微型计算机控制技术电子工业出版社潘新民王燕芳第七章课件

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：模拟滤波数字滤波,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：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。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,7.11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,7.11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),7.11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：Y的确定不够灵活，必须根据现场的情况不断更换新值；不能反应采样点数N3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,7.11程序判断滤波,图7-1限速滤波程序流程图,微机控制技术,7.11程序判断滤波,内存分配:20H、21H、22HY（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,7.11程序判断滤波,ORG8000HPRODT2：MOVA，20H；AY（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；23HY（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；24HY（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；AY(2)-Y(3)CJNEA，LIMIT，DONE4AJAMPDONE5；Y(2)-Y(3)Y，转DONE5DONE4：JCDONE5；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。,7.12算术平均值滤波,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.#DATA,7.12算术平均值滤波,LOOP：LCALLLOADXI；R7（阶）R4R5X(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；N0，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,7.12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，#MED1CLR3AH,7.12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MOVR2，37HMOVR3，38HRET,7.12算术平均值滤波,DATAEQU20HMED1EQU30HCOUNTEQU33HMED2EQU36H,7.12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,7.13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。,(7-5),微机控制技术,7.14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,7.14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,7.15RC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,7.15RC低通数字滤波,图7-3RC低通滤波器,微机控制技术,7.15RC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；,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(68)可简化为,7.15RC低通数字滤波,微机控制技术,7.15RC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),3N14(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。,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。,微机控制技术,将式(7-11)代入式(7-12)得(7-13)将式(612)移项，并将k改为k-1，则Z（k-1）-AZ（k-2）=BY（k-1）(7-14)将BY(k1)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。,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,微机控制技术,7.17各种数字滤波性能的比较,以上介绍了七种数字滤波方法，读者可根据需要设计出更多的数字滤波程序。