（计算机应用技术专业论文）工控设备中数据处理技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的发展，越来越多的设备不再由手工直接操作而 采用计算机控制。随着网络时代的到来，设备信息能够共享即能对设 备实现远程访问是发展趋势。 工控机要实现对外部对象的控制或监测就必须把外部对象的物 理量转换成计算机能够表示的离散量，数据采集是每台1 = 控设备设计 时都要解决的问题，它直接关系到系统的准确度和性能，论文详细地 讲述了采样定理以及在w i n d o w s 中选择定时器对采样精确度的影响。 工控设备所处的环境恶劣，干扰严重，为了提高这种实时系统的准确 度而又不对模拟电路部分进行更改，通常采用软件方法实现数字滤波 来解决这一问题。因为工控系统是。种实时系统，要求通过软件方法 实现的数字滤波器在运行时能够尽可能的快，以减少对其它工作的影 响。在数据采集时，由于各通道之问存在着一定的差异，当输入端为 相同值时，输出结果会有一些不同，如果通过改进硬件来把这种差异 减到很小会花费较大的代价，论文提出了用多分辨率系数矩阵校正法 来解决多通道非线性失真问题。 工控设备作为一种实时系统，它的数据存储管理与普通的数据存 储和管理有些不同，本文在研究实时数据库原理的基础上设计了一个 负责数据存储和管理的数据管理服务器，它充当了使用实时数据库系 统中实时数据库的角色。为了提高实时性能，将事务功能从中分离出 来直接由设备控制端程序实现，这样不仅节约了购买商用实时数据库 软件的成本而且提高了实时性能。数据管理服务器的功能主要有实时 数据的更新、存储，向远程客户瑞传送实时数据，当设备控制端程序 或远程客户端程序访问历史数据时，数据管理服务器类似如个点播 系统提供历史测试记录分段传输的服务，用户可以随时更改要查看的 时间，传输层和数据链路层采用应用最为广泛的t c p i p 协议实现， 应用层使用的是自定义协议，应用程序收到数据包后负责对数据包的 内容进行解释执行并给用户显示测试结果。 本系统的设计方案符合现代企业信息化、网络化的发展趋势，具 有较好的市场前景。 关键字实时系统数据采集数据存储远程访问 坐! 坚堕墅! ! ! ! ! ! 鉴! 坠! ! ： a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e mo fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，m o r ea n dm o r e e q u i p m e m sd i r e c t l yc o n t r o l l e db yc o m p u t e r sa 1 1 d n ol o n g e rm a n i p u l a t e d b y h a n d s w i t hn e t w o r k a g ec o m i n g ， t l l e s h a r i n g o f e q u i p m e n t s i n f o r m a “o na l r e a d vf h l 最1 1 e d w h i c hm e a n st h a tr e m o t ea c c e s sl san e w d i r e c t i o nf o r t h ec o m p u t e rt e c l l l l o l o 西e s t 0f u l f i l l c o m r o l l i n go rm o n i t o r i n ge x t e m a lo b j e c t s ，t h e i n d u s t r i a l c o m p u t e r sm u s tt r a n s f e rp h y s i c a lv a r i a n to fe x t e m a lo b j e c t st o d i s c r e t e v a l u ew h i c hc a nb ec o n 仃o l l e db yc o m p u t e r s a ui n d u s 仃i a le q u i p m e n t s d e s i g nm u s ts o l v et h ep r o b l e mo fd a t ac o u e c t i o nm a td i r e c t l y a f f 宅c t s s y s t e m i ca c c u r a c ya i l dc 叩a b i l i 够s a m p l i n gt h e o r e ma n dc h o o s i n gt i m e r w h i c ha 丑e c ts a m p l i n ga c c u r a c vi nw i n d o w sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i li n m i s p a p e r t h e i n d u s t r i a l c o m p u t e r s e x i s ti na t r o c i o u s e n v i r o n m e