第七章 数据采集系统中的关键技术.ppt

第七章数据采集系统中的关键技术,本章内容,抗干扰技术分析与处理技术数据存储技术数据传输技术,2,3,抗干扰技术,7.1抗干扰技术,干扰：是指有用信号以外的“噪声”影响系统的准确度降低系统的可靠性形成三要素：干扰源、传播途径和敏感器件,4,7.1.1干扰源的分类,按照干扰的来源划分,5,按照干扰出现的规律划分,6,7.1.1干扰源的分类,按照干扰产生和传播的方式划分,7,7.1.1干扰源的分类,按照干扰与输入信号的关系划分,8,7.1.1干扰源的分类,9,7.1.1干扰源的分类,7.1.2干扰的传播途径,10,7.1.2干扰的传播途径,静电耦合：由于分布电容的存在，电场通过电容耦合的途径进入到其它线路中。磁场耦合：由于任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场对其周围闭合电路会产生感应电势所导致的现象。公共阻抗耦合：两个电路存在一个公共阻抗，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰的现象。,11,1、抑制干扰源（1）交流电源的干扰采用隔离变压器,12,7.1.3硬件抗干扰措施,由于数据采集系统与电网分别有各自的地线，如果把两者直接相连，则它们的地线之间存在电位差，会形成环流造成共模干扰。采用隔离变压器将两者隔离，使电网地线的干扰不能进入系统，提高抗共模抑制能力，从而保证系统的可靠工作，,采用电源低通滤波器消除大于50Hz的高次谐波采用交流稳压源把输出波形畸变控制在5%以内还可以对负载短路起限流保护作用,13,7.1.3硬件抗干扰措施,（2）直流电源的干扰采用集成稳压块单独供电如采用DC-DC电源模块、三端稳压模块等,14,7.1.3硬件抗干扰措施,（3）印制电路板（PCB）的设计,15,7.1.3硬件抗干扰措施,7.1.3硬件抗干扰措施,（3）印制电路板（PCB）的设计合理布线：合理布局：合理接地：,16,避免长距离的平行走线信号线与地线及电源线尽可能不交叉各部件间的引线要短，电源线要宽。,模拟信号、高速数字电路和噪声源这三部分合理地分开。易受干扰的元器件不能相互挨的太近输入和输出元件应尽量远离,所有器件的数字地和模拟地分别相连数字地和模拟地仅在一点上相连。,2、切断干扰传播途径（1）采用隔离的方法,17,7.1.3硬件抗干扰措施,光电隔离利用光电耦合器件实现电路上的隔离目前数据采集处理系统中最常用的一种抗干扰方法。,18,7.1.3硬件抗干扰措施,系统和外界之间的隔离,系统电路之间的隔离,电磁隔离利用隔离放大器的电磁耦合作用，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。,19,7.1.3硬件抗干扰措施,（2）其他方法,20,7.1.3硬件抗干扰措施,3、选择良好的单片机与元器件运算放大器：温漂低、差分性能优良电源芯片：高精度、低纹波、低温漂其他元器件（译码器、RAM等）：漏电流小、噪声低、性能好单片机：尽可能选择频率低的单片机,21,7.1.3硬件抗干扰措施,22,4、接地问题（1）数据采集系统中地线的类型信号地：包括模拟信号地、数字信号地和信号源地。模拟信号地是指模拟电路的零电位基准，数字信号地是指数字电路的零电位基准，信号源地是指信号源的零电位基准。功率地：是指大电流网络部件的零电位基准。屏蔽地：又称为机壳地，为了防止静电感应和电磁感应而设计的。交流地：交流50Hz电源的地线。直流地：直流电源的地线。,7.1.3硬件抗干扰措施,4、接地问题（2）数据采集系统中的接地原则需要消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压避免形成接地环路引进共模干扰。一点接地：如果数据采集系统在两点接地，由于大地各地电位的不一致，造成它们之间会有电位差，形成地环路电流，从而对两点接地的电路产生干扰。该干扰是数据采集系统输入端共模干扰的主要来源。