每种滤波程序都有其各自的特点，可根据具体的测量参数进行合理的选用。,微机控制技术,7.17各种数字滤波性能的比较,1.滤波效果（1）变化比较慢的参数，如温度，用程序判断滤波及一阶滞后滤波方法。（2）变化比较快的脉冲参数，如压力、流量等，则可选择算术平均和加权平均滤波法，特别是加权平均滤波法更好。（3）要求比较高的系统，需要用复合滤波法。（4）在算术平均滤波和加权平均滤波中，其滤波效果与所选择的采样次数N有关。N越大，则滤波效果越好，但花费的时间也愈长。（5）高通及低通滤波程序是比较特殊的滤波程序，使用时一定要根据其特点选用。,微机控制技术,7.17各种数字滤波性能的比较,2滤波时间（1）在考虑滤波效果的前提下，应尽量采用执行时间比较短的程序，若计算机时间允许，可采用效果更好的复合滤波程序。（2）注意，数字滤波在热工和化工过程DDC系统中并非一定需要，需根据具体情况，经过分析、实验加以选用。（3）不适当地应用数字滤波(例如，可能将待控制的波滤掉)，反而会降低控制效果，以至失控，因此必须给予注意。,微机控制技术,7.2量程自动转换和标度变换,1.为什么要进行标度变换生产中的各个参数都有着不同的数值和量纲，如测温元件用热电偶或热电阻，温度单位为，如铂铑-铂热电偶镍铬-镍铬热电偶017.677mV048.87mV变送器：15V15VA/D:00FFH:00FFH0160001200为进一步进行显示、记录、打印以及报警等操作，必须把些数字量转换成不同的单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理，这就是所谓的标度变换。,微机控制技术,7.2量程自动转换和标度变换,2.量程自动转换另一方面，如果传感器和显示器的分辨率一定，而仪表的测量范围很宽时，为了提高测量精度，智能化测量仪表应能自动转换量程。,微机控制技术,7.2量程自动转换和标度变换,7.2.1量程自动转换7.2.2线性参数标度变换7.2.3非线性参数标度变换,7.2.1量程自动转换,由于传感器所提供的信号变化范围很宽（从微伏到伏），特别是在多回路检测系统中，当各回路的参数信号不一样时，必须提供各种量程的放大器，才能保证送到计算机的信号一致（05V）。在模拟系统中，为了放大不同的信号，往往使用不同放大倍数的放大器。而在电动单位组合仪表中，常常使用各种类型的变送器，如温度变送器、差压变送器、位移变送器等。,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,但是，这种变送器造价比较贵，系统也比较复杂。随着微型机的应用，为了减少硬件设备，现在已经研制出一种可编程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier），简称PGA。它是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。这就是所谓的量程自动转换。,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,可编程增益放大器分类：一种是由其他放大器外加一些控制电路组成，称为组合型PGA；集成PGA。1.集成PGA美国B-B公司生产的PGAl01，PGAl02，PGA202/203，美国模拟器件公司生产的LHDC84等，下边以PGAl02为例说明这种电路的原理及应用，其他与此类似。PGAl02是一种高速、数控增益可编程放大器，由脚和脚的电平来选择增益为1，10或100。每种增益均有独立的输入端，通过一个多路开关进行选择。,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,PGAl02的内部结构，如图7.5所示。其增益选择见表7.1。,注：逻辑0：0VV0.8V逻辑1：2VV+VCC逻辑电压是相对于脚的。,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,图7.5PGA内部结构图,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,由图7.5和表7.1可以看出，1.是一种可控制放大器反馈回路电阻的运算放大器。2.改变X10，X100两管脚的电平，即可选择VIN1，VIN2和VIN3。3.三种输入电路的反馈电阻不同，因而可得到不同的增益。4.增益的精度也是很高的，一般也不用调整。只在必要时才采用外接电阻电路进行修正。,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,图7.7增益可编程仪用放大器,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,2.组合型PGA组合型PGA由运算放大器、仪器放大器或隔离型放大器，再加上一些附加电路组合而成。多路开关CD4051+运算放大器,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,图7.6采用多路开关的可编程增益运算放大器,微机控制技术,在图7.6中，A1，A2，A3组成差动式放大器，A4为电压跟随器，其输入端取自共模输入端VCM，输入端接到A1，A2放大器的电源地端。A1，A2的电源电压的浮动幅度将与VCM相同，从而减弱了共模干扰的影响。