n t ， s e r i o u sd i s t u r b ，i no r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c vo fm i sr e a l t i m es y s t e ma i l d n e e d i l ta l t e ra n a l o gc i r c u “，w eu s es o r w a r et o f u l f i l ld jg i t a lf i l t e r b e c a u s et l l e s y s t e mo fi n d u s t r i a l c o n t r 0 1i sar e a l t i m e s y s t e m ，d 培i t a l f i l t e rf u m l l e db ys o f t 、em u s tb ea sf a s ta s p o s s i b l e w h e nt h e ya r e 1 1 l 皿i n gf o rd e c r e a s i n ge 船c t st oo t h e rw o r k s i nd a t as a l 】1 p l i n g ，o u t p u t m a y b eal i t t l ed i a e r e n te v e ni fi n p u ti ss a m e n e s sb e c a u s ec h a n n e l sa r e d i 雎r e n c e d e c r e a s i n gd i 艉r e n c et o m ef u l l e s te x t e n tb yh a r d w a r ew c o s tal o t t h i s p 印e rp u t f b n v a r dm u l t i r e s o l u t i o nc o e 龋c i e n t - m a t r i x r e v i s e dm e m o dt os o 】v en 0 1 1 l i n e a rd i s t o r t i o n a sar e a l - t i m es v s t e m d a t am e m o i va d m i n i s 仃a t i o n ) fi n d u s t r i a l c o n t r o le q u i p m e n t si sd i h e r e n t 行o mn o m l a le q u i p m e n ti ns o m em e a s u r e t h i sp 印e rp u tf o r w a r dad a t aa d m i n i s t r a t i o ns e r v e ri n c h 盯g e o fd a t a m e m o r ya n da d m i n i s 仃a t i o nb a s eo nr e a l 一t i m ed a t a b a s ep “t l c i p i u m t h e s e r v e ra c t sa sr e a l t i m ed a t a b a s ei nt h es y s t e mo f u s i n gr e a l - t i m ed a t a b a s e i no r d e r t oi m p r o v er e a l - t i m ec 印a b i l i t y t r a n s a c t i o ni ss e p a r a t e df r o mt h e s e r v e ra n dd i r c c t l yf u l f i l l e db ye q u i p m e n tc o n t r o lp o r t sp r o g r a m si tn o t o n l ys a v ec o s to fp u r c h a s i n g c o m m e r c i a lr e a l - t i m ed a t a b a s es o f t w a r eb u t a l s oi m p r o v er e a l t i m e c a p a b i 】i t y d a t aa d m i n i s t r a t i o ns e l 、e rf u n c t i o n s a r ea sl i s t e da s f o l l o w s ：u p d a t ea n dm e m o r yr e a l t i m ed a t a ；t r a n s p o n r e a l - t i m ed a t at or e m o t ec l i e n t w h e n e q i l i p m e n tc o n t m lp o 门p r o 铲a m o r m a s t e rd i s s e r t a t i o na b s t r a c t r e m o t ec l i e n t p o r tp r o g r 锄a c c e s sh