x2过程输入输出通道技术

1、1 过程控制过程控制 Process Control 下篇下篇 计算机控制技术计算机控制技术 第第2章章 过程输入输出通道技术过程输入输出通道技术内蒙古科技大学信息工程学院测控技术与仪器专业内蒙古科技大学信息工程学院测控技术与仪器专业2u 本章要求本章要求基本要求：基本要求：掌握模拟量、数字量输入输出技术；掌握模拟量、数字量输入输出技术； 深刻理解数字滤波及数据处理方法。深刻理解数字滤波及数据处理方法。重点：重点：模拟量输入输出技术；模拟量输入输出技术； 数字滤波与数据处理。数字滤波与数据处理。3本章提要本章提要 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控

2、制，要将对象的控制参数及运行状态按规定的控制，要将对象的控制参数及运行状态按规定的方式送入计算机，计算机经过计算、处理后，的方式送入计算机，计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时需将数字量变将结果以数字量的形式输出，此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机和生换为适合生产过程控制的量，因此在计算机和生产过程之间，必须设置完成信息的传递和变换的产过程之间，必须设置完成信息的传递和变换的装置，称为过程输入输出通道，也叫装置，称为过程输入输出通道，也叫I/O通道。通道。4第第2章章 过程输入输出通道技术过程输入输出通道技术 2.1 概述概述 2.2 数字量输入输出通道数

3、字量输入输出通道 2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.4 模拟量输出通道模拟量输出通道 2.5 数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理5第2章 过程输入输出通道技术 2.1 概述2.1.1 模拟量输入通道的一般结构模拟量输入通道的一般结构2.1 概述概述过程输入输出通道过程输入输出通道模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道开关量输入输出通道开关量输入输出通道模拟量输入通道模拟量输入通道(AI)(AI)是计算机用于工业控制、自动测是计算机用于工业控制、自动测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研究时必需试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到

4、的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是A/D转换器及其微处理机的接口。转换器及其微处理机的接口。 6模拟量输入通道的基本结构模拟量输入通道的基本结构 模拟量输入通道一般应包括：传感器、多路转换开关、模拟量输入通道一般应包括：传感器、多路转换开关、放大器、采样保持器、放大器、采样保持器、A/D转换器等几个组成部分。转换器等几

5、个组成部分。第2章 过程输入输出通道技术 2.1 概述7u模拟量输入通道的结构形式模拟量输入通道的结构形式 模拟输入通道按采样保持器模拟输入通道按采样保持器S/H可分为共享可分为共享S/H形式形式和多路和多路S/H形式。形式。第2章 过程输入输出通道技术 2.1 概述8模拟输出通道模拟输出通道(AO)(AO)有两种结构形式有两种结构形式: :第2章 过程输入输出通道技术 2.1 概述2.1.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构(1) 多多D/A结构结构9模拟输出通道模拟输出通道(AO)(AO)有两种结构形式有两种结构形式: :第2章 过程输入输出通道技术 2.1 概述2.1.2

6、 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构(2)共享共享D/A结构结构10第2章 过程输入输出通道技术 2.1 概述2.1.3 开关量（数字量）输入通道的基本结构开关量（数字量）输入通道的基本结构开关量输入通道开关量输入通道(DI)(DI)的任务主要是将现场输入的开关信号经的任务主要是将现场输入的开关信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。辑信号。开关量输入通道在控制系统中主要起以下作用：开关量输入通道在控制系统中主要起以下作用：1 1）定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在）定时记录生产过程中某

7、些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等。运转、阀门是否开启等。2 2）对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进）对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若有异常，及时向主机发出中断请求信号，申请故行处理。若有异常，及时向主机发出中断请求信号，申请故障处理，保证生产过程的正常运转。障处理，保证生产过程的正常运转。11第2章 过程输入输出通道技术 2.1 概述2.1.3 开关量（数字量）输入通道的基本结构开关量（数字量）输入通道的基本结构开关量输入通道结构框图开关量输入通道结构框图12第2章 过程输入输出通道技术 2.1 概述2.1.4 开关量（数字量）输出

