（计算机应用技术专业论文）aqms：空气质量监测系统的设计与开发.pdf

太原理工大学硕士学位论文 摘要 同其他发达国家相比我国的环境质量监测起步较晚，但 近几年环保力度逐渐加大。作为环境质量监测的重要组成部 分，空气质量监测也越来越受到人们的重视。 a q m s ( 空气质量监测系统) 是一个对空气质量进行连 续监测的自动化系统。在对a q m s 功能和特点分析的基础 上，本文提出了三级结构模型的a q m s 。第一级为调度级， 中心站服务器负责汇总和处理所有数据，控制所有站级工控 机和现地级仪器；第二级站级工控机，通过公共电信网与中 心站进行通信，响应中心站服务器，从各仪器采集数据、控 制本站仪器。现地级监测仪器处于三级系统的最底层，完成 对空气中各种污染物的数据采集。我们在通信双方各接入一 个调制解调器( m o d e m ) 并借助公共电信网络来实现计算 机之间的远程通信。文章着重说明了在a q m s 中子站系统 中数据采集和数据处理的过程和方法，克服了数据采集中响 应缓慢的问题，实现了在数据处理中的报警功能，强化了报 告输出的功能，改善了图表的实时显示功能。 关键词：空气质量监测，远程通信，数据采集，串行通信 第4 页 太原理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h em o n i t o r i n go ft h ee n v i r o n m e n ts t a r t e dr e c e n t l yb u t d e v e l o p sr a p i d l yi no u rc o u n t r y ，a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，a i rq u a l i t ym o n i t o r i n gh a sb e e np a i d m o r ea t t e n t i o n so nn o w , a q m s ( a i rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ) c a n m o n i t o ra i r q u a l i t ya u t o m a t i c a l l ya n dc o n t i n u o u s l y i ti n c l u d e st h r e el e v e l s i nf u n c t i o n i nf i r s tl e v e l t h ec e n t r a ls e r v e rc a nc o l l e c t sd a t a f r o ms u b s t a t i o na n dc o n t r o la l lt h er e l e v a n tc o m p u t e r sa n d i n s t r u m e n t s t h es u b s t a t i o nc o m p u t e r si st h es e c o n dl e v e l ，t h e y c a nc o m m u n i c a t ew i t hc e n t r a ls e r v e rt h r o u g hp s t n ( p u b l i c s w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) ，t h e ya l s oc o l l e c td a t af r o m i n s t r u m e n t so fi t so w na n dc o n t r o lt h e m ，t h el a s tl e v e li s c o m p o s e do fm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t st h a tc o l l e c td a t af r o m o u t e ra i r i ti st h eb a s eo ft h ew h o l es y s t e m w