实验证明，这种电路与基本电路相比，其共模抑制比至少提高20dB40dB。,7.2.1量程自动转换,采用CD4051做为模拟开关，通过一个4D锁存器与CPU总线相连，改变输入到CD4051选择输入端C，B，A的数字，即可使R0R78个电阻中的一个接通。这8个电阻的阻值可根据放大倍数的要求，由公式AVl+2R8Ri来求得，从而可得到不同的放大倍数。当CD4051所有的开关都断开时，相当于Ri，此时放大器的放大倍数为AV1。,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,3.隔离放大器与PGA组成的增益可编程隔离放大器，如图7.8所示。,图7.8增益可编程隔离放大器,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,如图7.8所示采用隔离放大器ISO122P和可编程放大器PGAl02可组成隔离型增益可编程放大器。这里要求ISO122P的两组15V电压分别由隔离的两组电源供电。为了实现模拟、数字完全隔离，图7.8中采用具有隔离性能的双向数字耦合器ISO150，其输入端接到微型计算机地址总线Al，A0，经隔离后的数字输出端用来控制可编程放大器PGAl02的l，2端子，改变A1，A0的数字，即可得到增益为l，10，100的放大器。,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,4.可编程增益放大器可进行量程自动转换。当被测参数动态范围比较宽时，使用PGA的优越性更为显著。例如在数字电压表中，其测量动态范围可从几个微伏到几百伏。对于这样大的动态范围，要想提高测量精度，必须进行量程转换。以前多用手动进行转换，现在，在智能化数字电压表中，采用可编程增益放大器+微型机,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,图7.9利用PGA实现量程自动转换的数字电压表原理,微机控制技术,7.2.1量程自动转换,设图7.9中PGA的增益为1，10，100三挡，A/D转换器为位双积分式A/D转换器，可画出用软件实现量程自动转换的流程图，如图7.10所示。,微机控制技术,由图7.10可以看出，首先对被测参数进行A/D转换，然后判断是否超值。若超值（某些A/D转换器可发出超值报警信号），且这时PGA的增益已经降到最低挡，则说明被测量超过数字电压表的最大量程，此时转到超量程处理；否则，把PGA的增益降一挡，再进行A/D转换并判断是否超值。若仍然超值，再做如上处理。,若不超值，则判最高位是否为零，若是零，则再看增益是否为最高挡。如果不是最高挡，将增益升高一级，再进行A/D转换及判断；如果最高位是1，或PGA已经升到最高挡，则说明量程已经转换到最合适挡，微型机将对此信号做进一步的处理，如数字滤波、标度变换、数字显示等。由此可见，采用可编程增益放大器可使系统选取合适的量程，以便提高测量精度。,7.22线性参数标度变换,线性参数标度变换是最常用的标度变换，其前提条件是被测参数值与AD转换结果为线性关系。线性标度变换的公式为：（7-15）式中，一次测量仪表的下限；一次测量仪表的上限；实际测量值（工程量）；仪表下限所对应的数字量；仪表上限所对应的数字量；测量值所对应的数字量。,微机控制技术,7.22线性参数标度变换,为了使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限所对应的AD转换值N0=0，也即使。这样式（7-15）可写成（7-16）在很多测量系统中，仪表下限值0，此时，对应的=0，式（616）可进一步简化为（7-17）式（7-15）、（7-16）、（7-17）即为在不同情况下的线性刻度仪表测量参数的标度变换公式。,微机控制技术,7.22线性参数标度变换,例某压力测量仪表的量程为4001200Pa，采用8位A/D转换器，设某采样周期计算机中经采样及数字滤波后的数字量为ABH，求此时的压力值。解：根据题意，已知=400Pa，=1200Pa，=ABH=171D，选=FFH=255D，=0，所以采用公式（7-16），则,微机控制技术,7.22线性参数标度变换,所谓计算机标度变换程序，就是根据上述三个公式进行计算。为此，可分别把三种情况设计成不同的子程序。设计时，可以采用定点运算，也可以采用浮点运算，根据需要进行选用。为编程方便，三个公式可分别写成如下形式：其中，(7-18),微机控制技术,7.22线性参数标度变换,根据式（7-18）、（7-19）、（7-20）可求出不同情况下被测参数的标度变换值。现在以式（7-15）为例，说明标度变换程序的设计。,微机控制技术,7.22线性参数标度变换,设经AD采样及数字滤波后的采样值，一次测量仪表下限A0，一次测量仪表上限Am，仪表下限所对应的数字量N0，仪表下限所对应的数字量Nm分别存放在Nx,A0，Am,N0,Nm所对应的内存单元中。