8、通道的基本结构开关量（数字量）输出通道的基本结构开关量输出通道结构框图开关量输出通道结构框图13第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2.2 数字量输入输出通道数字量输入输出通道数字量（开关量）信号数字量（开关量）信号开关的闭合与断开开关的闭合与断开指示灯的亮与灭指示灯的亮与灭继电器或接触器的吸合与释放继电器或接触器的吸合与释放马达的启动与停止马达的启动与停止可控硅的通与断可控硅的通与断 能将生产过程中的数字信号传送给计算机，将计算机能将生产过程中的数字信号传送给计算机，将计算机输出的数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动输出的数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱

9、动信号的通道即为数字量输入输出通道。信号的通道即为数字量输入输出通道。14第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2.2.1数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术 对生产过程的控制，常常需了解生产过程的状态信息，对生产过程的控制，常常需了解生产过程的状态信息，根据状态信息，决定如何给出控制量。要获得状态信息则根据状态信息，决定如何给出控制量。要获得状态信息则必须通过输入接口。如必须通过输入接口。如三态门缓冲器三态门缓冲器74LS244 （见（见P26）可以用来隔离输入输出线路，在两者之间起缓冲作用。它可以用来隔离输入输出线路，在两者之间起缓冲作用。它有有8个通道可输入个通

10、道可输入8个开关状态。个开关状态。1. 数字量输入接口数字量输入接口2. 数字量输出接口数字量输出接口 当对生产过程进行控制时，一般应对计算机输出的控制当对生产过程进行控制时，一般应对计算机输出的控制状态进行保持，直到重新刷新为止，此时便需利用输出接口状态进行保持，直到重新刷新为止，此时便需利用输出接口对其进行锁存。如对其进行锁存。如8D锁存器锁存器74LS273 （见（见P26）。）。它有它有8个个通道可输出通道可输出8个开关状态，并可驱动个开关状态，并可驱动8个输出装置。个输出装置。15第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2.2.2 数字量输入通道数字量输入通道1. 数

11、字量输入通道的结构数字量输入通道的结构16第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2.2.2 数字量输入通道数字量输入通道（1）直流输入信号调理电路）直流输入信号调理电路2. 输入调理电路输入调理电路对外部信号进行电平转换、滤波、隔离和过电压保护等处理。对外部信号进行电平转换、滤波、隔离和过电压保护等处理。开关量消抖电路开关量消抖电路17第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道（1）直流输入信号调理电路）直流输入信号调理电路 在大功率系统中，为了使接点工作可靠，接点两端至少在大功率系统中，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加要加24V以上的直流电压。响应快、不易

12、产生干扰。以上的直流电压。响应快、不易产生干扰。电平转换及光电隔离电路电平转换及光电隔离电路18第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2.2.2 数字量输入通道数字量输入通道（2）交流输入信号调理电路）交流输入信号调理电路2. 输入调理电路输入调理电路整流桥整流桥19 对于只有两种工作状态的执行机构或器件，用对于只有两种工作状态的执行机构或器件，用计算机控制系统输出开关量来控制它们，例如控制计算机控制系统输出开关量来控制它们，例如控制马达的启动和停止，信号指示灯的亮和灭，电磁阀马达的启动和停止，信号指示灯的亮和灭，电磁阀的打开与关闭，继电器的接通与断开，步进电机的的打开与关闭

13、，继电器的接通与断开，步进电机的运行等。运行等。 开关量输出通道的任务就是把计算机输出的开开关量输出通道的任务就是把计算机输出的开关信号传送给这些执行机构或器件。关信号传送给这些执行机构或器件。2.2.3 数字量输出通道数字量输出通道第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道20第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2.2.3 数字量输出通道数字量输出通道1. 数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构21第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2.2.3 数字量输出通道数字量输出通道2. 输出驱动电路输出驱动电路 要把计算机输出的微弱数字信号转换