es e tam o d e m v i ar s - 2 3 2i n t e r f a c eo nt w oc o m p u t e r st or e a l i z et h e t e l e c o m m u n i c a t i o n t h i sa r t i c l ee m p h a s i z e so nt h ep r o c e s s e s a n dm e t h o d so fc o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gd a t a ，r e s o l v e st h e q u e s t i o n so fr e s p o n s ea n dd a t aa l a r m ，a n ds t r e n g t h e n st h e f u n c t i o n so fr e p o r t sa n dd i a g r a m s ， k e y s w o r d s ：a q m s ，t e l e c o m m u n i c a t i o n ，d a t ac o l l e c t i o n ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n 第5 页 太原理工大学硕士学位论文 第一章绪论 由于工农业发展和城市化的进程对环境的破坏，带来了一 系列的如水环境污染、大气环境污染等环境问题，严重影响着 人类的健康和安全。环境保护已经成为一个全球化的问题，如 何保护我们所处的生态环境，已在世界的各个国家提上日程。 由于我国人口众多、资源有限再加上环境保护工作起步较晚， 在1 9 9 7 年世界环境组织在调查报告中指出，目前中国大城市 的污染状况是全世界最严重的，中国环境污染的规模居世界首 位，全球空气污染最严重的2 0 个城市有l o 个在中国，我国的 空气质量监测与治理势在必行。 太原市环境监测中心是太原市空气质量监测的唯一单位， 负责太原市区内所有监测点的空气质量监测情况，提供空气质 量日报、周报和预报的所有数据，使太原市人民能对每一天生 活的空气得到详细的了解，并且每天向中央气象台发布太原市 空气污染情况，而且政府部门也可以依据空气质量情况，做出 一些防范措施。 太原市环境质量监测中心在1 9 9 2 年引进了美国公司的 m l 9 8 系列空气质量监测仪器和澳大利亚e c o t d c h 公司的 a q m s 一9 0 0 0 软件系统，结束了空气质量的半自动化监测历程， 进入了全自动化的监测阶段，节省了大量人力物力。但是由于 界面友好性和y 2 k 等问题，该系统越来越不适应太原市环境 质量监测的需要，因此，我们研制开发了一套中文a q m s ， 在太原市及山西省推广。 第6 页 太原理工大学硕士学位论文 第一节空气质量监测的发展状况及现状 1 1 1 国外空气质量监测的发展状况 世界各围都面临着环境污染问题，因此环境豁测特别是大 气监测由来已久，一些发达国家相继从7 0 、8 0 年代开始了空 气质量日报、周报和预报研究。经过一、二十年的努力，大气 污染监测网络日趋完善，欧美等一些国家已采用先进的大气及 污染物实时动态监测系统开展不同时空尺度的监测分析。而月 都有各自已依据的空气质量标准。空气质量标准的制定有力地 推动了空气质量监测的迅速发展： 世界卫生组织 世界卫生组织( w h o ) 首先于1 9 8 7 年公布了欧洲空气质量 指导值。目的是为欧洲和其他地区的国家在做决策和规划， 特别是在制订国家和地区的空气质量标准时，提供一个保护 公共健康的卫生基准。所包括的污染物项目为颗粒物( 总悬浮 颗粒物和t p 相当于p m l 0 ) 、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一 氧化碳、锚、苯并( a ) 芘及气态氟化物等污染物的浓度值。 美幽 美国于1 9 7 1 年4 月首次颁布了全国统的环境质量标准 ( n n a a q s ) 之后，又进行了多次修订和调整。目前的空气质量 标准中所包括的污染物项目为颗粒物( p m l 0 ) 、二氧化硫、二 氧化氮、臭氧、氧化碳、及铅等污染物的浓度值。 