i s t o r i c a ld a t a ，d a t a a d m i n i s t r a t i o n s e e ro 疏rs e n ，i c eo ft r a n s p o r t i n gh i s t o “c a lr e c o r di n f r a g m e n tl i k ea v i d e o ，u s e rc a na l t e rt i m ew h i c hm e yw a n tt oc h e c ku pa tl i b e n yt h e 仃a l l s m i s s i o n l a y e r a 1 1 dm ed a t al i n k l a y e ra d o p t 谢d e l y u s e dt c 【p p r o t o c o l ，a p p l i c a t i o nl a y e ra d o p tu s e rd e f i n e dp r o t o c o l ，t h ea p p l i c a t i o n p r o 伊a me x p l a i na n dc a r 叫o u td a t ap a c k a g et 1 1 e nd i s p l a yt h et e s tr e s u l tt o u s e ra r e r h a “n g r e c e i v e dd a t a p a c k a g e t h e p r o j e c t o ft l l i s d e s i g n m a t c h e st h e t e n d e n c y o fm o d e m c o 印o r a t i o ni n f b n n a t i o n ，n e t w o r k i n ga n dh a v eg o o dn l a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s r e a l t i m es y s t e m ，d a t ac o l l e c t i o n ，d a t am e m o r y ，r e m o t e a c c e s s i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 壶堂日期：_ 2 生年三月旦n 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位沦文，允许学位论文被盒阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，日j - 以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文：学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：亟塑 导师签名：豳：堕坠、日期：渔生年月兰日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着计算机技术的发展与普及，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域 中，计算机技术正发挥着越来越重要的作用。人类连续工作一段时间后就会疲倦， 再继续工作效率就会明显降低，但计算机能够连续地工作，并且在计算速度和精 确度方面更是具有人类无法比拟的能力，因此计算机在这些方面的卓越性能都能 弥补人类的不足。近些年来，控制技术和计算机技术结合的程度越来越高，人们 也越来越依赖计算机去完成各种各样的工作。可以说计算机已经渗透到了人类活 动的每一个领域，虽然它们完成的内容、形式各不相同，但它们都必然会通过某 种方式从外部获得信息，然后把这些信息经过一定处理后按照预定的模式执行规 定的命令，在计算机的运行过程中，计算机可能会将一些数据记录到存储介质上， 以便于在以后进行一些数据统计和研究。早期的工控系统是用一台计算机管理一 台设备，而且测试、监控的结果也只能在本地机上查看，若要在别的地方查看也 得把试验数据用软盘等存储载体把数据转移过去，使用起来极不方便，在这种情 况下可以说这些实验信息相互是独立的，即形成了一个个的“信息孤岛”。近些 年来网络技术正以惊人的速度发展并广泛地应用到各行各业中，正是因为网络的 普及为这些“信息孤岛”不再与世隔绝提供了物理基础，网络使得人们通它访问 网络中每处的信息成为了可能，它不仅减少了人们的工作量，节约了劳动成本， 而且使管理者们能够及时地了解到最新的生产动态从而做出正确的决策。这些功 能的实现都是以数据处理为基础和目标的，数据处理包括了数据的获取、数据的 计算分析、数据的存储、数据的访问等诸多内容，任何一个处理环节都不是孤立 的，它们有密切的联系。工控设备作为信息集合中的基本单位，对它的数据处理 进行研究有着重要的现实意义和经济意义。 