,微机控制技术,7.22线性参数标度变换,其标度变换程序如下：ORG8000H；标度变换程序1（线性参数）SCACOA：MOVR1，#DATA；NX浮点数存放首地址R1MOVR0，#COSTN1；a1浮点数存放首地址R0ACALLFMUL；a1NXR4（阶）R2R3ACALLFSTR；R4（阶）R2R3R1指向的3个RAM单元MOVR0，#COSTN2；R0指向b1所在的3个RAM单元ACALLFADD；计算AXa1NXb1R4（阶）R2R3ACALLFSTR；AXR1指向的三个RAM单元,微机控制技术,7.22线性参数标度变换,MOVA，R1MOVR0，AMOVR1，#BCDACALLFBTD；将AX转换成BCD码，并放在以BCD为RET；首地址的REM单元中，Bit3CH为符号位DATAEQU20HCOSTN1EQU23HCOSTN2EQU26HBCDEQU29H,微机控制技术,7.23非线性参数标度变换,必须指出，前面讲的标度变换公式，只适用于线性变化的参量。如果被测参数为非线性，上面的三个公式均不再适用，需重新建立标度变换公式。一般而言，非线性参数的变化规律各不相同，故其标度变换公式亦需根据各自的具体情况建立。,微机控制技术,1公式变换法,例如，在流量测量中，流量与差压间的关系式为（7-21）式中，Q流量；K刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸相关；P节流装置的差压。,微机控制技术,7.23非线性参数标度变换,可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流量时的标度变换公式为（7-22）式中，被测流体的流量值流量仪表的上限值流量仪表的下限值差压变送器所测得的差压值（数字量）；差压变送器上限所对应的数字量；差压变送器下限所对应的数字量。,微机控制技术,7.23非线性参数标度变换,对于流量仪表，一般下限皆为0，即=0，所以，式（7-22）可简化为（7-23）若取流量表下限对应的数字量=0，更可进一步简化公式：（7-24）式（7-22），（7-23），（7-24）即为不同初始条件下的流量标度变换公式。,微机控制技术,7.23非线性参数标度变换,与线性刻度标度变换公式一样，由于、都是常数，所以式（7-22）、（7-23）、（7-24）可分别记作（7-25）式中，（7-26）式中，（7-27）式中，式（7-25）、（7-26）、（7-27）即为各种不同条件下的流量标度变换公式，根据这些公式可以设计出各种条件下的流量标度变换程序。,微机控制技术,2其它标度变换法,许多非线性传感器并不象上面讲的流量传感器那样，可以写出一个简单的公式，或者虽然能够写出，但计算相当困难。这时可采用多项式插值法，也可以用线性插值法或查表法进行标度变换。关于这些方法的详细内容，请参阅本章第4节。,微机控制技术,7.3测量数据预处理技术,引言很多参数是非线性的很难找出准确的的数学表达式即便有表达式，但计算也非常复杂系统大多都允许一定的误差用软件补偿方便,微机控制技术,7.3测量数据预处理技术,7.3.1线性插值算法7.3.2分段插值算法程序的设计方法7.3.3插值法在流量测量中的应用7.3.4系统误差的自动校正,7.3.1线性插值算法,用计算机处理非线性函数应用最多的方法是线性插值法。线性插值法是代数插值法中最简单的形式。假设变量和自变量的关系如图7-13所示。,微机控制技术,7.3.1线性插值算法,图7-11线性插值法示意图,微机控制技术,7.3.1线性插值算法,知在点x0和x1的对应值分别为y0和y1，现在用直线AB代替弧线，由此可得直线方程（7-28）根据插值条件，应满足：（7-29）解方程组（7-29），可求出直线方程的参数a和b。由此可求出该直线方程的表达式为（7-30）,微机控制技术,7.3.1线性插值算法,式中，称为直线方程的斜率。或（7-31）式（7-30）为点斜式直线方程，式（7-31）为两点式直线方程。,微机控制技术,7.3.1线性插值算法,插值点0和1之间的间距越小，那么在这一区间和之间的误差越小。只要误差在允许的范围内，即可用几条直线来代替曲线。此方法称为分段插值法。,讨论：,微机控制技术,7.32分段插值算法程序设计方法,分段插值法的基本思想是将被逼近的函数（或测量结果）根据其变化情况分成几段，为了提高精度及缩短运算时间，各段可根据精度要求采用不同的逼近公式。最常用的是线性插值和抛物线插值。在这种情况下，分段插值的分段点的选取可按实际曲线的情况灵活决定。关于抛物线插值算法，读者可参阅2。,微机控制技术,7.32分段插值算法程序设计方法,分段插值法程序设计步骤如下：（1）用实验法测量出传感器的输出变化曲线，或各插值节点的值。为使测量结果更接近实际值，要反复进行测量，以便求出一个比较精确的输入输出曲线。（2）将上述曲线进行分段，选取各插值基点。为了使基点的选取更合理，可根据不同的方法分段。主要有两种方法：,微机控制技术,7.32分段插值算法程序设计方法,等距分段法插值基点等距离。优点是使常数，过程简化。但是，当函数的曲率和斜率变化比较大时，将会产生一定的误差。要想减小误差，必须把基点分得很细，这样，势必占用更多的内存，并使计算机的开销加大。非等距分段法函数基点的分段不是等距的，而是根据函数曲线形状的变化率的大小来修正插值间的距离。曲率变化大的，插值距离小一点。也可以使常用刻度范围插值距离小一点，而非常用刻度区域距离大一点，但是非等距插值点的选取比较麻烦。,微机控制技术,7.32分段插值算法程序设计方法,（3）根据各插值基点的值，使用相应的插值公式，求出模拟的近似表达式。（4）根据编写出汇编语言应用程序。用式（7-30）进行计算比较简单，只须进行一次减法，一次乘法和一次加法运算即可。,微机控制技术,7.32分段插值算法程序设计方法,在用分段法进行程序设计之前，必须首先判断输入值处于哪一段。