欧洲共同体 欧共体从1 9 8 0 年起逐步颁布了一些污染物浓度的“限制 值”和“建议值”指标。“限制值”为保护人体健康而不得超 过的浓度值；“建议值”是作为长期的人体健康和环境保护指 第7 且 太原理 一大学硕士学位论文 标，以及为各成员国所决定的某些特殊区域而规定的指标。污 染物项目为颗粒物( p m l01 、二氧化硫、_ 氧化氮及铅。 后来前苏联( 1 9 7 1 ) 、加拿大( 19 8 0 ) 、澳大利亚( 1 9 8 5 ) 、挪 威( 1 9 7 7 ) 、芬兰( 1 9 8 4 ) 都分别颁布了本国的空气质量标准。前 苏联的空气质量标准包括了1 1 4 种污染物质的浓度标准。每个 国家的规定的物质有多有少，标准有高有低。但都有个共同 的目标：保护水、地、空气；保护人们的健康；保护整个地球。 1 2 2 我国空气质量监测发展状况 我国在这方面的研究工作虽然起步较晚，但发展较为迅 速，目前已不同程度地在全国大部分地区开展起来。以前我国 的空气质量都是靠人工手动监测的，导致了监测的间断性和不 准确性。近几年，随着计算机技术和网络技术的发展，对空i 质量实旌实时监控和自动化管理已成为可能。现在，我们所指 的a q m s ( a q m s ) 就是对城市或区域范围内的空气质量进行 连续监测和自动化管理的计算机网络系统。 从1 9 8 9 年我国颁布了环保法后国家及部分地区的环保部 门每年都将上年度的环境状况予以公告。到目前为止，我国的 大部分大、中、小城市都建立了a q m s ，全国先后有6 0 多个 城市开始发布空气质量周报。在周报工作的基础上，已有数个 城市正利用自动监测数据进行空气质量的闩报和预报工作( 空 气质量预报就是根据污染物的排放情况，以及地理地貌条件 和束来的气象条件等预报出关心区域内空气污染程度，以便使 有关部门及时做出防范和控制措施) 。 太原市环境监测站对全太原市空气质量进行连续不f h 断 的监测，以满足太原市空气质量监测的日报、刷报、月报以及 预报的需要。太原市于2 0 0 1 年丌始了空气质量预报j 二作。 第8m 太原理工大学硕士学位论文 我国的空气质量标准使用统一的国家标准： 我国环境空。e 质量标准( g b3 0 9 5 19 9 6 ) 【1 1 规定了二 氧化硫、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物( p m l0 ) 、氮氧化 物、二氧化氮、臭氧、一氧化碳、铅、苯并( a ) 芘及氟化 物等10 项污染物在3 个标准级别中分别对应于不同取值 时蚓f 勺浓度限值。 g b3 0 9 5 19 9 6 中规定了二氧化硫、氮氧化物、二氧 化氮的年平均、日平均和1 小时平均3 种取值时间的浓度 限值；规定了一氧化碳的日平均和1 小时平均两种取值时 f 叫的浓度限值：规定了总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物 ( p m l 0 ) 的年平均、口平均2 种取值时间的浓度限值；规 定了臭氧的1 小时平均取值时间的浓度限值；规定了铅年 平均、季平均2 种取值时间的浓度限值，该标准不分级； 规定了苯并( a ) 芘的曰平均取值时间的浓度限；规定了氟 化物1 小时平均、日平均、月平均和植物生长季平均4 种取值时间的浓度限值。各种标准都高于或接近于国外其 他标准。从此，我国有了自己的空气质量标准，我国的空 气质量腩测工程也走上了一个新的台阶。 1 1 3 空气质量指数 由于空气中各种污染物浓度情况各异，其单位、表示形式 各不相同，给人们对空气污染程度的了解带来不便，因此，空 气质量报告使用了一种直观简便的方法来表示空气质量状况。 空气质量指数( 简称a p i ) 是日前世界上许多国家评估环境 空气质量状况的一种方式。它是将一系列复杂的空气质量监测 数据，按一定的方法处理后，变成人们易于理解和掌握的形式。 a p i 标准分为五级： 鹅9 砸 太原理1 大学硕十学位论文 ( 1 ) a p i 值在0 5 0 范围时，空气质量级别是一级， 空气质量为优。 ( 2 ) a p i 值在5 0 10 0 范围时，空气质量级别是二级， 空气质量为良。 ( 3 ) a p i 值在10 0 2 0 0 范围时，空气质量级别是二 级，属于轻度污染。 ( 4 ) a p i 值在2 0 0 3 0 0 范围时，空气质量级别是口q 级，属于中度污染。 ( 5 ) a p i 值在3 0 0 以上范围时，空气质量级别是h 级， 属于重度污染。 1 1 4 本课题的目的和意义 国家空气质量标准和空气质量指数规定了各种污染 物的测量程度和标准，但是对使用仪器和软件系统却没有 统一的标准。各个城市依据具体条件不同，所选用的监测 仪器和控制系统也不尽相同，绝大多数是从国外进口的。 也有个别城市使用自己开发的控制系统，其功能和技术水 平也已比较落后( 如只能用于输出模拟量的旧型仪器等) ， 已不适应目前监测仪器向智能化、数字化发展的需要。太 原市环境监测中心站也于19 9 4 年引进了美国m o n i t o r 公司的监测仪器和澳大利亚e c o t d c h 公司的空气质量 自动监测系统( 工控机及系统软件) a q m s 9 0 0 0 ，这个系 统的智能化和检测精确性都较高，但系统存在下列缺点： ( 1 )引进系统价格昂贵。 ( 2 )软件是由外国人开发，我们不能掌握核心技术， 难以进行：次开发。 ( 3 )升级换代成本高。 扯1 0 i 玎 太原理t 大学硕十学位论文 ( 4 )操作界面多为外文，且为c i 儿界面，划一般的 操作员来说操作相对困难。 ( 5 )由于监测指标与困外不同，系统许多功能在国 内不适用，造成资源闲置或浪费。 ( 6 )系统适用于d o s 环境，人机界面不好，导致操 作困难。 ( 7 )原系统中，中心站服务器对所有进行数据的接 收、分析、处理、报表生成及数据的转发，存在数据处理 速度慢效率低的问题：也没有对数据进行保护措施，对系 统本身及各种数据的安全造成很大威胁。 针对上述一系列问题，我们开发了国产化的更为合理 的、主要适用t - m l 9 8 系列仪器的中文a q m s 系统。 随着我国环保力度的不断加大，经济、技术水平的不断提 高，越来越多的城市都将采用a q m s 。如果开发成功将有可 能在全国推广，在国内有很大的市场。除了节省费用和脱离对 国外技术的依赖外，也可以促进国内相关环保产业的发展。 第二节系统实现技术概述 随着计算机技术的飞速发展和计算机应用在各个行业的 普及，应用计算机技术，已成为控制系统、智能仪表、数据采 集等各个领域的发展主流。微机运算处理速度快，数据存贮迅 速可靠，输出灵活，接口方便。利用这些优势，设计数据采集 处理系统，对仪器信号进行转换、采集通信、计算处理、显示 输出，能实时地反映被测目标的特性，是现场监控、实地测量、 信息预报的重要手段。 考虑到宁气质量监测的地理特性、硬件资源和软件资源的 螭1 1 页 太原理_ 大学硕士学位论文 开销，我们借用现有的公共电信网，在通信双方各接入。个调 制解调器( m o d e m ) 来实现计算机之问的远程通信。子站从模 拟仪器和数字仪器进行数据采集，在使用模拟仪器时，通过数 模、模数转换板和计算机的串行接l 1 实现数据和命令的传 输。整个系统是一个空气质量数据采集和计算机远程实时监控 及管理系统。 原版本是建立在d o s 平台上，界面不友好不易使用，而 由丁w i n d o w s 平台的应用j 。泛及界面友好性及应用的简便 性，我们在系统中选用了w i n d o w s 操作平台。编程语占主 要使用功能较强、简便易用的v i s u a lb a s i c 语言。后台则使用 数据安全性很强的s q l s e r v e r 数据库系统。 第三节三级结构模型的提出 3 1 1 结构模型 依据对a q m s 系统的分析，我们设训出了基于a q m s 的 三级结构模型，由调度级、站级和现地级三级组成。调度级 由中心站服务器( 包括后台数据库和对外发布系统等) 和 m o d e m 组成，站级由子站工控机和m o d e m 构成，现地级由子 站监测仪器构成。结构图如图1 l 所示。图中中心站服务器 和子站工控机之间通过m o d e m 借助公共电信网络同子站工控 机实现远程通信。其他子站工控机和其他子站监测仪器的连接 情况与图中子站的连接情况相同，一个系统可以有多个子站系 统，两个系统之间不能相互通信。