1 2 工控系统的未来发展方向与研究热点 随着工业生产的不断发展，对工业控制系统的要求也在不断提高，主要表现 在以下几个方面” 2 ： l 、过去的控制主要面向工程，而现在的工厂自动化的概念要求包括事务处 理在内，使企业管理与过程控制相结合，利用过程信息，较快地做出有利于企业 的决策，为此，需要向大系统综合自动化的方向发展，具体体现为计算机集成制 造系统、异地监控、网络控制等系统的出现与发展，这些系统在实现企业资源共 享、加强合作、提高企业竞争力方面，发挥了重要的作用。 硕士学位论文第一章绪论 2 、随着科学技术的发展和工业控制的实际需要，对控制系统的开放性要求 越来越高，打破“孤岛”的自动化方式，建立控制系统软硬件之间标准的互连协 议，实现控制系统之间的集成与互操作势在必行，现场总线标准为不同厂商之闯 硬件产品的互操作奠定了基础，再加上随着微电子学、通信和计算机技术的发展， 过程控制功能的进步分散下移，现场总线控制系统将成为取代传统集散控制系 统的新一代控制系统。在上位机，随着p c 性能价格比的急剧上升，基于p c 构建 控制系统将是一个重要的发展方向。工控软件的标准化、系统化较硬件发展慢， 工控软件之间的互操作将成为下一步重点发展的方向。 3 、随着工来生产规模的扩大和复杂程度的提高，对控制功能提出了较高的 要求，为此，需要在控制系统中不断采用各种先进的控制算法，并能够提供方便 的接口供用户开发自定义控制算法。 4 、由于采用了3 2 位微处理器，系统处理能力加强，加工信息的质量提高， 速度加快，但同时也出现了诸如增强人机接口的友善程度、操作灵活方便、图形 三维显示等人机工学方面的要求和增强软件功能、丰富软件内涵等方面的系统要 求。 1 3 课题中的关键技术 本论文是以铁道部牵引电气设备试验中心机车变流装置试验台数据采集系 统作为研究课题，这套系统的软件部分由数据管理服务器、设备控制端程序和远 程访问客户端程序三个部分组成，已经正常运行了一年多，深受用户好评。在工 控设备中最重要的问题就是如何把被控制或被监测对象的信息及时准确地收集 到计算机内并对这些信息进行分析处理，同时根据这些信息去调整控制参数，以 达到安全测试或监控的目的。这些由计算机从外界获得的信息在计算机内部表现 为数据，因而工控设备中数据处理技术包括了数据采集、数据预处理、数据存储 和数据访问等几个过程，它们存在着密切地联系，对这些过程的处理方式直接关 系着整个系统地安全性、稳定性和可扩充性，因此对这些技术的研究具有重要的 意义。在本课题的关键技术有以下几个： 1 、计算机只能处理离散的量，而外部变量绝大部分都是连续的，例如温度、 时间、电压、电流、气压等变量都是连续的，计算机无法实现这些连续变量的处 理，必须对它们进行离散化，但离散后的量还能否正确代表连续量呢，信息量的 减少是否会对事物的认识造成影响呢，这些都是在设计系统采样时应该考虑的问 题。当数据采样频率提高时，系统能够获得更多的数据，这些数据被计算机得到 后需要进行一些处理，这必将花费计算机更多的时间，占用更多的内存，若要把 数据存储到硬盘上时将会占用更多的存储空间，在网络上传输数据时会占用更大 硕士学位论文第一章绪论 的带宽，会对网络系统提出更高的要求，严重时会导致整个系统的设计方案必须 进行更改。因此在进行工控系统设计时一定要对系统的要求有明确的认识，要对 系统进行可行性研究分析。经过科研人员的研究发现，离散后的数据量要能正确 代表连续量，那么连续量中包含的最高频率成分与抽样频率必须满足奈魁斯特 ( n y q u i s t ) 定理。在设计时最好是遵守这样一个设计采样频率的总原则：保证采 集精度为前提，以被测信号的具体特性为依据，尽量以较低的速率实现采样，从 而减少数据量，降低对传输、变换系统的要求，提高数据处理的效率。在本课题 中是以w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 为操作系统的，它是一个多任务操作系统，它对端 口的访问方式直接关系到采样的精度，而采样精度对于系统的影响是举足轻重 的，本论文对影响采样准确度的多个方面都进行详细的论述。 工控设备所处的环境一般都比较恶劣，因而不可避免地会出现干扰，对于这 些干扰如果不采取相应的措施，可能会导致获得的结果是完全错误的。减少干扰 的办法有多种多样，如可以在采样之前采取模拟电路滤波的办法，信号传输线使 用屏蔽电缆，对采样后的数据用d s p 进行数据滤波等，这些都是利用硬件方式来 实现，工作量相对较大，而且有些干扰可能会是这些方法无法完成的，不得不采 用别的方法，论文中介绍了使用软件来实现对数字信号进行实时滤波的方法。由 于电子元器件存在着非线性特性，而且相同型号的电子元件也存在着差异，因而 有必要对系统进行一些非线性失真处理，在本系统中，传感器与数据采集卡之间 存在着多个相同结构的采样处理通道，理论上讲在这些通道入口接入相同的信号 应该会出现相同的结果，但由于存在着非线性特性，结果并不一样，为了解决非 线性失真的问题，本系统采用了多分辨率矩阵系数法，该方法使用起来非常简便， 运算速度也非常快，既解决了问题又能保证系统的实时性要求，因为工控设备是 一个实时系统，如果某一个处理算法消耗c p u 的时间太多，无论它处理的效果有 多好都是不合适的，采用这样的算法会得不偿失。 2 、存储数据是为了保证让实验结果或过程在实验结束后仍然能够重现，方 便人们对历史数据进行查询、统计、分析。存储数据的方式有多种多样，如可以 把数据存储过程交给数据库软件，由数据库管理软件负责底层的操作，这种方式 大大减轻了程序员的负担，程序员可以很方便地利用数据库管理软件提供的接口 函数来完成数据的查询、统计等功能。