,23,7.1.3硬件抗干扰措施,一点接地原则串联一点接地,24,低频电路,7.1.3硬件抗干扰措施,7.1.3硬件抗干扰措施,串联一点接地缺点：存在着各个接地点电位不同的问题，这将造成子系统之间的相互干扰。优点：该方式布线简单，目前仍在使用。使用注意事项：,25,各个子系统的对应电位不能相差太大，否则高地电位的子系统将会产生很大的地电流，经过共接的地线阻抗对低地电位子系统产生很大的干扰。应该把对地电位最敏感的放在距离接地点最近的地方。,一点接地原则并联一点接地：各个子系统的地电流之间不会形成耦合，没有共接地线阻抗所造成的干扰影响。,26,低频电路,7.1.3硬件抗干扰措施,7.1.3硬件抗干扰措施,多点接地原则一点接地方式仅适用于低频电路，不能适用于高频电路。许多相互靠近又很长的地线，对于高频信号会呈现出电感而使地线阻抗增大，造成各地线之间的磁场耦合。在高频电路（高于10MHz）中，应该采用多点接地方式,27,多点接地原则接地线越短越好，以降低其阻抗，因此每个电路应就近接地。阻抗低可以防止高频时地线向外辐射噪声，并且地线之间互相远离可以大大降低噪声的磁场耦合和电场耦合。,28,高频电路,7.1.3硬件抗干扰措施,接地方式选择的一般准则,工作频率小于1MHz时采用单点接地方式；工作频率高于10MHz时采用多点接地方式；工作频率介于1MHz10MHz的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。根据系统的需求和电路的需要进行合理的安排。,29,不同性质接地线的连线原则弱信号模拟电路、数字电路和大功率驱动地线分开模拟地与数字地分开高电平数字地与低电平信号分开各个子系统的地只在电源供电处才相接成一点入地交流电源地线应和保护地线相连。,30,7.1.3硬件抗干扰措施,接地线应尽量加粗原则接地线越细，其阻抗越高，接地电位随电流的变化越大，会导致系统的抗干扰能力下降,31,7.1.3硬件抗干扰措施,7.1.4软件抗干扰措施,32,33,分析与处理技术,7.2.1数据预处理,采样数据的标度变换采样数据的数字滤波采样数据剔除奇异项采样数据趋势项去除和提取采样数据的平滑处理,34,7.2.1数据预处理,1、标度变换各种物理量有不同的单位和数值例如：压力的单位为Pa，温度的单位为oC物理量经过AD转换后变成一系列无单位的数字量直接把AD转换器输出的数字量显示在屏幕上，操作者不好理解,35,7.2.1数据预处理,1、标度变换将无单位的数字量转换成有单位的物理量（1）线性参数的标度变换若被测物理量与传感器或仪器输出呈线性关系,36,Y0：被测量量程的下限；Yu：被测量量程的上限；Y：标度变换后的数值；N0：Y0对应的A/D转换后的数字量；Nu：Yu对应的A/D转换后的数字量；X：Y所对应的A/D转换后的数字量；,7.2.1数据预处理,1、标度变换将无单位的数字量转换成有单位的物理量（1）线性参数的标度变换,37,若Yu100，Y0=50，Nu255，N0=51，X153，则有,（2）非线性参数的标度变换当被测物理量与传感器或仪器的输出关系为非线性关系时，需要采用非线性变换。公式变换法多项式变换法表格法,38,7.2.1数据预处理,（2）非线性参数的标度变换公式变换法：如果传感器或变送器的输出信号与被测信号之间的关系可以用解析式表达，则可以通过解析式来推导出所需要的参量在流量监测中，变送器的输出信号P与实际流量Q有以下关系则标度变换公式为,39,7.2.1数据预处理,（2）非线性参数的标度变换多项式变换法：找到一个能够较准确地反映传感器输出信号与被测量之间关系的多项式被测量与传感器的输出值x的关系式为需要确定多项式系数：最小二乘法、代数插值法,40,7.2.1数据预处理,7.2.1数据预处理,（2）非线性参数的标度变换多项式变换法,41,7.2.1数据预处理,（2）非线性参数的标度变换多项式变换法采用三阶多项式取t=10,17,27,39这四个点作为插值点，得到解得,42,7.2.1数据预处理,（2）非线性参数的标度变换多项式变换法得到变换多项式为将采样得到的电阻值代入上式，即可求出被测温度t,43,注意：在函数曲线上曲率比较大的地方应适当加密插值点，以此提高精度,7.2.1数据预处理,（2）非线性参数的标度变换表格法在已知的被测量和传感器输出关系曲线上，选取若干个样点，并以表格形式存储在计算机中。