为此，需将与各分点值进行比较，以便判断出该点所在的区间。然后，转到该段逼近公式进行计算。值得说明的是，分段插值法总的来讲光滑度都不太高，这对于某些应用是有缺陷的。但是，就大多数工程要求而言，也能基本满足需要。在这种局部化的方法中，要提高光滑度，就得采用更高阶的导数值，多项式的次数亦需相应增高。为了只用函数值本身，并在尽可能低的次数下达到较高的精度，可以采用样条插值法。,微机控制技术,7.33插值法在流量测量中的应用,图7-14所示为某流量测量系统的流量与查压的实测变化曲线。由图7-14可以看出，流量差压变化曲线是非线性的。由于该曲线变化比较平滑，因此可以采用多项式插值公式，也可以选用分段线性插值法完成。下面以分段线性插值法求解,微机控制技术,7.33插值法在流量测量中的应用,图7-12流量差压变化曲线,微机控制技术,7.33插值法在流量测量中的应用,由于流量在低端变化较为陡直，高端变化比较平缓，所以我们采用不等距分段法。假设三个插值基点分别为，和，其对应的流量值分别为，如图7-15所示现在，用图7-15中的折线来代替曲线OA，AB，BC。根据式（7-30），可写出图7-15流量测量中各段的线性插值公式为：（7-32）,微机控制技术,7.33插值法在流量测量中的应用,图7-13用分段线性插值法求解流量图,微机控制技术,7.33插值法在流量测量中的应用,式中，折线的斜率，；折线的斜率，；折线的斜率，。设检测值经数字滤波后存放于以DATA为地址的储存单元中，系数k1、k2、k3、各插值基点P1、P2，P3以及各点所对应的流量值Q1、Q2、Q3分别存放在程序存储器ROM中。,微机控制技术,7.33插值法在流量测量中的应用,根据公式（7-32），可画出用插值法计算流量流程图，如图7-16所示。根据图7-16可写出汇编语言程序如下：,微机控制技术,7.33插值法在流量测量中的应用,图7-14用插值计算法计算流量Q的子程序框图,微机控制技术,ORG8000HSTART：ACALLLOAD；传送数据MOVA，DATA；(R2R3)PMOVR3，AMOVR2，#00HMOVA，R2；判断P和P3的大小CJNEA，27H，AA1MOVA，R3CJNEA，26H，BB1BIGG1：AJMPQ3；P=P3，转Q3AA1：JNCBIGG1AJMPLESS1,BB1：JNCBIGG1LESS1：MOVA，R2；判断P和P2的大小CJNEA，29H，AA2MOVA，R3CJNEA，28H，BB2BIGG2：AJMPQ2；P2PP3，转Q2AA2：JNCBIGG2AJMPLESS2BB2：JNCBIGG2LESS2：MOVA，R2；判断P和P1的大小CJNEA，2BH，AA3MOVA，R3CJNEA，2AH，BB3,BIGG3：AJMPQ1；P1PP2，转Q1，转AA3：JNCBIGG3AJMPLESS3BB3：JNCBIGG3LESS3：MOVR7，24H；(R6R7)K1MOVR6，25HLCALLQKMULT；计算K1PMOVR4，R6MOVR5，R7DONE：RET,Q3：MOVDPTR，#100CH；Q=Q3MOVA，#00HMOVCA，ADPTRMOVR5，AINCDPTRMOVA，#00HMOVCA，ADPTRMOVR4，AAJMPDONE,Q2：MOVR6，29H；(R6R7)P2MOVR7，28HLCALLNSUB；计算P-P2MOVR2，21H；MOVR3，20HMOVR6，R4；MOVR7，R5LCALLQKMULT；计算MOVDPTR，#100EHMOVA，#00HMOVCA，A+DPTRMOVR3，AINCDPTRMOVA，#00HMOVCA，A+DPTRMOVR2，ALCALLNADD；计算AJMPDONE,Q1：MOVR6，2BH；MOVR7，2AHLCALLNSUB；计算MOVR2，23H；MOVR3，22HMOVR6，R4；MOVR7，R5LCALLQKMULT；计算MOVDPTR，#1010H；MOVA，#00HMOVCA，ADPTRMOVR3，AINCDPTRMOVA，#00HMOVCA，ADPTRMOVR2，ALCALLNADD；计算AJMPDONE,7.33插值法在流量测量中的应用,LOAD：MOVDPTR，#1000H；传送数据MOVA，#00HMOVR2，#0CHMOVR0，#20HLOOP：MOVCA，ADPTRMOVR0，AINCDPTRINCR0MOVA，#00HDJNZR2，LOOPRET,微机控制技术,7.34系统误差的自动校正,系统误差是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值(包括大小符号)保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。这种误差的特点是，在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。因此，原则上讲，系统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。在系统的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，它们会影响测量数据的准确性，这些误差都属于系统误差。有时必须对这些系统误差进行校准。下边介绍一种实用的自动校正方法。,微机控制技术,这种方法的最大特点是由系统自动完成，不需人的介入，其电路如图7-15所示。