因为工控系统的特殊性，它是实时系统， 使用普通的数据库管理系统不能满足它的要求，国外对实时数据库( r t d b ) 的研 究非常关注”“科，尤其是美国、英国、德国、瑞典等国起步较早，现已有许多成 功的实验系统，有的甚至已商品化，典型的有p i 、i n f o p l u s 、h i p a c 、z i dr t d b m s 等系统。国内的研究起步稍晚，基本上是在8 0 年代末、9 0 年代初才开始，如中 科院软件所研制的蟾i l o r ，但这些数据库管理系统的价格都比较高，相对于中、 硕士学位论文第一章绪论 小型系统成本太高。另外一种方式是直接由程序员负责数据的存储管理，这就要 求程序员自己负责组织数据的结构，实现数据查询功能，显然会大大增加程序员 的负担，但采用这种方式使程序员可以很灵活地实现各种功能而不用受制于别的 系统，在本系统中设计了一个数据管理服务器充当了实时数据库的角色，现在它 的功能还比较单一，与商用实时数据库有一定的差距，但在实时、准确方面的性 能做得比较好。 3 、在本课题中实现了实验过程的全过程记录，方便管理人员对安全责任定 位到人。例如工作人员没有按照规范来进行实验，本来应该通电半个小时再记录 有效数据的，但操作人员可能会只通电几分钟就记录了，这样导致不合格的器件 没有检查出来，安装到电力机车上就可能造成事故。为了定位到底是谁的责任， 就可以调用历史数据查看操作人员是否按照规定进行实验。全程数据记录中把实 验过程中的每个动作( 如启动风机、调高电压等) 都记录下来，当访问全程记录数 据时，查看人员能够清楚地了解到实验人员当时的实验情况，这种方式记录下来 必定会导致数据量比较大。通常检查人员并不需要每次都要看历史实验的全过 程，一般都只要知道实验的最终结果是什么就可以了，他们需要了解的测试结果 只是被测试的机车整流装置在总电流为额定电流和最大电流时各晶闸管和二极 管的电流是多少，每组管的电流均衡情况是否满足要求，可见这些数据相对于全 过程记录的数据就要小得多，若把这些数据混在全程记录中，会导致即使只要了 解试验的结果也得遍历全部数据，在远程访问时就会消耗太多的资源。在本课题 中经综合考虑设计为采取每次实验的数据用两个文件来记录，记录数据的文件内 容分为两个部分，一部分是记录实验的最基本的情况，另外一部分是记录实验的 全过程的电流数据，另外一个文件用来记录控制过程。 4 、通常在实验结束后，实验操作人员会把实验的结果定期送到管理部门， 这样必然导致管理人员对工作现场的了解有相当长的延时，同时也增加了工人的 工作量，随着网络的发展，人们越来越希望通过网络就能够了解现场的情况，并 能实现对历史数据的查询，并根据这些情况来调整管理。 远程访问的速度和数据量的大小密切相关，在同一网络中数据量大时必然会 花费更多的时间来访问。由于数据要通过网络查看，一种方法是通过把数据文件 通过网络直接下载，这样就要花费不少时间，而且查看人员在知道结果后并不想 让记录实验数据的文件存储在自己的计算机上，又得把它删掉。一般情况下管理 人员只会去查看实验的结果，在这种情况下就没有必要把全部的数据都通过网络 传送过去，大量的数据全部通过网络传输必然会花费比较长的时间，人们更喜欢 和在线点播样选中就能立即看到想要的结果。 最终采用的方案是：在专用服务器上设计一个类似于在线点播系统的数据管 4 硕士学位论文第一章绪论 理服务器程序，设备控制端计算机装有控制程序，在测试实验时它负责控制设备 的各种操作并把实时数据传送给数据管理服务器，在查看历史数据时向数据管理 服务器上申请数据，数据管理服务器会把相应的数据传输过来。在需要查看本实 验台测试的计算机上安装远程访问客户端程序，数据管理服务器会根据客户端的 选择返回相应的结果。如果设备控制端正在测试，远程客户端就可以查看实时数 据。只要数据管理服务器在运行，远程客户端就可以查看历史数据。在查看历史 数据时客户端需要做出一个选择，若只查看结果，服务器就只返回测试结果数据， 若要看全程记录就把数据分段传送，这样在客户端就能立即重现测试过程并且能 够选择查看的时间，远程客户端只是不能控制设备，其它功能与设备控制端程序 基本相同。 1 4 论文内容的安排 本论文从铁道部牵引电气设备试验中心变流器试验台数据采集系统的软件 方面着手从理论分析和实现方法全面介绍了工控设备中数据处理的几个关键内 容，论文的安排如下： 第一章绪论，概要介绍了工控系统的未来发展方向与研究的热点，简要介 绍了本系统设计的目的及设计中要解决的一些关键技术问题： 第二章数据采集及预处理技术的方法，本章详细介绍了采样频率的确定， w i n d o w s 操作系统中定时器对采样精度的影响，多媒体定时器的使用，f i r 数字 滤波器的设计及其在实际工作中的效果； 第三章工控设备中数据存储和管理技术的研究，本章着重研究了工控系统 中数据存储和管理的一些方法，全面介绍了实时数据与时间的关系，实时事务的 特征，实时数据库的主要技术，特别讨论了实时系统中的数据存储与缓冲区管理 和内存数据管理，它们是实时数据存储和管理系统区别于普通数据存储和管理系 统的重要特征，与整个应用系统的性能息息相关，因而在系统的设计中占有举足 