每个子站可咀有多个采集仪 器，仪器可以分为多个组，每组仪器通过r s 2 3 2 口以串联方 式相连，两组仪器之间不能相互通信。 第1 2 页 太原理工大学硕士学位论文 3 1 2 功能概述 图l 一1j 级结构模型 - 第一级 l l 第二级 i i 第一级为调度级，中心站服务器是整个系统中的最高控制 中心，具有系统的最高权限。主要负责数据处理和系统控制。 它负责处理全站所有汇总的数据并且对外部发布数据，而且能 远程控制站内所有子站工控机和所有予站仪器。 第13 负 级 三 第 一、lill广fiijj， 太原理1 二人学硕士学位论文 第二级为站级工控机，它位于整个系统的第二级，通过公 共电信网与第一级进行通信，传输系统采用主从式通信方式， 中心站服务器是上位机，监测孑站工业控制机是卜- 位机，卜位 机可有多个。每个下位机除了服务上位机响应上位机命令和传 输数据外，并且负责数据的数据预处理工作及控制本站j | 矗测仪 器，不能与其他子站工控机进行通信。每个子站独立为+ 个整 体。 第三级是现地级监测仪器，属于系统中的最底层，丰要负 责按照系统要求和配置进行数据采集的工作，并响应子站工控 机传送数据。仪器的校准，最主要的和最可靠的方式还是在仪 器本身进行校准。仪器包括数字量仪器和模拟量仪器，数字量 仪器可以直接使用命令；模拟量仪器则要通过数模，模数 转换数据才得以使用。某几个仪器可以以串联方式相连接组成 一组，节省计算机r s 一2 3 2 串口，每组监测仪器之间不能相互 通信。 同时a q m s 也是一个三级的空气质量数据采集系统。中 心站从子站工控机远程采集数据，子站工控机从监测仪器本地 采集数据，监测仪器采集本地大气的数据。 第1 4 负 太原理工人学硕士学位论文 第二章a q m s 实现技术 因为窄气质量监测的行业特性，监测点分布十分分散，相 互距离很远，有的相距数公里甚至数十公罩，给空气质量的管 理带来了一定的难度。但是计算机网络技术的飞速发展给这一 问题的解决提供了新的技术支持：网络通信。在使用计算机网 络实现时，可以直接采用计算机局域网络或借用公共电信网。 考虑到计算机局域网络需要较多的硬件资源和软件资源的开 销，费用较高而不易推广。所以选择使用已有的较为廉价的公 共电信网，即通信双方通过串行通信端口各接入一个专用设备 一调制解调器( m o d e m ) 来实现计算机之间的远程通信。这 样既可以满足通信距离和速度的要求，又可以很好的利用现有 资源。所以我们设计开发了一套具有远程数据通信的信息管理 系统，主要借助串行通信、数据采集、数模、模数转换和现 有的公共电信网，实现远程空气质量的计算机实时监控和管 坪。 第一节串行及远程通信技术 在计算机的网络传输中，计算机与其它设备之间有时候必 须进行大量的、快速的或远程数据通信，其形式分为串行通信 和并行通信两种。微机的并行口与串行口的工作原理有所不 同，并行口传送数据至少需要八条传输线，而串行h 的传送只 占用一条传输线；并行口一般用于近距离的扣印机输出，而远 距离传输时由于并行传输的开销较大，使用串行进行通信较为 合适；但是并行传输速度高，串行通信传输速率较低。因为我 们在系统中进行的远距离传输，而且传输的数据量不是特别庞 第t5 太原理工大学硕士学位论文 人，所以，我们选择了串行传输。使用串行传输时我们根据监 测站的现有条件使用了r s 一2 3 2 c 标准，远程传输通过m o d e m 实现。 2 1 1 串行通信 在使用串行通信技术时，我们必须遵循一些标准和协议， 在串行通信方面有很多规程，包括e i a r s 2 3 2c 总线标准、 e i a r s 一4 2 2a 总线标准、e i a r s 一4 2 3a 总线标准、e i a r s 4 4 9 总线标准、e i a r s 一4 8 5 总线标准和a r i n c 4 2 9 总线标准。各 个标准适用场合各部相同，其中e i a r s 2 3 2c 总线标准是目 前计算机通信用得最多的一种串行通信接口标准。它分同步、 异步通信，有握手和无握手等方式。在应用过程中可根据不同 用途对其相应信号进行适当处理。 