对每一个需要做标度变换的数据y分别查表一次，找到数据y所在的区间，然后采用该区间的线性插值公式,44,线性插值公式,2、数字滤波工业生产和实验现场环境恶劣，干扰源较多。为减少对采样数据的干扰，提高系统性能，一般在进行数据处理之前，先要对采样数据进行数字滤波数字滤波：用计算机程序对采样数据进行计算处理，减少干扰信号在有用信号中所占的比例。优点：,45,7.2.1数据预处理,用程序实现，不需硬件可靠性高，稳定性好容易更换滤波方法,2、数字滤波方法中值滤波法算术平均值滤波法加权平均滤波法一阶滞后滤波法（惯性滤波法）防脉冲干扰复合滤波法,46,7.2.1数据预处理,2、数字滤波方法中值滤波法连续采样n次，从小到大排序，取中值作为本次采样值不适用于快速变化的过程参数,47,7.2.1数据预处理,2、数字滤波方法算术平均值滤波法寻找一个Y作为N次采样的平均值，使该值与本次各采样值间误差的平方和最小。应用场合：信号在某一数值（平均值）范围上下波动，如压力、流量等，做平滑处理N变大，平滑度变高，但灵敏度变低N变小，平滑度变低，但灵敏度变高,48,7.2.1数据预处理,2、数字滤波方法加权平均滤波法优点：对不同采样时间得到的采样值分别给予不同的权系数，以便能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度缺点：计算量大，降低了系统的处理速度,49,7.2.1数据预处理,7.2.1数据预处理,2、数字滤波方法一阶滞后滤波法（惯性滤波法）模拟量输入通道中，常用一阶RC滤波器消弱干扰。但测量回路中通常伴随着电源干扰及工业干扰，这些干扰频率很低，大时间常数和高精度的RC网络不易制作。惯性滤波法：以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法，可以克服上述缺点,50,7.2.1数据预处理,2、数字滤波方法一阶滞后滤波法（惯性滤波法）,51,应用场合：低频信号，波动频繁的信号缺点：引入相位滞后的问题，滞后值与大小有关,7.2.1数据预处理,2、数字滤波方法防脉冲干扰复合滤波法解决算术平均值法和中值滤波法的缺陷算术平均值法：无法消除脉冲干扰，引起采样偏差中值滤波法：采样点的限制，使其应用范围缩小方法：先中值滤波消除由于脉冲干扰而有偏差的采样值，再对滤波后的采样值做算术平均。,52,7.2.1数据预处理,2、数字滤波方法防脉冲干扰复合滤波法若则当采样点数为3时，变为中值滤波法。,53,7.2.1数据预处理,3、剔除采样数据中的奇异项奇异项：采样数据中有明显错误的个别数据剔除方法：,54,一阶差分法多项式逼近法最小二乘法,7.2.1数据预处理,3、剔除采样数据中的奇异项一阶差分法预测值的确定误差限W的确定：采样速率、物理量变化特性等,55,奇异项的判断准则：给定误差限W，若t时刻的采样值为，预测值为，当时，则为奇异项，应剔除，并以预测值来取代采样值。,7.2.1数据预处理,3、剔除采样数据中的奇异项一阶差分法在实际测量中，常会发生连续两个以上的点均为干扰的点，会造成所选的本身就不是正确值，从而所得到的预测值也是错误的。此时，并不能表明是奇异项判断准则,56,若满足，则沿用原来的数据若不满足，用预测值代替采样值,7.2.1数据预处理,3、剔除采样数据中的奇异项一阶差分法在实际应用中存在一种可能，起始点恰恰是被干扰产生的奇异点。此时需要一开始就去寻找满足一阶差分预测关系的三个连续点，即满足下式这时找到的三个点，可以作为正确的起始点。