轻重的地位，通过研究实时系统的一些特性和处理办法，在本课题中采用了自行 设计一个数据管理服务器来充当实时数据库的角色，并将事务从服务器中剥离由 设备控制端程序实现，不仅节约了成本，而且提高了实时性能； 第四章工控设备中远程访问技术的研究，t c p i p 协议成为了网络领域的 工业标准，使用也最为广泛，本课题中传输层和数据链路层就是采用这些协议来 实现数据管理服务器与设备控制端程序和远程客户端程序之间的通信，但在应用 层中工控设备软件对网络数据解析并没有标准协议可遵循，因而只能采用自定义 协议，本章详细讲述了应用层中自定义协议的作用、建立步骤以及实现方法等内 容： 硕士学位论文第一章绪论 第五章工控设备软件的设计与实现，本章内容是论文所要解决问题的主要 部分，在这一章中对本课题中软件部分的几个关键问题都根据本课题的实际情况 进行了详细分析并提出了相应的解决办法。包括多分辨率矩阵系数法的实现及其 效果，数据管理服务器的功能、实时数据存储策略、历史数据和实时数据传输流 程、自定义应用层协议以及并行连接的解决方法，设备控制端程序和远程客户端 程序的设计思路及它们的差异： 第六章总结，本章对论文所做的工作做了全面的总结，并对目前系统中还 存在的问题迸行了说明。 6 硕士学位论文第二章数据采集及预处理 第二章数据采集及预处理 在工控设备中计算机要从外部被监测或控制的对象获得数据，首先要解决的 一个问题就是采样频率问题，即以多大的频率对模拟量实现数字化，如果设计的 采样速度过高，即使采集卡能达到要求也有可能因为数据量太大面导致计算机无 法进行实时处理：若采样过低又会导致获得的数据不能真实地反映被测量，这样 也就失去了意义，因而采样频率的选择对整个系统至关重要。在工控系统中不可 避免的会有干扰，为了尽量不改变硬件的设计，本文使用软件的方法实现数字滤 波器以减少干扰的影响，由于工控系统是一个实时系统，因而软件算法应该在时 间复杂度和空间复杂度方面都应尽可能小。 2 1 周期采样原理 正弦信号 y ( ，) = 一s i n ( 2 矾f + 缈)( 2 1 ) 在理论研究和工程实际中都有着广泛的应用。例如在信号处理中经常把正弦 信号加上白噪声作为试验信号，用来检验某个算法或数字装置的性能。因此， 研究这个简单的正弦波很有必要，以z 为采样周期对正弦波离散化，得到正弦波 的离散信号为 y o t ) = 4 s i n ( 2 咖t + 妒)( 2 - 2 ) 可见，要由y 即t ) 恢复y ( r ) ，就是要惟一的确定出以、，、妒，只要这3 个 数确定后，正弦波y ( f ) 就恢复了。 正弦波采样定理：对于正弦波x ( f ) ，以为采样周期获得离散信号x ( ”r ) ， 则：当厂 壶时，由x o t ) 可以惟一地确定y ( f ) ；当，击时，由y ( h i ) 不能惟 一地确定y ( r ) ，即不能确切的恢复原始正弦波x ( f ) 。 把采样频率乒的一半称为折叠频率 ，又称奈魁斯特( n y q u i s t ) 频率，即 = 号正。当，寺会有假频信号 ，它和原来频率高于折叠频率的连续信号 厶是关于厂对称的。 2 2 连续信号采样原理 一般连续时间信号x o ) ，可以表示为无限多个谐波的叠加“1 。信号x ( 幻和频 谱x ( 厂) 的关系为： 硕士学位论文第二章数据采集及预处理 x ( f ) = r x ( 厂) p 删够 ( 2 3 ) j ( ，) = r x ( f ) p “研出 ( 2 - 4 ) 从式( 2 3 ) 可知，对频率，当x ( ，) 0 时，就表示连续信号z ( f ) 包含有频 率为的谐波成分；当x ( ，) = 0 时，表示x 0 ) 不包含频率为厂的谐波成分。由离 散信号信号工印瓦) 恢复出连续信号x ( f ) ，意味着z 包含的所有谐波都能由离散 谐波( 采样间隔为t ) 惟一恢复出来，也就是说，对频率厂，只要x ( ，) 0 ，和 c 都必须满足厂 击。如果使x ( 门o 的频率厂可以任意大，那么寺也就接近 于o ，这时只能取c = 0 ，这表示连续信号x ( r ) 不可能由离散信号恢复出来。因 此，要由x ( 疗正) 恢复出z ( r ) ，频谱j ( ，) 和采样间隔t 必须满足以下条件： x ( f ) 有截止频率( 即最高频率) 正，即 当i 州工时，x ( ，) = o ( 2 5 ) 2 z 以( 2 6 ) 下面继续讨论在满足这两个条件的情况下，如何由x 0 e ) 恢复z ( f ) 。 在条件式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 之下有 z ( f ) = 坛z ( ，) e 。种矽 ( 2 - 7 ) 离散信号z ( h t ) 可表示为 x 瓦) = i x ( 厂弦1 2 咖咿 ( 2 8 ) 当i 卅争时，x ( 门= o ，x ( 厂) 完全由【_ 孚，纠上的值确定。在这个区间， 把z ( ，) 展开成傅里叶级数 z ( ，) = 厶8 “枫 ( 2 9 ) 其中 c 。= 熙z ( 伽“机矽 ( 2 - l o ) 因此 x ( 厂) = t x e 扣1 2 砷，e 【_ 孚，孚】 ( 2 1 1 ) 这表明由x c ) 可以完全确定u ) ，因而可确定工( f ) 。 