一、r s 2 3 2 c 标准 e i a r s 一2 3 2c 总线标准e i a r s 2 3 2c 是电子工业协会 ( e i a e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 推荐的标准( r s r e c o m m e n d e ds t a n d a r d s ) ，最后一位“c ”表示该标准的版本号， 它定义了数据终端设备( d t e ) 和数据电路终接设备( d c e ) 之 间按位串行传输的接口信息，合理安排了接口的电器信号和机 械要求，而且它与x 25 和v t24 规程在物理层和链路层是兼 容的，因而得到了广泛应用。主要特性如下： ( 1 ) 二进制的“1 ”以3 v 9 v 表示：二进制的0 以 + 3 v + 9 v 表示。 ( 2 ) 电压在+ 3 v 矛n 一3 v 之间时称为电压跃变区，状态变化 时通过跃变区的时间应1 m s 。 ( 3 ) 电源电压常用1 2 v ( 也可用15 v ) 。 ( 4 ) 外接负载阻抗：3 kq = 4 8 设定每接收4 8 字节处理一次，则判断输入缓冲区中是 否接收到4 8 字节的数据 t e m p2m s c o m m1 i n p u t i r e c e i v e b y t e2t e m p 将接收到的数据放到接收字节数组中去 另外，在串口初始化的时候稍有不同： m s c o m m1 i n p u t l e n = 0 一次处理输入缓冲区中的所有数据 m s c o m m l ，r t h r e s h o l d = 0 接收到数据不产生中断 2 2 3 两种通信比较 调用w i n d o w s 现成的a p i 函数。它可以开发出各种通用 软件，且可移植性强，但需要首先用d c c l a r e 语句在表单或模 块声明区声明v b 所要用的d l l ，编程复杂，且易出错。 使用v b 特有的通信控件v ba c t i v ex 。该通信控件通 过改变对象属性，向对象发送消息及为对象事件编写响应代 码可以方便地完成用户应用程序之间地串行通信，即可以实 箱3 i 顶 太原理工大学硕士学位论文 现a p i 的所有功能，又叮以使程序简单明了。 第三节数据采集技术 a q m s 也是一个三级的数据采集系统，每两级之问下一 级都是上级的被采集对象。数据采集系统一般分为三种类 型：单机式、主一从式和分布式。a q m s 中的数据采集包括 单机式和主从式两种。调度级服务器和站级工控机、站级1 控 机和现地级仪器之间的数据采集属于主从式及分布式数据采 集，子站仪器则单机进行数据采集。在数据采集系统种经常要 用到数模和模数转换技术，在a q m s 中也设计到了这种技术， 以下就简单的介绍以下数模和模数转换技术 2 3 1 数模和模数转换简介 在一般用计算机实现的采集系统中，被控制的对象( 如温 度、压力、流量、速度等) 都是连续变化的物理量。这些量统 称为模拟量。显然，这些模拟量是不能用计算机直接处理的。 首先应该将这些量变换成电信号，然后经过输入通道把表示这 些模拟量的电压或电流转换成数字计算机能够接受的数字信 号。当计算机要控制某一部件动作时，往往又要把数字信号转 换为模拟信号。实现这种模拟量转换为数字量和数字量转换为 模拟量的器件，就是模数( a i d ) 和数模( d a ) 转换器。 a d 转换器是把输入的模拟量变换为与之成正比例的数 字量：d a 转换器是把输入的数字量变换为与之成正比例的模 拟量。衡量a d 和d a 转换性能的基本标准有三个：转换精 度( 通常用位数表示) ，转换速度和转换的可靠性。 第3 2 页 太原理工大学硕士学位论文 2 3 2 数模( d a ) 转换 数模( d a ) 转换器的基本原理 数模转换器，可以认为是一种译码电路，它把输入的数 字量d 和模拟参考电压v r 经过一个译码电路，控制选择内部 电阻网络的开关，输出与数字量d 成正比例模拟电压v a 。它 们的关系是： v a = d v r d 采用定点二进制小数编码时，表示为： d = a 1 2 1 + a 2 2 2 + + a n 2 ；式中n 为正整数， 所以 v a = v r ( a 1 2 1 + a 2 2 2 + + a n 2 “) 图2 - 4 数模转换器原理图 图2 4 是一种二进制单极性电压相加的数模转换器原 理图。