•门限值△Y的选取：△Y太大，增大了系统误差允许的程度；△Y太小，又会使计算机采样效率变低。（根据经验数据获得，必要时，也可由实验得出）。微机控制技术7.1．1程序判断滤波2．限速滤波（1）基本原理•则最多可用三次采样值来决定采样结果。•作法：当|Y(2)-Y(1)|＞△Y时，再采样一次，取得Y(3)，根据|Y(3)-Y(2)|与△Y的大小关系来决定本次采样值。：•设在t1、t2、t3顺序采样值依次为为Y(1)、Y(2)、Y(3)，若|Y(2)-Y(1)|≤△Y，取Y(2)输入计算机当|Y(2)-Y(1)|＞△y时，继续采样取得Y(3)若|Y(3)-Y(2)|≤△Y时，则取Y(3)输入计算机当|Y(3)-Y(2)|＞△Y时，则取Y(3)+Y(2)/2输入计算机微机控制技术(7-2)7.1．1程序判断滤波•特点:限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值变化的连续性。缺点：①△Y的确定不够灵活，必须根据现场的情况不断更换新值；②不能反应采样点数N＞3时各采样数值受干扰情况。实际中，可取[|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)]/2取代△Y这样既保持限速滤波的特性，又加大了灵活性。（如图7-1）微机控制技术7.1．1程序判断滤波图7-1限速滤波程序流程图微机控制技术7.1．1程序判断滤波内存分配:•20H、21H、22H–Y（1）、Y（2）、Y（3）•23H、24H—中间结果•LIMIT--△Y•滤波结果存放在A累加器中。限速滤波程序如下：微机控制技术7.1．1程序判断滤波ORG8000HPRODT2：MOVA，20H；A←Y（1）CLRC；进位位清零SUBBA，21H；计算Y（1）-Y（2）JNCLOOP1；Y（1）-Y（2）≥0，转LOOP1CPLA；负数，取反加1INCALOOP1：MOV23H，A；23H←｜Y（1）-Y（2）｜MOVA，21H；计算｜Y（2）-Y（3）｜CLRCSUBBA，22HJNCLOOP2CPLA；负数，取反加1INCA（2）程序P197微机控制技术LOOP2：MOV24H，A；24H←｜Y（2）-Y（3）｜ADDA，23H；计算Y=[｜Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)｜]/2RRCAMOVLIMIT，A；（LIMIT）←△YMOVA，23HCJNEA，LIMIT，DONE1AJAMPDONE2；｜Y(1)-Y(2)｜＝△Y，转DONE2DONE1：JCDONE2；｜Y(1)-Y(2)｜△Y，转DONE2MOVA，24H；A←｜Y(2)-Y(3)｜CJNEA，LIMIT，DONE4AJAMPDONE5；｜Y(2)-Y(3)｜＝△Y，转DONE5DONE4：JCDONE5；｜Y(2)-Y(3)｜△Y，转DONE5AJAMPDONE6DONE5：MOVA，22H；｜Y(2)-Y(3)｜≤△Y，取Y(3)AJAMPDONE3微机控制技术7.1．1程序判断滤波DONE6：MOVA，21H；｜Y(2)-Y(3)｜△Y，取[Y(3)+Y(2)]/2ADDA，22HRRCAAJMPDONE3DONE2：MOVA，21H；｜Y(1)-Y(2)｜≤△Y，取Y(2）DONE3：RETLIMITEQU30H算术平均值滤波是要寻找一个Y(k)，使该值与各采样值间误差的平方和为最小，即由一元函数求极值原理，得式(7-3)(7-3)式中，(k)—第k次N个采样值的算术平均值；(i)—第i次采样值；N—采样次数。7.1．2算术平均值滤波Yx微机控制技术算术平均值滤波浮点运算子程序ORG8000HFARIFT:MOVR6,#40H;置初值0MOVR2,#00HMOVR3,#00HMOVA,COUNTPUSHAMOVR0.#DATA7.1．2算术平均值滤波LOOP：LCALLLOADXI；R7（阶）R4R5←X(i)CLR3AH；执行加法LCALLFABP；R6（阶）R2R3+R7（阶）R4R5；→R4（阶）R2R3MOVA，R4；送累加和到R6（阶）R2R3MOVR6，ADJNZCOUNT，LOOP；N≠0，继续相加LCALLFSTR；N次采样值的累加和送（R1）指向的3个单元POPA；恢复NMOVR2，#00H；送N到R2R3MOVR3，AMOVA，#MED2XCHA，R1MOVR0，A；累加和送（R0）指向的3个单元中CLR3CHLCALLINTF；将N转换成浮点数微机控制技术7.1．2算术平均值滤波LCALLFDIV；计算N次采样值累加和的平均值MOVA，R0MOVR1，ALCALLFSTR；存放平均值RETLOADXI：MOV36H，R6；保护中间结果MOV37H，R2MOV38H，R3MOVA，@R0MOVR3，AINCR0MOVA，@R0MOVR2，AINCR0MOVR1，#MED1CLR3AH7.1．2算术平均值滤波LCALLINTF；转换成3字节浮点数MOVA，@R1；把3字节浮点数送到R7（阶）R4R5MOVR7，AINCR1MOVA，@R1MOVR4，AINCR1MOVA，@R1MOVR5，ADECR1DECR1MOVR6，36H；恢复中间结果MOVR2，37HMOVR3，38HRET7.1．