数据采集与处理技术_7

数据采集与处理技术1教学内容第7单元数据采集系统设计数据采集与处理技术27.2系统设计的一般步骤7.3系统A／D通道的确定第7单元数据采集系统设计7.1系统设计的基本原则本单元教学内容数据采集与处理技术3第7单元数据采集系统设计7.1系统设计的基本原则数据采集与处理技术47.1系统设计的基本原则数据采集系统组成硬件软件系统设计的基本原则硬件设计的基本原则软件设计的基本原则数据采集与处理技术5经济合理1.硬件设计的基本原则15.1系统设计的基本原则硬件设计中首先考虑的一个主要因素。系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格。充分发挥硬件系统的技术性能是硬件设计中的重要原则之一。数据采集与处理技术67.1系统设计的基本原则安全可靠选购设备时要考虑工作环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。要保证连接件的接触可靠。数据采集与处理技术715.1系统设计的基本原则确保系统安全可靠地工作是硬件设计中应遵循的一个根本原则。有足够的抗干扰能力有完善的抗干扰措施保证系统精度、工作正常的必要条件数据采集与处理技术87.1系统设计的基本原则强电与弱电之间的隔离措施对电磁干扰的屏蔽正确接地、高输入阻抗下的防止漏电数据采集与处理技术92.软件设计的基本原则7.1系统设计的基本原则结构合理目的：不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。方法：程序采用结构模块化设计。数据采集与处理技术107.1系统设计的基本原则操作性能好操作性能好—指使用方便在开发程序时应注意：方法：考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。采用图标或菜单实现人机对话，以提高工作效率和程序的易操作性。数据采集与处理技术117.1系统设计的基本原则具有一定的保护措施保护措施设计检测程序状态检测诊断程序对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据数据采集与处理技术127.1系统设计的基本原则提高程序的执行速度具体方法⑴汇编语言程序时，指令尽可能采用零页寻址方式，少用或不用间接寻址指令。⑵单通道数据采集时，不要将通道选择指令包括在循环体内。⑶尽量采用多语言混合编程，以发挥各种语言的特点，提高程序的运行速度。给出必要的程序说明数据采集与处理技术13第7单元数据采集系统设计7.2系统设计的一般步骤数据采集与处理技术147.2系统设计的一般步骤1.分析问题和确定任务在进行系统设计之前，先对要解决的问题进行调查研究、分析论证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初步定出系统设计的技术路线数据采集与处理技术157.2系统设计的一般步骤2.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。必须按照采样定理来确定采样周期。数据采集与处理技术167.2系统设计的一般步骤3.系统总体设计一般应做以下几项工作进行硬件和软件的功能分配系统A／D通道方案的确定确定微型计算机的配置方案操作面板的设计系统抗干扰设计数据采集与处理技术177.2系统设计的一般步骤4.硬件和软件的设计硬件设计采用单片机的硬件设计过程明确硬件设计任务尽可能详细地绘制出逻辑图、电路图制作电路和调试电路数据采集与处理技术187.2系统设计的一般步骤软件设计软件设计的一般过程：明确软件设计任务按功能划分程序模块并绘出流程图程序设计语言的选择调试程序数据采集与处理技术197.2系统设计的一般步骤5.系统联调步骤⑴在实验室里，对已知的标准量进行采集和比较，验证系统设计是否正确和合理⑵现场进行实际数据采集试验。