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,2,7.2系统设计的一般步骤,7.3系统AD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,3,第7单元数据采集系统设计,7.1系统设计的基本原则,4,7.1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,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。,6,7.1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。,7,15.1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,8,7.1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,9,2.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。,10,7.1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。,11,7.1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,12,7.1系统设计的基本原则,提高程序的执行速度,具体方法,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。,单通道数据采集时，不要将通道选择指令包括在循环体内。,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,13,第7单元数据采集系统设计,7.2系统设计的一般步骤,14,7.2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,15,7.2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。,16,7.2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AD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,17,7.2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,18,7.2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,19,7.2系统设计的一般步骤,5.系统联调,步骤,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,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,修改和完善程序,20,第7单元数据采集系统设计,7.3系统AD通道的确定,21,7.3系统AD通道的确定,1.系统AD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,22,7.3系统AD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,23,7.3系统AD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。,24,7.3系统AD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,25,还要考虑以下问题：,7.3系统AD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。,26,7.3系统AD通道的确定,表15-1采样保持器的误差估算,27,7.3系统AD通道的确定,AD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100s对所有传感器采集一次数据。应选择何种类型的AD转换器？,28,7.3系统AD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3s，精度和价格均居次要地位。,因此，选择高速8位逐次逼近型AD转换器比较合适。,29,7.3系统AD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AD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AD转换器比较合适，,30,7.3系统AD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AD转换器，各项误差估算如下,31,7.3系统AD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%。,32,7.3系统AD通道的确定,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。,33,7.3系统AD通道的确定,AD转换器的误差介于0.040.1135%之间。,注意:,12位AD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12位。,34,7.3系统AD通道的确定,2.系统AD通道方案的确定,不带采样保持器的AD通道,35,7.3系统AD通道的确定,模拟输入信号的最大变化率与AD转换器的转换速率有如下关系：,(15-1),式中:,tCONVAD转换器的转换时间；,FSRAD转换器的满量程电压；,nAD转换器的位数。,36,7.3系统AD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）。,不用采样保持器。,37,7.3系统AD通道的确定,带采样保持器的AD转换通道,当模拟输入信号变化率较大时，AD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,(15-2),38,7.3系统AD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tAP,【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？,39,7.3系统AD通道的确定,解：,fS不高,40,7.3系统AD通道的确定,当fS=200kHz时，若其它值不变，则,fS太高了！AD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。,41,7.3系统AD通道的确定,带采样保持器的AD通道的形式有以下几种。,多通道共享采样保持和AD转换器,42,7.3系统AD通道的确定,每路信号的吞吐时间tTH,(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。,43,7.3系统AD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：,(15-4),44,7.3系统AD通道的确定,由采样定理可知，信号最高频率应满足,(15-5),【例15.4】设数据采集系统为8路巡回采集，AD转换器的位数为8位，信号幅值Um=FSR，tAC=3s，tST=2s，tAP=3ns，tCONV=40s,45,7.3系统AD通道的确定,(kHz),于每路信号的吞吐时间，使得数据采集