,57,7.2.1数据预处理,3、剔除采样数据中的奇异项一阶差分法例子：一采集系统采集到9个点，（1）起始点的确定将代入，不满足将代入，满足则为所要的起始点,58,7.2.1数据预处理,3、剔除采样数据中的奇异项一阶差分法（2）确定完起始点后，分别往x1和xn方向剔除干扰点,59,7.2.1数据预处理,4、去除或提取采样数据的趋势项等待处理的数据中，通常包含两种分量趋势项：周期大于数据采样周期的频率成分交变分量：周期小于数据采样周期的频率成分在许多应用场合，只对交变分量感兴趣。通过去除或提取趋势项，能够消除数据处理中有可能出现的畸变。去除或提取趋势项的方法平均斜率法最小二乘法,60,7.2.1数据预处理,4、去除或提取采样数据的趋势项最小二乘法：寻找一个函数，使该函数与的误差平方和最小，即用去逼近或拟合一般可以用一个多项式去表示例如：设采集到一个数据序列，它是由一个直线斜升分量和一个正弦分量叠加而成。通过上述程序处理，就可以把直线斜升分量提取出来。,61,7.2.1数据预处理,5、采样数据的平滑处理数据采集系统采集到的数据往往叠加噪声周期性的：典型代表为50Hz的工频干扰不规则的：代表为随机信号离散数据绘成的曲线呈现折线形状，很不光滑，即高频成分丰富为消弱干扰影响，提高曲线光滑度，需要进行平滑处理原则：既要消弱干扰成分，又要保持原有曲线的变化特性常用方法：平均法、五点三次平滑法、样条函数法,62,7.2.1数据预处理,5、采样数据的平滑处理平均法简单平均法：求算术平均加权平均法,63,7.2.1数据预处理,5、采样数据的平滑处理平均法直线滑动平均法例如三点滑动平均,64,第一点结束点其他点,数据二次处理典型的操作包括：,65,7.2.2数据二次处理,66,数据存储技术,数据存储的需求,数据存储概念数据存储是针对所采集的数据进行科学有序的存放、保管，以便有效使用的过程。三层含义:将所采集的数据，按照一定规则，记录在相应的载体上；将这些数据载体，按照一定的特征和内容性质组成系统有序的、可供自己或他人检索的集合体；应用计算机等先进的技术和手段，提高数据存储的效率和利用水平。,67,68,存储器分类,按存取方式分类：随机存储器RAM（Randomaccessmemory）只读存储器ROM（read-onlymemory）串行访问存储器,69,存储器分类,RAM存储器中任何存储单元的内容都能随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关分为静态RAM和动态RAM：静态RAM（Staticrandomaccessmemory）：以触发器原理寄存信息主要应用于需要缓存比较小，但需要快速访问的系统访问速度快，无需刷新，成本高动态RAM（Dynamicrandomaccessmemory）以电容充放电原理寄存信息主要应用于对功耗要求不太高、系统缓存要求容量比较大、速度要求比较快的系统,存储器分类,动态RAM与静态RAM的比较目前，动态RAM比静态RAM要广泛得多，其原因是在同样大小的芯片中，动态RAM的集成度远远高于静态RAM动态RAM的功耗仅为静态RAM的1/6动态RAM的行列地址按先后顺序输送，减少了芯片引脚，封装尺寸也减少了动态RAM的价格仅为静态RAM的1/4动态RAM也有缺点由于使用动态元件（电容），因此它的速度比静态RAM低动态RAM需要再生，要配置再生电路，消耗一部分功率,70,存储器分类,SRAM,DRAM,触发器,电容,存储信息,同时送,分两次送(引脚少),送行列地址,不需要,需要,需要刷新,快,慢,运行速度,低,高,集成度,大,小（1/6）,发热量,贵,便宜（1/4）,价格,项目,71,72,存储器分类,ROM只能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器包括MROM：MaskedROM，掩模型ROM，采用掩模工艺，将原始信息记录在芯片中，一旦制成就无法更改PROM：ProgrammableROM，可编程ROMEPROM：可擦除可编程ROMEEPROM：电可擦除可编程ROMFlashMemory：快擦型存储器速度慢，有一定的读写