在现场试验中测试各项性能指标⑶修改和完善程序数据采集与处理技术20第7单元数据采集系统设计7.3系统A／D通道的确定数据采集与处理技术217.3系统A／D通道的确定1.系统A／D通道芯片的选择模拟多路开关的选择主要参数是精度和速度精度以传输误差的大小来间接表示速度以信号通过多路开关的通过率来间接表示数据采集与处理技术227.3系统A／D通道的确定传输误差导通电阻加上信号源阻抗与负载阻抗构成的分压漏电流在信号源阻抗上产生偏移电压通过率—从一个通道切换并使下一个通道建立到规定精度所能达到的最高切换率数据采集与处理技术237.3系统A／D通道的确定通过率大小取决于多路开关建立时间，并与规定的建立精度有关多路开关被设计为先断后通，这增加了断开到接通的延时在确定多路开关的通过率时，要根据系统的采样速率来考虑。数据采集与处理技术247.3系统A／D通道的确定采样／保持器的选择选择依据速度精度作为最主要的因素数据采集与处理技术25还要考虑以下问题：7.3系统A／D通道的确定输入信号的量程采样／保持器进入保持状态时，允许的孔径不定（抖动）是多大？保持时间多长和允许多大电压降对电源的波动提出什么要求？采样／保持器的输入偏置电流流过多路开关的导通电阻和信号源内阻会造成多大的偏移电压。数据采集与处理技术267.3系统A／D通道的确定表15-1采样／保持器的误差估算误差源性能误差采集误差额定采集时间相应的误差0.01%增益误差增益误差为15×106×250.0375%偏移温漂误差最大偏移温漂误差为30×25=750V0.0075%非线性误差一般额定值0.01%降落误差降落率dV/dt约为0.2～100V/s0.01%介质吸收一般估计0.003%（孔径抖动未计算在内）总误差（最坏情况）0.078%总静态误差（均方根值）0.0421%数据采集与处理技术277.3系统A／D通道的确定A／D转换器的选择根据系统的采集对象选择其类型【例15.1】地震勘探车周围布置有32个振动传感器，爆炸物被引爆后1s，一切归于平静。要求在这一秒钟内每100s对所有传感器采集一次数据。应选择何种类型的A／D转换器？数据采集与处理技术287.3系统A／D通道的确定解：在这种情况下，速度是最突出的问题，每个模拟通道的转换时间约3s，精度和价格均居次要地位。因此，选择高速8位逐次逼近型A／D转换器比较合适。数据采集与处理技术297.3系统A／D通道的确定【例15.2】对半导体扩散炉的温度进行控制。要求测量精度达到0.1℃，对应于热电偶输出变动值约几个微伏。扩散炉由市电降压经可控硅整流器加热炉丝。欲达到以上各项要求，应选择何种类型的A／D转换器？解：信号传输中有电磁干扰，因此环境是恶劣的。由于炉体温度变化不可能很快，故采样速率只要每秒几次就足够了。价格也是要考虑的因素。对于这种情况，选择积分型A／D转换器比较合适，数据采集与处理技术307.3系统A／D通道的确定如果在某一温度调整转换器的偏移和增益误差为零，则温度改变时，偏移和增益误差就不再是零了。因此要对各项误差做出估算。12位逐次逼近型A／D转换器，各项误差估算如下数据采集与处理技术317.3系统A／D通道的确定设已知估算条件是：在室温25℃时，偏移和增益误差已调整为零；器件的工作温度范围为0℃～+50℃；电源电压由于时间和温度的影响而改变，可能为±1%；电源电压敏感度为0.002%。数据采集与处理技术327.3系统A／D通道的确定表15-2A／D转换器的各项误差误差源性能误差量化误差(±1/2)LSB0.012%微分线性度误差(±1/2)LSB0.012%微分线性度温漂误差[(2～5)×106/℃]×25℃0.005%～0.0125%偏移温漂误差5×106/℃×25℃0.0125%增益温漂误差[(10～20)×106/℃]×25℃0.025%～0.05%电源电压变化1×0.002%0.002%长周期变化0.02%总误差（最坏情况）0.096%～0.1135%总静态误差（均方根值）0.0404%～0.0581%由表15-2可以看出，所有误差都恰好在同一级的可能性极小，而静态误差则又可能过于乐观，因为毕竟误差源的数目较少。