电路中的电阻值与二进制数码每位的权有关，称为权电 阻网络。 二进制数码从高至底( a 。an - l a 】) 控制转换器的模拟开 第3 3 页 太原理： 大学硕士学位论文 关。a i = l 时，模拟开关与基准电压v r 相连；a i = 0 时，开关接 右边的地。在转换器的输出端有运算放大器把各个支路产生的 电流线性叠加转换位于输入二进制数成比例的电压输出，实现 数字量到模拟量的转换。 2 3 3 模数( a d ) 转换 模数( a d ) 转换器基本原理： 大多数动态测试信号可转换为电压信号，但模拟电压信号 要提供给数字计算机作数字处理，就必须借助a d 转换这座 桥梁。另外作为显示的最新发展数码显示，用来显示电压值也 必须通过a d 转换才能实现。所以a d 转换是数字化测量技 术的技术基础，它直接影响到测量的准确度、分辨力、转换速 度等重要技术指标。 a d 转换主要有直接比较型和间接比较型两种。直接比较 型a d 转换器是将需转换模拟电压直接与作为标准的参考电 压相比较，得到数字编码的数字量。间接比较性a d 转换器在 转换过程中不时将输入模拟电压直接与标准的参与电压相比 较，而是将二者都变换为中间物理量在进行比较，然后将比较 后得到表征比较结果的参数进行数字编码。 2 3 4 米样 数据采集是把模拟量( 通常模拟电压) 信号转换为n 位 二进制数字量信号。这种转换通常分四步进行： 第3 4 负 太原理工大学硕士学位论文 图2 5 采样流程图 前两步在采样保持电路中完成，后两步在a d 转换中同时 实现 一、 采样 所谓采样，是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时 间上断续变化的( 离散的) 模拟量。或者说，采样是把一个时间 上连续变化的模拟量转换为一个串脉冲，脉冲的幅度取决于输 入模拟量，时间上通常采用等时间间隔的采样。采样过程的示 意图如图2 - 6 所示： 采样器 图2 6 采样过程示意图 采样器相当于一个受控的理想开关，s ( t ) = 1 时，开关闭和， f s ( t ) = f ( t ) ；s ( t ) = o 时开关断开，( t ) = 0 。如用数字逻辑表示，既 为：( t ) = f i t ) s ( t ) ，s ( t ) = 1 或0 。 二、保持 所谓保持，就是将采样得到的模拟量值保持下来，即是说， s ( t ) = 0 期间，是输出不是等于0 ，而是等于采样控制脉冲存在 的最后瞬间的采样值，实际中进行a d 转换时所用的输入电 第3 5 面 太原理工大学硕士学位论文 压，就是这种保持下来的采样电压，也就是每次采样结束时的 输入电压。 三、量化和编码 所谓量化，就是用基本的量化电平的个数来表示采样保 持电路得到的模拟电压值。这一过程实质上是把时间离散而数 字上连续的模拟量以一定的准确度变为时间上、数字上都离散 的、量极化的等效数字值。量极化的方法通常有两种：只舍不 入法和有舍有入法( 四舍五入) 。 5 q ? 4 q 十4 。 3 q _ l 3 q 。j - 。 。j - 1 。 o v 上j o 量化蝙码量化 一0 l l 0 【0 0 0 1 0 0 0 编码 图2 7 量化与编码 显然，对于连续变化的模拟量，只有当数值正好等于量化 电平的整数倍时，量化后才是准确值。这种由于量化而产生 的误差，称之为量化误差，它直接影响了转化器的转换精度。 量化误差是原理性误差，只能减小，而无法消除。 编码就是把已经量化的模拟数值( 它一定是量化电平的整 数倍) 用二进制数码、b c d 码或其它码来表示。 至此，即完成了a d 转换的全过程，将各采样点的模拟 电压转换成了与之一一对应的二进制数码。 第3 6 页 m ! 三 呲 眦 一 一 一 l p 卜r p 蛔 阳 姻 。 吖 太原理工大学硕士学位论文 第四节小结 本章介绍了串行及远程通信技术及数据采集技术，详细介 绍了串行通信规程及通信过程，m o d e m 技术及工作方式，并 且对串行通信及m o d e m 技术在v b 中的实现做了详细解释， 并举例说明。在数据采集技术中除了介绍了a d 、d a 转换 外，还对采样过程做了简单介绍。 第3 7