14、成能对生产要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号，关键在于输出通道中的功过程进行控制的驱动信号，关键在于输出通道中的功率驱动电路。率驱动电路。输出量驱动电路的构成方式：输出量驱动电路的构成方式： 大大/中中/小功率晶体管小功率晶体管 可控硅可控硅 达林顿阵列驱动器达林顿阵列驱动器 固态继电器固态继电器 22低电压开关量信号输出技术低电压开关量信号输出技术+5VR11VCR2 低压开关量输出第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道 对于低压情况下开关量控制输出，可采用晶体管，对于低压情况下开关量控制输出，可采用晶体管，OC门或运放等方式输出。门或运放等方

15、式输出。 如驱动低压电磁阀、指示灯、直流电机等。如驱动低压电磁阀、指示灯、直流电机等。23低电压开关量信号输出技术低电压开关量信号输出技术第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道 如果被驱动设备所需驱动电流较大，则可如果被驱动设备所需驱动电流较大，则可采用三极管输出方式。采用三极管输出方式。R2R1RLVC三极管输出驱动24 开关量输出隔离的目的在于隔断微型计算机与执行机开关量输出隔离的目的在于隔断微型计算机与执行机构之间的直接电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干构之间的直接电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成执行机构的误动作，甚至导致计算机控制系统扰因素造成执行

16、机构的误动作，甚至导致计算机控制系统本身的损坏。本身的损坏。第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2. 输出驱动电路输出驱动电路25第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2. 输出驱动电路输出驱动电路功率晶体管输出驱动继电器功率晶体管输出驱动继电器26第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2. 输出驱动电路输出驱动电路MC1416驱动驱动7个继电器个继电器27第2章 过程输入输出通道技术 2.2 数字量输入输出通道2. 输出驱动电路输出驱动电路固态继电器及用法固态继电器及用法28第2章 过程输入输出通道技术 2.3 模拟量输出通道2.3 模

17、拟量输出通道模拟量输出通道 模拟量输出通道的核心部件是模拟量输出通道的核心部件是D/A转换器。转换器。是将数字量转换成模拟量的元件或装置，它输是将数字量转换成模拟量的元件或装置，它输出的模拟量（电压或电流）与参考电压和二进出的模拟量（电压或电流）与参考电压和二进制数成比例。制数成比例。D/A转换器工作原理及接口技术在智能化仪表课程中讲授。29第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道2.4 模拟量输入通道模拟量输入通道1.信号的采样信号的采样2.4.1模拟量输入通道中的信号变换模拟量输入通道中的信号变换模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。模拟信号到数字信号的转换包含

18、信号的采样和量化两个过程。 采样是按一定的时间间隔T对时间和幅值上均连续的模拟信号y(t)进行取值的过程，得到时间上离散的采样信号y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。离散信号是时间离散、幅值连续的信号。30第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道1.信号的采样信号的采样2.4.1模拟量输入通道中的信号变换模拟量输入通道中的信号变换31第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道1.信号的采样信号的采样2.4.1模拟量输入通道中的信号变换模拟量输入通道中的信号变换采样定理：采样定理：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的如果模拟信号（包括噪声干扰在

19、内）频谱的最高频率为最高频率为fmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率ffmax 进行采样，进行采样，那么采样信号那么采样信号y*(t)就能惟一地复现就能惟一地复现y(t).采样定理给出了采样定理给出了y*(t) 惟一地复现惟一地复现y(t)所必须的最低采样频率。所必须的最低采样频率。实际应用中，常取实际应用中，常取f （510）fmax。32第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道2.信号的量化信号的量化2.4.1模拟量输入通道中的信号变换模拟量输入通道中的信号变换 采样信号是时间离散、幅值连续的信号。必须变成数字采样信号是时间离散、幅值连续的信号。必须变成数字信号才能进入微