数据采集与处理技术337.3系统A／D通道的确定A／D转换器的误差介于0.04～0.1135%之间。注意:12位A／D转换器的1LSB是满量程值的0.024%，当温度改变了25℃时，相对精度可能被降低1～2位。数据采集与处理技术347.3系统A／D通道的确定2.系统A／D通道方案的确定不带采样／保持器的A／D通道控制逻辑计算机A/D模拟多路开关...多路模拟输入信号程控放大图15-1不带采样／保持器的A／D通道数据采集与处理技术357.3系统A／D通道的确定模拟输入信号的最大变化率与A／D转换器的转换速率有如下关系：CONVmax2ddtFSRtUn(15-1)式中:tCONV—A／D转换器的转换时间；FSR—A／D转换器的满量程电压；n—A／D转换器的位数。数据采集与处理技术367.3系统A／D通道的确定例如，FSR=10V，n=11，tCONV=0.1s，则模拟输入信号电压最大变化率为（V/s）。120当实际U1的变化率ddddUtUt1max时，可以不用采样／保持器。数据采集与处理技术377.3系统A／D通道的确定带采样／保持器的A／D转换通道当模拟输入信号变化率较大时，A／D通道需要使用采样／保持器。模拟输入信号的最大变化率取决于采样／保持器的孔径时间tAP，其模拟输入信号的最大变化率为ddAPUtFSRtnmax2(15-2)数据采集与处理技术387.3系统A／D通道的确定如果将保持命令提前发出，提前的时间与孔径时间相等时，则模拟输入信号的最大变化率取决于孔径不定△tAPddAPUtFSRtnmax2【例15.3】采样频率fS=100kHz，FSR=10V，△tAP=3ns，n=11，确定采样频率是否太高？数据采集与处理技术397.3系统A／D通道的确定解：ddmVnsUtmax()().53167(V/s)FSRfS1=1(V/s)∵∴fS不高数据采集与处理技术407.3系统A／D通道的确定当fS=200kHz时，若其它值不变，则ddmVnsUtmax()().53167(V/s)FSRf1S=2(V/s)fS太高了！A／D转换不能正常进行。并不是只要有采样／保持器，采样频率就不受限制，而是仍然存在最高采样频率的限制。数据采集与处理技术417.3系统A／D通道的确定带采样／保持器的A／D通道的形式有以下几种。多通道共享采样／保持和A／D转换器模拟多路开关计算机A/D控制逻辑采样保持......模拟输入信号程控放大A图15-2多路通道共享采样／保持和A／D转换器数据采集与处理技术427.3系统A／D通道的确定每路信号的吞吐时间tTHOUTCONVSTACTHttttt(15-3)如果系统对N路信号进行等速率采样，且模拟开关切换时间tMUXtST+tCONV，tMUX可忽略不计。数据采集与处理技术437.3系统A／D通道的确定则任一通道相邻两次采样时间间隔至少为NtTH，故每个通道的吞吐率为：OUTCONVSTACTH1ttttNf≤(15-4)数据采集与处理技术447.3系统A／D通道的确定由采样定理可知，信号最高频率应满足THmax21ff≤(15-5)【例15.4】设数据采集系统为8路巡回采集，A／D转换器的位数为8位，信号幅值Um=FSR，tAC=3s，tST=2s，△tAP=3ns，tCONV=40s数据采集与处理技术457.3系统A／D通道的确定fFSRtUnmax≤2210361APm(kHz)由于ffmaxmax，信号的上限频率取决于每路信号的吞吐时间，使得数据采集系统的速度得到充分的发挥。解:由式（15-5）可得fmax≤12fTH=1.39kHz，而根据孔径误差确定的信号上限频率为数据采集与处理技术467.3系统A／D通道的确定......模拟输入信号模拟多路开关控制逻辑计算机A/D程控放大采／保采／保采／保采／保A多通道共享A／D转换器图15-3多通道共享A／D转换器数据采集与处理技术477.3系统A／D通道的确定多通道并行A／