次数一般用在系统里面保存程序和数据用,存储器分类,FlashMemory和通过紫外光线照射进行擦除的EPROM及通过特定字节进行擦除的EEPROM不同，闪存可以按块进行擦除和重写在EPROM和EEPROM工艺基础上产生性能价格比更好、可靠性更高的可擦写非易失性存储器具备了RAM的功能，具有高速编程的特点，以及高速的存储器访问周期，功耗很低，与计算机接口简单等优点闪存在经过10000次左右的擦除后，将失去存储能力，而磁盘可以用上好几年，不管擦写的频率有多高,73,存储器分类,FlashMemoryFALSH存储元是在EPROM存储元基础上发展起来FLASH存储器也翻译成闪速存储器，它是高密度非失易失性的读/写存储器。高密度意味着它具有巨大比特数目的存储容量非易失性意味着存放的数据在没有电源的情况下可以长期保存它既有RAM的优点，又有ROM的优点，称得上是存储技术划时代的进展,74,75,存储器分类,串行访问存储器对存储单元进行读写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻找地址。也称顺序存取存储器如磁带、磁盘,76,存储器分类,按在计算机中的作用分类主存储器：和CPU直接交换信息辅助存储器：主存的后援存储器主存速度快、容量小，价格高辅存速度慢、容量大，价格低缓冲存储器：用于两个速度不同的部件之间，起缓冲作用,存储器分类,77,78,存储器分类,按信息的可保存性分类易失性存储器断电后信息消失SRAM，DRAM非易失性存储器断电后仍能保存信息磁存储器、激光存储器等,79,存储器分类,存储器,主存储器,RAM,ROM,静态RAM,动态RAM,掩模式MROM,可编程式PROM,可擦写式EPROM,电擦写式EEPROM,FlashMemory,高速缓冲存储器（Cache）,辅助存储器磁盘、磁带、光盘,存储系统的层次结构,衡量存储器有三个指标：容量,速度和价格/位。用单一的存储器很难同时满足三个指标。因为存取时间越短，每位的价格就越高；容量越大，每位的价格就越低；容量越大，存取时间就越长。这必须用存储系统来实现。存储系统不是硬件的简单堆积，是硬件与软件相结合的方法连接起来成为一个系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储器容量与容量最大的那个存储器相等或接近，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。,80,由多种不同的存储器构成由硬件、软件或者硬件+软件相结合完成程序定位，使之成为一个整体。,CPU,M1,M2,Mn,存储系统,价格CiCi+1速度TiTi+1容量SiSi+1,CCnTT1SSn,存储系统的层次结构,81,存储系统的层次结构,82,硬盘阵列技术RAID,由于磁盘的存取速度跟不上CPU的处理速度，从而使磁盘成为提高服务器I/O能力的一个瓶颈。为解决计算机CPU的高速和磁盘的低速之间日益加剧的矛盾，1987年美国加利福尼亚大学伯克利分校的帕特森教授等人提出了RAID(RedundantArrayofIndependentDisks)的概念。其技术思想是：利用现有的小型廉价磁盘，把多个磁盘按一定的方法组成一个磁盘阵列，通过一些硬件技术和一系列的调度算法，使得整个磁盘阵列对用户来说，就像是在使用一个容量很大、而可靠性和速度非常高的大型磁盘。,83,硬盘阵列技术RAID,RAID特点首先，提高了存储容量，可以将多块硬盘组织起来，就像对一块硬盘那样进行读取操作;其次，多台磁盘驱动器可并行工作，提高了数据传输率，可以成倍地提高硬盘的数据读取速率，满足并发的数据访问请求;第三，由于有校验技术，提高了可靠性。,84,RAID5,RIAD5，硬盘分割，RAID5是目前应用最广泛的RAID技术。各块独立硬盘进行条带化分割，相同的条带区进行奇偶校验（异或运算），校验数据平均分布在每块硬盘上。以n块硬盘构建的RAID5阵列可以有n1块硬盘的容量，存储空间利用率非常高。