第10章 数据采集与处理

1、第第10章章 数据采集与处理数据采集与处理张凯张凯 博士博士 教授教授计算机科学技术系计算机科学技术系电话：电话：1365721558013657215580邮件：邮件：第第10章章 数据采集与处理数据采集与处理l10.1信号采集与信号调理技术信号采集与信号调理技术l10.2数据采集常用电路数据采集常用电路l10.3模模/数，数数，数/模转换模转换l10.4计算机接口与数据采集计算机接口与数据采集l10.5数据采集系统的抗干扰技术数据采集系统的抗干扰技术10.1信号采集与信号调理技术l10.1.1数据采集数据采集l数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电

2、量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。l被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即每隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。10.1信号采集与信号调理技术l数据采集在多个领域有着十分重要的应用，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。利用串行或红外通信方式，实现对移动数据采集器的应用软件升级，通过制订上位机(PC)与移动数据采集器的通信协议，实现两者之间阻塞式通信交互过程。l在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域

3、，其领域已经发生了重要的变化。l10.1.2数据采集系统数据采集系统l1. 定义定义l数据采集系统是结合基于计算机（或微处理器）的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。10.1信号采集与信号调理技术l2数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能l由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能。l（1）数据采集计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样。l（2）模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量时中间没有间断。l（3）数字信号是指在有限的离散

4、瞬时上取值间断的信号。l（4）开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关和继电器触点等。10.1信号采集与信号调理技术l（5）二次数据计算把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据称为二次数据，二次数据计算主要有平均、累计、变化率、差值、最大值和最小值等。l（6）屏幕显示CRT显示装置可把各种数据以方便于操作者观察的方式显示出来，屏幕上显示的内容一般称为画面。常见的画面有相关画面、趋势图、模拟图、一览表等。l（7）数据存储就是按照一定的时间间隔，定期将某些重要数据存储在外部存储器上。l（8）打印输出就是按照一定的时间间隔或人为控制，定期将各种数

5、据以表格或图形的形式打印出来：l（9）人机联系是指操作人员通过键盘或鼠标与数据采集系统对话，完成对系统的运行方式、采样周期等参数进行设置。此外，还可以通过它选择系统功能、选择输出需要的画面等。10.1信号采集与信号调理技术l3数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式l数据釆集系统主要由硬件和软件两部分组成。从硬件方向来看，目前数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散型数据采集系统。l4数据采集系统的软件数据采集系统的软件l数据采集系统的正常工作，除了必须要有系统硬件这个物质基础外，还须有软件的支持。l10.1.3数据处理数据处理l通常，所采集到的数据，是

6、被测对象的某些物理量经过非电量到电量的转换，又经过放大或衰减、采样、编码、传输等环节之后所呈现出来的一种数据形式。显然，这种形式的数据(或信号)对数据使用者来说既不直观，也没有明确的物理意义，因而也是不便使用的。10.1信号采集与信号调理技术l1数据处理的类型l由数据采集系统的任务可知，系统除了采集数据外，还要根据实际需要，对采集到的数据进行各种处理。数据处理的类型有多种，一般根据以下方式分类。l（1）按处理的方式划分数据处理可分为实时(在线)处理和事后(脱机)处理。l（2）按处理的性质划分数据处理可分为预处理和二次处理两种。l2数据处理的任务l（1）对采集到的电信号做物理量解释l（2）消除数

7、据中的干扰信号l（3）分析计算数据的内在特征10.2数据采集常用电路l10.2.1模拟多路开关模拟多路开关l当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于模数转换器的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道都设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开关切换，即模拟量多路转换开关（MPX）。l10.2.2测量放大器测量放大器l在数据采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成模拟电信号，其往往是很微弱的微伏级信号(如热电偶的输出信号)，需要用放大器加以放大。10.2数据采集常用电路l10.2.3滤波器滤波器l滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而

8、得到纯净的直流电。滤波器就是对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。l滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。 10.3模/数，数/模转换l10.3.1模模/数转换数转换l1A/D转换器转换器l模数转换器是一种将模拟信号量转换成数字量的器件，它把采集到的采样模拟信号量化和编码后，转换成数字信号并输出。因此在将模拟量转换成数字量的过程中，模数转换器是核心器件，简称为A/D或ADC。l2A/D转换器的分类转换器的分类l（1）直接比较型即将输入的采样模拟量直接与作为标准的基准电压相比较，得到可按数字编码的离散量或直接得到数字量。l（2）间

9、接比较型即输入的采样模拟量不是直接与基准电压比较，而是将二者都变成中间物理量再进行比较，然后将比较得到的时间或频率进行数字编码。10.3模/数，数/模转换l10.3.2数数/模转换模转换l1D/A转换器的分类转换器的分类l数/模转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件，简称D/A转换器或DAC。它在数字控制系统中作为关键器件，用来把微处理器输出的数字信号转换成电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制或调节。l2D/A转换器的分类和组成lD/A转换器主要有两大类型：并行D/A转换器和串行D/A转换器。lD/A转换器的基本组成可分为四个部分：电阻网络、模拟切换开关、基准电源和运算放大器。10.4