,7.34系统误差的自动校正,微机控制技术,该电路的输入部分加有一个多路开关。系统在刚上电时或每隔一定时间时，自动进行一次校准。这时，先把开关接地，测出这时的输入值xo；然后把开关接标准电压VR，测出输入值xl，设测量信号x与y的关系是线形关系，即y=a1x+a0,以此得到两个误差方程(7-34)解此方程组，得(7-35),7.34系统误差的自动校正,微机控制技术,7.34系统误差的自动校正,从而可得校正公式采用这种方法测得的y与放大器的漂移和增益变化无关，与VR的精度也无关。这样可大大提高测量精度，降低对电路器件的要求。,微机控制技术,7.4DSP在数据处理中的应用,DSP是数字信号处理（DigitalSignalProcessing）的简称。随着计算机和信息技术的发展，DSP技术得到了飞速的发展，特别是近几年，随着一批批性能优越的DSPS芯片的诞生，使得DSP技术不但在通信中有了更大的发展，而且，在工业过程控制和智能化仪器中也得到了广泛的应用。本节主要介绍DSP在数据处理中的应用。,微机控制技术,7.4DSP在数据处理中的应用,7.4.1DSP简介7.4.2DSPS芯片7.4.3DSP在数据处理中的应用,7.4.1DSP简介,DSP是利用计算机或专用处理器，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、计算、压缩、识别等处理，以获得人们所需的信号形式。DSP涉及的范围极其广泛，它不仅以常用的数学，如微积分、概率设计、随机过程、数值分析等作为基本工具，而且与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。可以说，DSP把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。,微机控制技术,7.4.1DSP简介,数字信号处理可以用软件实现，也可以用硬件实现。通常可采用下面的几种方法实现：(1)在通用计算机上用软件（如C、C+、汇编语言）实现；(2)在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现（如8087，80387等）；(3)用单片机（如MCS51、96系列等）实现；(4)用通用的可编程DSP芯片实现；(5)用专用的DSP芯片实现；(6)基于通用DSPS核心的ASIC设计和生产服务，即用户可以在通用DSPS的CPU基础上选用所需的外设接口、存储器等资源，并在芯片内固化所有软件。,微机控制技术,7.4.1DSP简介,上述方法中，第一种方法的缺点是速度慢，不适合于实时DSP，一般只用于DSP算法的模拟；第二种方法不适合嵌入式应用，而且和第五种方法一样具有专用性较强的特点，应用受到很大限制；第三种不适合于以乘加运算为主的运算密集型DSP算法；第四种通用可编程DSPS芯片，由于其可编程性和强大的处理能力，在实时DSP领域居于主导地位。另外在批量应用中，基于通用DSPS核的ASIC由于较好的系统性价比也在近几年得到广泛应用。随着数字信号处理的不断发展，自从20世纪80年代出现数字信号芯片（DigitalSignalProcessor，简称DSPS）后，数字化处理技术发生了革命性飞跃。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,DSPS芯片，也叫数字信号处理器。这是一种特别适合于做数字信号处理的微处理器，主要用来实时地实现各种数字信号处理算法。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,1DSPS芯片的特点（1）具有乘法器和多功能单元。由于DSPs的主要任务是完成大量的实时计算，所以它的算术单元包括硬件乘法器，这是区别于通用微处理器的重要标志。另一个显著特点是具有多功能单元，多数DSPS都支持在一个周期内同时完成依次乘法和依次加法操作。（2）DSPS打破了传统的程序和存储统一空间排列的冯诺曼总线结构，而采用哈佛结构。在冯诺曼结构中，程序指令只能串行执行。而哈佛结构，具有独立程序总线和数据总线，这样可同时取指和取操作数。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,（3）具有片内RAM。在DSP系统中，往往需要处理大量的数据，因此存储器的访问速度对处理器的性能影响很大。为了提高DSPS存取数据的速度，其内部设有ROM和RAM，可通过独立的数据总线在两块中间同时访问。（4）采用流水处理技术。在处理器中，每条指令的执行可以分为取指、译码和执行等几个阶段，每个阶段为一级流水。流水过程使得若干条指令的不同阶段并行执行，因而可大大提高程序的执行速度。TMS320系列处理器的流水线深度为26级不等。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,（5）具有特别的DSP指令。除了软件之外，DSPS的另一个特点是采用特殊的指令，如：DMOV指令，用来完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操作非常重要，这个延迟就是由DMOV来实现。TMS32010中的另一个特殊指令是LTD，它在一个指令周期内完成LT，DMOV和APAC3条指令。LTD和MPY指令可以将FIR滤波器抽头计算从4条指令降为两条指令。