任何一块硬盘上的数据丢失，均可以通过校验数据推算出来。RAID5具有数据安全、读写速度快，空间利用率高等优点，应用非常广泛，但不足之处是如果1块硬盘出现故障以后，整个系统的性能将大大降低。,85,直接连接存储模式存在诸多弊端,存储设备只能与一台服务器直接连接，只由这台服务器使用。用户要备份数据和存储数据，都要占用服务器CPU的时间，从而降低了服务器的管理效能。随着服务器的增多，数据管理会越来越复杂，工作量不断增加。如果增加存储设备，扩展存储容量，需要对服务器进行重新配置，这样做容易中断业务连续性，造成数据丢失。,86,直接存储（DAS，DirectlyAttachedStorage）,87,网络存储技术,自二十世纪末开始，存储技术的发展进入“存储网络”(StorageNetwork)时代。它将存储设备从应用服务器中分离出来，进行集中管理。存储网络具有以下特点：存储设备与主机之间是多对多的关系统一性：在逻辑上是完全一体的，实现数据的集中管理面向网络应用，容易扩充，伸缩性强共享存储系统,88,网络存储与传统存储的比较,存储系统的独立性数据共享的更加容易高速的数据传输更大的存储容量中心化数据管理多种多样的存储介质,89,云存储,网络存储与云计算相结合，构成了云存储技术。将网络中大量的各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的服务系统当云计算系统运算和处理的核心是大量数据的存储和管理时，云计算系统中需要配置大量的存储设备，则云计算系统就转变为一个云存储系统云存储：保证数据的安全性，节约存储空间,90,91,数据传输技术,数据传输技术,数据采集中的传输技术包括两大部分：本地数据传输：接口、总线等。远程数据传输：通信技术。通信技术传输网SDH同步数字传输体制交换网IP接入网种类繁多,92,有线接入技术,光纤PON无源光网络接入五类缆、超五类缆IEEE802.3系列标准同轴电缆CableModem双绞线xDSL电力线,93,无线接入技术,蜂窝移动通信系统GSM/GPRS/EDGECDMA1X/CDMA2000/WCDMA/HSPATD-SCDMA/HSPA/LTE/LTE-A无线局域网IEEE802.11系列标准短距离无线通信Zigbee蓝牙UWB,94,无线传感器网络,针对供电不变、单个节点采集速度较低、节点数非常多的应用场景；每个传感器节点直接带有微控制器和通信节点；能够互为路由，最终实现数据汇聚；节能是考虑的重点。PHY/MAC以IEEE802.15.4为主；网络层以Zigbee联盟定义的标准为主；,95,WSN特点和结构,无线传感器节点结构模块,96,WSN两种组网结构：,WSN通信体系平面结构,1，平面拓扑结构:所有的网络节点处于相同的平等地位,不存在任何的等级和层次差异,所以也被称为对等式结构。,WSN特点和结构,97,WSN特点和结构,WSN的逻辑分层结构,2，逻辑分层结构:网络节点按照某种规则（如地理位置、应用需求）分成各个簇，每个簇由簇头和成员节点构成。,98,WSN关键技术,网络拓扑控制技术内容：满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和节点选择，生成高效的数据转发的网络拓扑结构。目的：网络拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议效率,有利于节省节点的能量以延长网络生存期。热点：通过激活选定的节点集合，以能量有效的方式进行网络拓扑控制。GAF（从等效路由的角度选择工作节点）、SPAN（从维护WSN骨干传输网的角度选择工作节点）等算法,99,节点的连接和覆盖技术定义两种连接：纯连接（任意两个节点都能通信，包括直接和多跳，这是物理基础）路由连接（节点间通过某种路由算法连接，主要考虑能够快速传递数据、能耗最小，即考虑优化）；建立的连接模型主要涉及节点密度、通信距离、跳数、连接度。覆盖问题指为了保证整个区域都在监测范围内，需要按