20、机。信号才能进入微机。 将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是量化动作的装置是A/D转换器。转换器。n 位位A/D转换器转换器采样信号采样信号(yminymax)数字（数字（02n-1）最低有效位最低有效位(LSB)所对应的模拟量所对应的模拟量q称为量化单位。称为量化单位。nyyq2minmax33 在计算机控制系统的AD转换中，为了适应量化过程所需的转换时间的要求，在采样开关之后总是连接着零阶保持器，对采样开关输出的采样信号进行保持。记为SH (sampleHold)，其传递函数框图如图所示。第2章 过程输入输出通道技

21、术 2.4 模拟量输入通道2.信号的量化信号的量化2.4.1模拟量输入通道中的信号变换模拟量输入通道中的信号变换34第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道2.4.2 A/D转换器转换器2.4.3 常用常用A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术2.4.4 A/D转换模版转换模版课外自学。课外自学。在在智能化仪表智能化仪表课程中讲授。课程中讲授。35* * * 数据采集卡数据采集卡 * * *为了满足IBM-PC机及其兼容机用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的数据采集板卡（或I/O板卡）。这类板卡均参照IBM-PC机的总线技术标准设计和生产，用户只要把这类板卡

22、插入IBM-PC机主板上相应的I/O扩展槽中，就可以迅速方便地构成一个数据采集与处理系统，从而大大节省了硬件的研制时间和投资，又可以充分利用IBM-PC机的软硬件资源，还可以使用户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法进行研究、进行系统设计以及程序的编制等。第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道36数据采集卡的种类数据采集卡的种类 基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡(A/D卡)、模拟量输出板卡(D/A卡)、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多个功能，如数字量输入/输出板卡

23、将模拟量输入和数字量输入/输出集成在同一张卡上。根据总线的不同，可分为PCI板卡和ISA板卡。 还有其它一些专用I/O板卡，如虚拟存储板（电子盘）、信号调理板、专用（接线）端子板等，这些种类齐全、性能良好的I/O板卡与IPC配合使用，使系统的构成十分容易。 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道37值得一提的是智能接口板卡值得一提的是智能接口板卡 PCI-5121智能智能CAN接口卡接口卡第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道38常用的数据采集卡常用的数据采集卡 1模拟量输入卡（模拟量输入卡（A/D卡）卡） 在工业测控系统中，输入信号往往是模拟量，这就需要一个装置把

24、模拟量转换成数字量，各种A/D芯片就是用来完成此类转换的。在实际的计算机测控系统中，不是以A/D芯片为基本单元，而是制成商品化的A/D板卡。 模拟量输入板卡根据使用的A/D转换芯片和总线结构不同，性能有很大的区别。板卡通常有单端输入、差分输人以及两种方式组合输入三种。板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板卡通常采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡模拟信号采集的精度和速度指标通常由板卡所采用的A/D转换芯片决定。 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道39例如，下图所示为研华PCI-1713模拟量输入卡

25、。该板卡具有32 路单端或16 路差分模拟量输入，或组合输入方式，12位A/D转换分辨率，A/D转换器的采样速率可达100 kHz，每个输入通道的增益可编程，卡上有4K采样FIFO缓冲器，2500VDC 隔离保护，支持软件、内部定时器触发或外部触发。 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道402模拟量输出卡（模拟量输出卡（D/A卡）卡） 计算机内部处理采用的是数字量，而执行机构计算机内部处理采用的是数字量，而执行机构采用的是模拟量。计算机通过采用的是模拟量。计算机通过D/AD/A板卡将数字板卡将数字量转化为模拟量，从而通过控制执行机构的动量转化为模拟量，从而通过控制执行机构的动作

26、去控制生产工艺过程。作去控制生产工艺过程。 D/A转换板卡同样依据其采用的转换板卡同样依据其采用的D/A转换芯转换芯片的不同，转换性能指标有很大的差别。片的不同，转换性能指标有很大的差别。 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道41例如，下图所示为研华PCI-1720U模拟量输出卡。该板卡具有四路12 位D/A 输出通道，多种输出范围。由于能够在输出和PCI总线之间提供2500VDC的隔离保护，PCI-1720非常适合需要高电压保护的工业场合。 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道423数字量输入数字量输入/输出卡（输出卡（I/O卡）卡） 计算机测控系统通过数字量