在第二代处理器中，如TMS320C25，增加了两条更特殊的指令，即RPT和MACD指令，采用这两条指令，可以进一步将每个抽头的运算指令从两条降为1条RPTK255；重复执行下条指令256次MACD；LT，DMOV，MPY及APAC,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,（6）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。（7）具有快速的中断处理和硬件I/O支持。当然，与通用微处理器相比，DSPS芯片的其他通用功能相对较弱一些。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,2DSPS芯片的内部结构自20世纪70年代末、80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片（AMI公司的S2811）问世以来，DSPS的发展突飞猛进，已经经过了6个时代。下边以美国得克萨斯州仪器公司（TexasInstruments，简称TI）的产品为例，介绍DSPS芯片的结构。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,TI常用的芯片归纳为三大系列，即TMS320C2000系列（包括TMS320C2x/C2xx）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5x/C54x/C55x）、TMS320C6000系列（TMS320C62x/C67x）。如今，TI公司的DSPS产品已经成为当今世界上颇有影响的DSP芯片。TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供应商，其市场份额占全世界市场近50%。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,下边以TI的TMS320C6000为例介绍DSPS的内部结构。该芯片是定点、浮点兼容的DSPS系列，其中定点系列是TMS320C62xx，浮点系列是TMS320C67xx。定点C62xx系列目前有C6201，C6202，C6203，C6204和C6205六个片种，浮点C67xx系列目前有C6701和C6711两个片种。TMS320C6000结构如图7.16所示。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,图7.16TMS320C6000结构框图,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,如图7.16所示，TMS320C6000由三部分组成：CPU内核、外设和存储器。（1）CPU内核CPU内核有两个数据通道（A和B），每个数据通道有4个功能单元（.L1，.L2.，.S1，.S2，.M1，.M2，.D1和.D2），这8个功能单元可以并行工作；还有两个通用寄存器组（A和B），每组寄存器由16个32位寄存器组成；另外还有控制寄存器，控制逻辑以及测试、仿真和中断逻辑。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,（2）内部存储器及存储器存取通路C6000存储器的寻址空间为32位，其中芯片内部集成了1M7Mb片内SRAM。片内RAM被分为两块：一是内部程序/Cache存储器；二是内部数据/Cache存储器。32位外部存储器接口包括直接同步存储器接口，可与同步动态存储器（SDRAM）、同步突发静态存储器（SBSRAM）连接，主要用于大容量、高速存储；还包括直接异步存储器接口，可与静态存储器（SRAM）、只读存储器（EPROM）连接，主要用于小容量数据存储和程序存储；还有直接外部控制器接口，可与先进先出寄存器（FIRO）连接，这是控制接口线最少见的存储方式。因此C6000可方便地配置不同速度、不同容量、不同复杂程度的存储器。在C6000系列DSPSCPU中，有两个32位通路可把数据从存储器读到寄存器，到寄存器组A的通路为LD1，到寄存器组B的通路为LD2。,微机控制技术,7.4.2DSPS芯片,（3）外部设备接口C6000的外部设备接口有：四通道（ch0ch3）的加载DMA协处理器，可用于数据的DMA传送。16位宿主机接口，可以将C6000配置为宿主机的DSP加速器。灵活的锁相环路时钟产生器（1，2，4），可以对输入时钟进行不同的倍频处理、自检和开发。,微机控制技术,7.4.3DSP在数据处理中的应用,DSP的独特性能，使得DSP的应用越来越广泛。目前，DSP的应用已涉及到各个领域，特别是在信号处理（如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加密、波形产生等），通信（如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵销、多路复用、传真、纠错编码等）和工业自动控制以及智能化仪器（如数据采样、抽样检测、频谱分析、函数发生）等领域都得到了广泛的应用。目前，DSP已成为继单片机后的又一大热门学科。下边举例说明DSP在滤波器中的应用。DSPS芯片的最大优势之一就是能够快速地进行乘法和加法运算。,微机控制技术,7