由式( 2 6 ) 得 删= 肇t 霎砌珊“帆扩妒矽= 瓦茎砌i ) 磐2 训剐矽 硕士学位论文 第二章数据采集及预处理 进一步计算司得 加h c ) 鬻 ( 2 - 1 2 ) 所以连续信号x ( f ) 的采样定理为：设连续信号x ( r ) 的频谱为x ( 厂) ，以采样 间隔t 采样得到的离散信号为x 0 疋) 。如果x ( ，) 和i 满足条件式( 2 4 ) 和式 ( 2 5 ) ，则由离散信号蚪互) 完全确定频谱x ( 力，具体关系为式( 2 1 1 ) t 并且由 x o f ) 完全确定连续信号x ( f ) ，具体关系为式( 2 一1 2 ) 。 2 3 采样精度对测量的影响 由式y ( 挖t ) = 爿s i i l ( 2 咖l e + p ) 可知我们一直认为各测量值之间的间隔是相 等的，相邻两个采样值的时间间隔为一常数r ，但在实际测量中采样的间隔总会 存在着一定的误差，实际值为r + j ，占会因为软件或硬件以及其他因素的干扰 而发生变化，由于这种误差的存在因而会给测量的结果带来一定的影响，如图 2 一l 所示，实线是实际采样点，虚线代表预计采样点，正常情况是在f 。的时候采 样( 为了分析简便认为 时刻是完全正确的) ，其值为y 。，但实际采样时间为 如+ 占，其实为y ，因而采样得到的情形就成了虚线表示的情况，从图中可以看 出会导致测量中的高频成分增加。 2 4 采样方式的选择 y 1 y o y 图2 l 采样间隔误差带来的影响 2 4 1 采样方式的分类和原则 基本采样方式可分为两大类：实时采样和等效时问。对于实时采样，当数字 化一开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化，然后，经过一个采样间 隔，再采入第二个子样，这样一直整个信号波形数字化后存入存储器中。实时采 样优点在于信号波形一到就采入，因此适应于任何形式的信号波形，重复的或不 重复的，单次的或连续的。由于所有采样点是以时间为顺序的，因而易于实现波 9 硕士学位论文 第二章数据采集及预处理 r 定时采样( 等间隔采样) l 变频采样( 变步长采样或等点采样： r 实时时间 g e t s a f e h w n d ( ) ，w m m y m e s s a g e ，o ，o ) ： 自定义消息处理函数，在自定义消息处理函数中要对采集得来的数据进行滤 波处理，多分辨率矩阵校正，把数据转给数据管理服务器，更新视图中的相关值。 l r e s u l tc m y f o r m v i e w ：o n m y m e s s a g e ( w p a r a mw p a r a m 。 l p a r a ml p a r a m ) 硕士学位论文 第二章数据采集及预处理 对采集得来的数据进行处理 2 6 2 基于f i r 滤波器的使用及其效果 在本应用中主要是高频干扰，因而设计一低通滤波器，抽样频率为1 0 0 0 h z 抽样点数为1 5 且各抽样点的值如下嘲： 1 日( ) l = l j = o ，1 ，2 ，3 i h ( ) l = 0 5 5 7 l l j = 4 1 日( 七) l = o 0 8 4 1 七= 5 1 日( 七) i = o 七= 6 ，7 利用偶对称n 为奇数可求出滤波器系数。 ( 0 ) = ( 1 4 ) = - o 0 0 0 1 1 2 8 3 | i z ( 1 ) = ( 1 3 ) = 一o 0 0 0 6 4 8 8 9 厅( 2 ) = ( 1 2 ) = o 0 0 1 6 6 0 7 ( 3 ) = 厅( 1 1 ) = o 0 1 2 8 0 2 ( 4 ) = ( 1 0 ) = 一o 0 2 9 9 2 矗( 5 ) = ( 9 ) = 一0 0 5 7 1 3 4 向( 6 ) = 厅( 8 ) = 0 2 7 7 7 5 ( 7 ) = 0 5 9 0 9 9 其幅频特性曲线如图2 3 所示。 图2 3 数据字滤器幅频特性曲线 为了检查滤波器的效果，在滤波器的输入端分别加载四个高频成份不同的信 号，并把相应输入信号与输出信号的波形显示在同一示图中，实线表示输入信号， 虚线表示输出信号。 x 1 = 3 + o 5 s m ( 1 0 0 耐) 硕士学位论文 第二章数据采集及预处理 矗= 3 + o 5 s i n ( 1 0 0 而) + o _ 3 s i n ( 2 0 0 府) x ，= 3 + o 5 s i n ( 1 0 0 瓜) + o 3 s i n ( 6 0 0 刀r ) 羁= 3 + o 5 s i n ( 1 0 0 7 痒) + o 3 s i n ( 8 0 0 癌) 从几个实验图可以看得出，在信号频率为5 0 h z 、1 0 0h z 时，信号都能完全 通过，只是有一定的相位偏移，当信号为3 0 0 h z 时，只有少量的信号能通过，当 信号频率为4 0 0 h z 时，信号能被全部滤掉，在理论上能达到预期的效果，在下一 节可以看到其实测效果。 ( a ) ( c )( d ) 图2 4 滤波效果图( a ) 为5 0 h z ，( b ) 为1 0 0 h z ，( c ) 为3 0 0 h z ，( d ) 为4 0 0 h z 2 6 3 采用f i r 滤波器前后的实测比较 在设备控制端程序中每个被测量的电流值都可以查看其波形，在实验时只要 用鼠标左击显示数值的编辑框就会在视图中显示其波形，点“返回”退出查看波 形的状态。