27、输入板卡采集工计算机测控系统通过数字量输入板卡采集工业生产过程的离散输入信号，并通过数字量业生产过程的离散输入信号，并通过数字量输出板卡对生产过程或控制设备进行开关式输出板卡对生产过程或控制设备进行开关式控制（二位式控制）。控制（二位式控制）。将数字量输入和数字量输出功能集成在一块将数字量输入和数字量输出功能集成在一块板卡上，就称为数字量输入板卡上，就称为数字量输入/输出板卡，简称输出板卡，简称I/O板卡。板卡。 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道43例如，下图所示为研华PCI-1730数字量输入/输出卡，它提供了16路数字量输入和16路数字量输出，高输出驱动能力和中断能力，

28、具有2500VDC高电压隔离I/O通道。第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道444脉冲量输入脉冲量输入/输出板卡输出板卡 工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋转编码器、流量检测信号等，这些都要用脉冲量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。脉冲量输入/输出板卡可以实现脉冲数字量的输出和采集，并可以通过跳线器选择计数、定时、测频等不同工作方式，计算机可以通过该板卡方便地读取脉冲计数值，也可测量脉冲的频率或产生一定频率的脉冲。考虑到现场强电的干扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计算机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡测量的抗干扰能力。第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入

29、通道45例如，下图所示的研华PCI-1780U计数器/定时器卡，是基于PCI总线设计的接口卡。该卡使用了AM9513芯片，能够通过CPLD实现计数器/定时器功能。此外，该卡还提供8个16位计数器通道，并具有8通道可编程时钟资源，8路TTL数字量输出/8路TTL数字量输入，最高输入频率达20MHz，有多种时钟可以选择，可编程计数器输出，同时有计数器门选通功能。 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道46远程远程I/O模块模块 远程I/O模块又称为牛顿模块，为近年来比较流行的一种I/O方式，它安装在工业现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作。 远程I/

30、O以通讯方式和计算机交换信息，通讯接口一般采用RS-485总线，通讯协议与模块的生产厂家有关，但都是采用面向字符的通讯协议。 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道47有线传输介质有线传输介质 1 1双绞线电缆双绞线电缆双绞线电缆（简称双绞线）是将一对或一对以上的双绞线双绞线电缆（简称双绞线）是将一对或一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质。封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质。 1）非屏蔽双绞线）非屏蔽双绞线 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道2 2）屏蔽双绞线）屏蔽双绞线 无线传输介质无线传输介质 有线传输介质有线传输介质 * * *

31、信息传输介质信息传输介质 * * *482.2.同轴电缆同轴电缆 第2章 过程输入输出通道技术 2.4 模拟量输入通道3.3.扁平电缆扁平电缆 4.光导纤维光导纤维49第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2.5 数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理2.5.1 数字滤波数字滤波 为了减少干扰对采样值的影响，提高系统的性能，为了减少干扰对采样值的影响，提高系统的性能，一般在进行数据处理之前先要对采样值进行数字滤波。一般在进行数据处理之前先要对采样值进行数字滤波。 所谓所谓数字滤波数字滤波，就是通过一定的计算程序减少，就是通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信号中的比重。干扰信号

32、在有用信号中的比重。优点：（与模拟滤波器相比）优点：（与模拟滤波器相比）用程序实现，不需增加硬件设备，很容易实现。多个通道可共用一个滤波程序。用程序实现，不需增加硬件设备，很容易实现。多个通道可共用一个滤波程序。可靠性高，稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。可靠性高，稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。通过改写数字滤波程序即可实现不同的滤波方法或调整滤波参数。通过改写数字滤波程序即可实现不同的滤波方法或调整滤波参数。50第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理