10、计算机接口与数据采集l进入进入90年代，随着超大规模集成电路技术和微处理器结构年代，随着超大规模集成电路技术和微处理器结构体系研究的不断发展，体系研究的不断发展，CPU更新换代速度加快了，导致更新换代速度加快了，导致PC机及其兼容机迅速由机及其兼容机迅速由16位机转移到位机转移到32位机，并且大量涌入位机，并且大量涌入市场，伴随而来的是微机硬件价格越来越低，其性能价格市场，伴随而来的是微机硬件价格越来越低，其性能价格比则以惊人的速度迅速提高。比则以惊人的速度迅速提高。l10.4.1接口的功能特点及数据传送方式接口的功能特点及数据传送方式l1计算机与计算机与I/O接口接口l计算机控制系统的硬件，

11、除主机外，通常还包括两类外围计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类外围设备，一类是常规外围设备；另一类是被控设备设备，一类是常规外围设备；另一类是被控设备10.4计算机接口与数据采集l2接口类型接口类型l接口类型指的是电子白板与电脑系统采用的连接方式。目前电子白板与电脑连接的常见接口类型有并口（也有称之为IEEE 1284，Centronics）、串口（也有称之为RS-232接口的）和USB接口。 l并口又称为并行接口。l串口叫做串行接口，现在的PC 机一般有两个串行口COM 1 和COM 2 。lUSB 即“Universal Serial Bus ”，中文名称为通用串行总线。10.

12、4计算机接口与数据采集l3计算机和外部的通信方式计算机和外部的通信方式l计算机和外部交换信息又称为通信（Communication）。按数据传送方式分为并行通信和串行通信两种基本方式。l （1）并行通信就是把传送数据的n位数用n条传输线同时传送。其优点是传送速度快、信息率高。l（2）串行通信是数据按位进行传送。在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位的串行传送和接收。10.4计算机接口与数据采集l10.4.2数据采集的串行通信接口技术数据采集的串行通信接口技术l1串口通信串口通信l串口通信(Serial Communication)，是指外设和计算机间通过数据信号线、地线、控

13、制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。l2调制与解调调制与解调l 计算机通信时发送接收的信息均是数字信号，其占用的频带很宽，约为几MHz甚至更高；但目前长距离通信时采用的传统电话线路频带很窄，大约公有4kHz左右。10.4计算机接口与数据采集l 3同步通信和异步通信同步通信和异步通信l串行通信的数据是逐位传送的，发送方发送的每一位都具有因定的时间间隔，这就要求接收方也要按昭发送方以同样的时间间隔来接收每一位。l4. 串行数据校验串行数据校验l数字通信中一项很重要的技术是差错控制技术，包括对传送的数据自动地进

14、行校验，并在检测出错误时自动校正。10.5数据采集系统的抗干扰技术l干扰问题是机电一体化系统设计和使用过程中必须考虑的重要问题。在机电一体化系统的工作环境中，存在大量的电磁信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等。当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度，重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备损坏或人身伤亡。 10.5数据采集系统的抗干扰技术l10.5.1数据采集系统中常见的干扰数据采集系统中常见的干扰l1干扰的定义干扰的定义l干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系

15、统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。l电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。10.5数据采集系统的抗干扰技术l2形成干扰的三个要素形成干扰的三个要素l干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接受载体。三个要素缺少任何一项干扰都不会产生。l（1）干扰源。l（2）传播途径是指干扰信号的传播路径。l（3）接受载体是指受影响设备的某个环节吸收了干扰信号，转化为对系统造成影响的电器参数10.5数据采集系统的抗干扰技术l3电磁干扰的种类电磁干扰的种类l按干扰的耦合模式分类，电磁干扰包括下列类型。

16、l（1）静电干扰。l（2）磁场耦合干扰。l（3）漏电耦合干扰。l（4）共阻抗干扰。l（5）电磁辐射干扰。10.5数据采集系统的抗干扰技术l4干扰存在的形式干扰存在的形式l在电路中，干扰信号通常以串模干扰和共模干扰形式与有用信号一同传输。l（1）串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰。l（2）共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口端的共有信号干扰。10.5数据采集系统的抗干扰技术l10.5.2数据采集系统抗干扰的措施数据采集系统抗干扰的措施l提高抗干扰的措施最理想的方法是抑制干扰源，使其不向外产生干扰或将其干扰影响限制在允许的范围之内。l1屏蔽屏蔽l 屏蔽是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。10.5数据采集系统的抗干扰技术l2隔离隔离l 隔离是指把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，而干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离。l（1）光电隔离。l（2