在没有经过数据滤波器处理时测量的一个波形如图2 6 所示，可以看 出波形中包含有大量的高频成份，而且其幅度比较大，在测试时数据总会不停的 跳动，它的波形不能代表真实的值( 已通过模拟电路转换为有效值) ，经过f i r 滤 波器处理后如图2 6 所示，波形已经变得非常平缓，满足了实际使用的需要。1 。 硕士学位论文 第二章数据采集及预处理 图2 5 未经数字撼波器处理的波形图 图2 6 经过f i r 数字滤波器处理后的波形图 1 6 硕士学位论文 第三章工控设备中数据存储利管理的研究 第三章工控设备中数据存储和管理的研究 为了便于数据的管理，人们提出了数据库理论并且其应用也日益广泛，在当 今的信息社会中，它的应用几乎无所不在。工控设备要获得外界被控或监测对象 的一系列数据并根据获得的数据做出相应的处理，例如升高电压，调整口角等操 作，因为工控设备是一个适时系统，它在存储管理上与普通系统有一定的差异。 以关系型为代表的三大经典( 层次、网状、关系) 型数据库在传统的( 商务和管 理的事务型) 应用领域获得了极大成功，然而它们在现代的( 非传统) 工程和时 间关键型应用面前却显得软弱无力，面临着新的严峻的挑战，由此而导致了实时 数据库( r e a lt i m ed a t a b a s e ，r t d b ) 的产生和发展，实时数据库原理与普通的 数据库原理有很大的不同，它专门研究实时系统中大量数据存储管理的问题，它 的原理对工控设备中数据存储和管理有极其重要的指导意义。r t d b 无缝地集成 了数据库与定时性，在对数据库能力和实时处理技术两者均有要求的各种领域有 着极其广泛的应用前景，对多种工程或过程及时间关键型应用更是必要而迫切 的，为国家的现代化尤其是国防现代化建设及国民经济的发展提供有力的、必不 可少的支持，在信息技术、信息高速公路及信息产业的建设中必将起到重大作用。 国外对r t d b 的研究非常关注，尤其是美国、英国、德国、瑞典等国起步较 早，现已有许多成功的实验系统，有的甚至已商品化，典型的有p i 、h i p a c 、z i p r t d b m s 等系统。国内的研究起步稍晚，基本上是在上世纪8 0 年代末、9 0 年代初 才开始，但发展很快，如中科院软件所研制的a g 订o r 。 在工控设备中使用商用实时数据库软件虽然使编程变得简单，但同时带来了 一些问题，首先是成本问题，一套商用实时数据库软件价格不菲，给整个系统带 来了成本压力，其次是由数据库负责管理执行的事务是远程事务，要通过网络传 输，这对实时性能有较大的影响。因此，本系统在研究实时数据库对数据的存储 和管理的基础上自行设计了一个能实现实时数据存储和管理的数据管理服务器， 并把事务功能从中剥离由设备控制端程序直接实现，这样不仅满足了实际需要， 节约了成本，而且提高了实时性能。 3 1 实时数据库的发展 数据库的应用正从传统领域向新的领域扩展“2 ”。“，如生产控制、交通控制、 雷达跟踪、空中交通管制、武器制导、实时仿真等等。这些应用有着与传统应用 不同的特征，一方面，要维护大量共享数据和控制数据：另一方面，其应用活动 ( 任务或事务) 有很强的时间性，要求在规定的时刻和( 或) 一定的时问内完成其 硕士学位论文第三章工控设备中数据存储和管理的研究 处理；同时，所处理的数据也往往是“短暂”的，即有一定的有效时间，过时则 有新的数据产生，而当前的决策或推导变成无效。所以，这种应用对数据库和实 时处理两者的功能及特性均有需求，既需要数据库来支持大量数据的共享，维护 其数据的一致性，又需要实时处理来支持其任务与数据的定时限制。 但是，传统的数据库系统旨在处理永久、稳定的数据，强调维护数据的完整 性、一致性，其性能目标是高的系统吞吐量和低的代价，而根本不考虑有关数据 及其处理的定时限制，所以，传统的数据库管理系统( d 删s ) 不能满足这种实时 应用的需要。而传统的实时系统( r t s ) 虽然支持任务的定时限制，但它针对的 是结构与关系很简单、稳定不变和可预报的数据，不涉及维护大量共享数据及它 们的完整性和一致性，尤其是时间一致性。因此，只有将两者的概念、技术、方 法与机制无缝集成”( s e 锄1 e s si n t e g r a t i o n ) 的实时数据库( r t d b ) 才能同时 支持定时和一致性。 因此，实时数据库就是其数据和事务都有显式定时限制的数据库，系统的正 确性不仅依赖于事务的逻辑结果，而且依赖于该逻辑结果所产生的时间。近年来， r t d b 己发展为现代数据库研究的主要方向之一，受到了数据库界和实时系统界 的极大关注。然而，r t d b 并非是数据库和实时系统两者的简单结合，它需要对 一系列的概念、理论、技术、方法和机制进行研究开发，如数据模型及其语言， 数据库的结构与组织；事务的模型与特性，尤其是截止时间及其软硬性；事务的 优先级分派、调度和并发控制协议与算法；数据和事务特性的语义及其与一致性、 正确性的关系，查询事务处理算法与优化；i o 调度、恢复、通信的协议与算 法等，这些问题之间彼此高度相关。 3 _ 2 实时系统中数据与时间的关系 3 2 1 数据与时