33、2.5.1 数字滤波数字滤波几种常用的数字滤波方法：几种常用的数字滤波方法：1.程序判断滤波程序判断滤波 当采样信号由于随机干扰、误检或者变送器不稳定等当采样信号由于随机干扰、误检或者变送器不稳定等原因引起严重失真时，可以采用程序判断滤波。原因引起严重失真时，可以采用程序判断滤波。方法：方法：根据经验确定两次采样信号可能出现的最大偏差根据经验确定两次采样信号可能出现的最大偏差Y，若相邻两次采样信号的差值大于若相邻两次采样信号的差值大于Y，则表明该采样信号是，则表明该采样信号是干扰信号，应该去掉；若小于干扰信号，应该去掉；若小于Y，则表明没有受到干扰，可，则表明没有受到干扰，可将该信号作为本次采

34、样值。将该信号作为本次采样值。l限幅滤波限幅滤波l限速滤波限速滤波51第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2.5.1 数字滤波数字滤波几种常用的数字滤波方法：几种常用的数字滤波方法：1.程序判断滤波程序判断滤波（1）限幅滤波）限幅滤波111,nnnnnnnnYYYYYYYYYY则则（2）限速滤波）限速滤波。（则若；则若；，再取则保留若；则若2/ ),32233233212212YYYYYYYYYYYYYYYYYYYYY 程序判断滤波可以用于变化比较缓慢的参数，如温度、程序判断滤波可以用于变化比较缓慢的参数，如温度、液位等。关键在于液位等。关键在于Y的选取，通常根据经验数据获

35、得，的选取，通常根据经验数据获得，必要时可由实验得出。必要时可由实验得出。52第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2.5.1 数字滤波数字滤波几种常用的数字滤波方法：几种常用的数字滤波方法：2.中值滤波中值滤波 对被测参数连续采样对被测参数连续采样n次（次（n3，且为奇数，且为奇数)。将其从小。将其从小到大（或从大到小）排序，取中间值作为本次采样值。到大（或从大到小）排序，取中间值作为本次采样值。 中值滤波能有效地滤去脉动性质的干扰，对变化缓慢的中值滤波能有效地滤去脉动性质的干扰，对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但对快速变化过程的参数则不被测参数有良好的滤波效果，但对

36、快速变化过程的参数则不宜使用（如流量）。宜使用（如流量）。 n值一般取值一般取35即可。即可。53第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2.5.1 数字滤波数字滤波几种常用的数字滤波方法：几种常用的数字滤波方法：3.算术平均值滤波算术平均值滤波 算术平均值滤波适用于对压力、流量等周期脉动信号的算术平均值滤波适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值附近作上下波动，平滑，这种信号的特点是往往在某一数值附近作上下波动，有一个平均值。对信号的平滑程度取决于有一个平均值。对信号的平滑程度取决于N。 对于一般流量，通常取对于一般流量，通常取N=12; 若为压

37、力，则取若为压力，则取N=4.NiiXNY1154第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2.5.1 数字滤波数字滤波几种常用的数字滤波方法：几种常用的数字滤波方法：4.加权平均滤波加权平均滤波 加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值越靠后，加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值越靠后，赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例，系统对正常变化的灵敏性也可提高，当然对干扰的灵例，系统对正常变化的灵敏性也可提高，当然对干扰的灵敏性也稍大。敏性也稍大。10niininXY.1,1010niii其中55第2章 过程输入输

38、出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2.5.1 数字滤波数字滤波几种常用的数字滤波方法：几种常用的数字滤波方法：5.防脉冲干扰平均值滤波（复合滤波）防脉冲干扰平均值滤波（复合滤波） 这种方法兼容了算术平均值法和中值滤波法的优点。这种方法兼容了算术平均值法和中值滤波法的优点。它既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样进行平滑加工，在它既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样进行平滑加工，在快、慢速系统中都能削弱干扰，提高控制质量。当采样点快、慢速系统中都能削弱干扰，提高控制质量。当采样点数为数为3时，便是中值滤波。时，便是中值滤波。)2/()(, )143(13221NxxxYNxxxNN则若56第2章 过程