2算术平均值滤波DATAEQU20HMED1EQU30HCOUNTEQU33HMED2EQU36H7.1．2算术平均值滤波说明：•算术平均滤波主要用于对周期脉动的采样值进行平滑加工（如压力、流量等）•对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想。•随着N值的增大，平滑度将提高，灵敏度降低。•经验数据：流量参数滤波时，N取12次，压力取4次，如无噪声干扰，温度可不取平均值。微机控制技术7.1．3加权平均值滤波•算术平均滤波法滤波结果中取每次采样值的1/N。•有时为提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，求其和作为滤波结果，称为加权平均法。一个n项加权平均式为式中C0、Cl、…、Cn-l均为常数项，应满足下列关系：(7-5)式中C0、Cl、C2、…、Cn-l为各次采样值的系数。111niniXCkY)(110niiC(7-5)微机控制技术7.1．4滑动平均值滤波•算术平均值滤波，加权平均值滤波，适合于有脉动式干扰的场合。•采用滑动平均值滤波法，可加快平均滤波的速度。作法：在RAM中建立一个数据缓冲区，依顺序存放N次采样数据，每采进一个新数据就将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新数据在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。这样，每一次采样，就可计算出一个新的平均值。微机控制技术7.1．4滑动平均值滤波滑动平均值滤波程序有两种：一种是滑动算术平均值滤波，一种是滑动加权平均值滤波。微机控制技术7.1．5RC低通数字滤波•前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波，适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。•仿照模拟系统RC低通滤波器的方法，用数字形式实现低通滤波，可以提高滤波效果。如图7-3所示。微机控制技术7.1．5RC低通数字滤波图7-3RC低通滤波器微机控制技术7.1．5RC低通数字滤波由图7-3，写出模拟低通滤波器的传递函数，即(7-6)其中，为RC滤波器的时间常数，＝RC。由公式（7-6）可以看出，RC低通滤波器实际上是一个一阶滞后滤波系统。将式(7-6)离散后，可得(7-7)式中，X(k)——第k次采样值；Y(k-1)——第k-1次滤波结果输出值；11ssYsXsG)()(kXkYkY11微机控制技术Y(k)——第k次滤波结果输出值；——滤波平滑系数，T——采样周期。对于一个确定的采样系统而言，T为已知量，所以由，可得（7-8）当1时，ln(1-)-1=，则式（7-8）可简化为(7-9）∴式(6—8)可简化为7.1．5RC低通数字滤波TT或1lnT微机控制技术Te1Te17.1．5RC低通数字滤波从式(7-9)中可清楚地看出，采样周期T和RC滤波器的时间常数及相应的数字滤波器的滤波平滑系数之间的关系。式(7-7)即为模拟RC低通滤波器的数字滤波器，可用程序来实现。微机控制技术7.1.6复合数字滤波为进一步提高滤波效果，可以把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。[例如]•算术平均滤波/加权平均滤波只能对周期性的脉动采样值进行平滑加工。•中值滤波可以解决随机的脉冲干扰(电网的波动，变送器的临时故障等)。•将二者组合起来，形成多功能的复合滤波。微机控制技术1、防脉冲干扰的平均值滤波上述滤波方法的原理可由下式表示：若X(1)≤X(2)≤…≤X(N),3≤N≤14(7-10)2、双重滤波的方法把采样值经过低通滤波后，再经过一次高通滤波，这实际上相当于多级RC滤波器。2132NNXXXkY)()()()(1221NiiXN)(微机控制技术7.1.6复合数字滤波对于多级数字滤波，根据式(7-7)可知：第一级滤(7-11)式中，A、B均为与滤波环节的时间常数及采样时间有关的常数。(7-12)再进行一次滤波，则Z（k）=AZ（k-1）+BY（k）(7-12)式中，Z(k)——数字滤波器的输出值；Z(k-1)——上次数字滤波器的输出值。)()()(kBXkAYkY1)()()(kBYkAZkZ1微机控制技术将式(7-11)代入式(7-12)得(7-13)将式(6—12)移项，并将k改为k-1，则Z（k-1）-AZ（k-2）=BY（k-1）(7-14)将BY(k—1)代入式(7-13)，得(7-13)式(7-14)即为两级数字滤波公式。据此可设计出一个采用n级数字滤波的一般原理图。如图7-6所示。)()()()(kXBkABYkAZkZ211)()()(121kBYkAZkZ)()()()(kXBkZAkAZkZ22212微机控制技术7.1.6复合数字滤波图7-4n级数字滤波的一般形式