39、输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2.5.1 数字滤波数字滤波几种常用的数字滤波方法：几种常用的数字滤波方法：6.一阶滞后滤波一阶滞后滤波 算术平均值法滤波属于静态滤波，主要适用于变化比较算术平均值法滤波属于静态滤波，主要适用于变化比较快的参数，如压力、流量等。对于慢速随机变化的参数，采快的参数，如压力、流量等。对于慢速随机变化的参数，采用在短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果不太好。用在短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果不太好。在这种情况下，通常采用动态滤波法，如一阶滞后滤波法。在这种情况下，通常采用动态滤波法，如一阶滞后滤波法。1)1 (nnnYXY 一阶滞后滤波也

40、称为惯性滤波，适用于波动频繁的工艺一阶滞后滤波也称为惯性滤波，适用于波动频繁的工艺参数滤波，它能很好地消除周期性干扰，但也带来相位滞后。参数滤波，它能很好地消除周期性干扰，但也带来相位滞后。采样周期。滤波环节时间常数；滤波平滑系数，TT);/( 57第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2.5.2 线性化处理线性化处理 在数据采集与处理系统中，一般总希望系统的输出和输入在数据采集与处理系统中，一般总希望系统的输出和输入呈简单的线性关系，以便使显示仪表具有均匀刻度，且仪表在呈简单的线性关系，以便使显示仪表具有均匀刻度，且仪表在整个测量范围内灵敏度一致。否则需要引入非线性补偿，称

41、为整个测量范围内灵敏度一致。否则需要引入非线性补偿，称为线性化处理。线性化处理。线性化方法线性化方法计算法计算法查表法查表法折线法折线法581 1计算法计算法 若测量数据与转换的电信号有明确的数学表达式，且该表达式又便于计算，则可利用计算机强大的计算功能按公式进行计算，实现非线性补偿。第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理2 2查表法查表法 所谓查表法，就是预先编制一张表格，把有非线性关系的两个参数按一定顺序置于表内，然后通过查表程序根据被测参数的值最终查出所需的结果。查表方法顺序查表法计算查表法对分查表法表格排列有序表无序表593 3折线法折线法( (线性插值法线性插值法)

42、 ) 在实际工作中，除了上述非线性参数关系可以用数在实际工作中，除了上述非线性参数关系可以用数学式表达或有序表格表示的情况外，还有许多参数的非学式表达或有序表格表示的情况外，还有许多参数的非线性规律只能通过一条曲线来表示，对于这种情况常用线性规律只能通过一条曲线来表示，对于这种情况常用折线法及非线性插值逼近法来解决。折线法及非线性插值逼近法来解决。第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理 折线近似法的原理是将曲线按一定要求分成若干段，折线近似法的原理是将曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻分段点用折线连接起来，用此折线拟合该段的然后把相邻分段点用折线连接起来，用此折线拟合该段的

43、曲线，在此折线内的关系用直线方程表示。曲线，在此折线内的关系用直线方程表示。60折线方程为折线方程为将曲线分段的方法有两种。(1) 等距分段法(2) 不等距分段法第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理3 3折线法折线法( (局部线性化法局部线性化法) )61例：热电偶非线性特性的开环补偿方法例：热电偶非线性特性的开环补偿方法热电偶热电偶冷端温补冷端温补放大器放大器K线性化器线性化器tu0Et（mV）u1数显表数显表非线性特性非线性特性线性特性线性特性非线性特性非线性特性tmVEt)(非线性特性，由分度表给出非线性特性，由分度表给出)(1VEKut线性放大器线性放大器10 uu与热电偶特性互补的非线性特性与热电偶特性互补的非线性特性tSu0输出特性为线性输出特性为线性第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理62第2章 过程输入输出通道技术 2.5 数字滤波和数据处理线性插值的计算机实现步骤：线性插值的计算机实现步骤：（1）用实验法确定非线性关系曲线）用实验法确定非线性关系曲线y=f(x).（2）将曲线分段，确定转折点）将曲线分段，确定转折点.（3）存放转折点坐标）存放转折点坐标.（4）确