计算机控制第四章

1、第第4章章 数据采集与处理技术数据采集与处理技术4.1 数据采集系统概述数据采集系统概述4.2 模拟数据采集技术模拟数据采集技术4.3 模拟采集数据后处理技术模拟采集数据后处理技术4.4 开关量数据采集技术开关量数据采集技术4.5 虚拟仪器虚拟仪器24.1 数据采集系统概述数据采集系统概述4.1.1 数据采集系统概念数据采集系统概念 仅完成数据采集与处理功能的系统称为数据采集系统(DAS)，DAS不对生产过程实施自动控制，不对生产过程产生直接影响。 在大型企业中，大量的过程参数需要很多的仪器仪表，往往占用较大的场地，不便于迅速观测数据，亦不直观。微型计算机具有灵活、方便、运算速度快、判断能力强

2、等特点。 微机数据采集系统的任务是对生产现场的过程参数定时进行检测 、记录、存储、处理、打印、制表、显示及越限报警等。 数据采集包含了连续量和开关量两种不同性质的信号检测和处理，方法不一样。34.1.2 基本功能基本功能 1. 具有实时时钟，该时钟作用： （1）保证系统能具备定时中断功能； （2）确定采集数据的周期； （3）显示和打印采集时同时显示和打印此刻的时，分，秒，操作，操作员可据此对采集结果进行时间分析，或作分析参考； 2. 具有分时，巡回检测或指定检测功能（多通道）； 3. 对采集的数据具有检查和处理能力： 检查：分有效性和越限两种； 处理：数字滤波，线性矫正，量纲变化等。 4. 声

3、光报警功能：提示操作人员进行人工干预； 5. 存贮采集的数据； 6. 定时或按需随时打印采集的数据； 7. 有监控功能：可随时接收键盘输入的命令，以达到随时选择采集，显示，打印之目的。4启动初始化开中断延时读键盘显示读键盘YN有键按下？数键处理功能1功能N功能2YYNN有键按下？数键否？ 采集系统基本程序体系由主程和时间中断服务程序两部分构成。 主程:为监控系统，实施对键盘与显示器管理，流程如图所示。5时间中断服务程序时间中断服务程序: 主要功能 （1）时，分，秒计时； （2）时间显示； （3）采样时间间隔； （4）定时功能启动，如定时打印，定时显示，定时接通/关断，定时脉冲发出等； （5）由

4、于为各通道分时采样所以要进行通道计数； （6）采集存贮当前通道的数据； （7）数据处理：滤波，非线性矫正，量纲转变，有效性检查，越界检查等； (8) 报警：当数据越界后，进行声光报警。 6定时中断入口时，分，秒计数时间显示采样时间间隔计数采集存贮一个通道数据通道号计数显示检测结果数据处理YN最后一个通道？报警YN数据超限？打印Y返回NN打印时间到？采样时间到？74.1.3 设计数据采集系统应考虑的一些问题设计数据采集系统应考虑的一些问题 纯模拟量模拟量采集系统的设计重点考虑 1) 分辨率和精度：A/D转换器的位数要求。 2) 采集的模拟量通道数：系统的结构方案。 3) 采样周期 ：信号处理中采

5、样周期的选取和闭环控制系统中采样周期的选取。纯开关量开关量采集系统的设计重点考虑 1）状态电平匹配; 2）开关量数据采集的通道数：数值型开关量和状态型开关量应严格分别设置通道采集。 3）采集实施方案选择： 定时采集：无条件定时采集和定时中断采集。 定事件采集：状态查询采集和事件信号中断采集。8 4.2 模拟数据采集技术 4.2.1模拟数据采集电路 INTXCD4051：8路集成模拟切换开关LF398： 采样保持器AD574： 12位A/D转换器94.2.2 模拟数据采集方式及软件流程图 模拟数据采样的特点是:数据由A/D转换器提供；CPU获取由A/D转换器提供的结果。CPU怎样获取转换结果关键

6、在于数据采集系统中如何对A/D转换器进行控制，即采集软件与采样电路有关。 1)数据采集的控制方式 根据微机控制系统的接口原理及AD转换时间的长短、系统工作速度的要求等，常见的采集控制方式有延时、查询、中断、延时、查询、中断、DMADMA等四种。 延时方式 当采集系统实时性要求不高并且已知A/D的转换时间时，可以采用先启动A/D转换器然后通过程序延时最后读转换结果的方式。这种情况比较简单，无需状态信号。10 Mov dptr, #78ffh mov r0,#8 mov r1,#30h next:mov r2,#25 movx dptr,a djnz r2,$ movx a, dptr mov r

7、1,a inc r1 inc dph djnz r0,next ret 11 查询方式 在启动A/D后，根据A/D提供的状态信号采用程序查询方式进行巡回检测。 中断方式 延时和查询式中，A/D转换期间CPU一直处于等待状态，不能进行其他操作，当A/D转换速度较慢时，会浪费大量CPU时间，可以采用中断的方式进行数据采集。基A/D转换的时间很短，与系统中断时间相当，采用中断的意义就不大了，甚至可能 更浪费时间。 DMA方式122)数据采集软件的流程图 读键盘启动初始化开中断等待开中断打印键?打印其他功能键处理中断返回数据采集完毕?数据处理显示？越限 报警开中断中断返回NYNa) 主程序B)键盘中断

8、程序C) 定时中断图4-7 数据采集的基本程序框图YNY134.2.3 模拟量数据采集的预处理方法 由于工业控制对象的工作环境一般比较恶劣，干扰源较多，模拟量A/D转换后，采集到的数字量还要作适当的处理后才能作用。处理方法主要有输入数据的有效性检查和数字有效性检查和数字滤波滤波等。1 有效性检查（有效性检查（PminPmax） （1）电路故障：如传感器（测量元件），放大器，变速器（接口器件），通道器件等故障，将导致无效数据，即使A/D数据大于Pmax或小于Pmin； （2）转送线路开路； （3）输入端超限量输入。 为保证系统的可靠性，常采用有效性检查方法。 检查标准：电流420mA，电压15V

9、 经检查A/D数据不在上述范围，计算机可产生报警或显示故障通道号等。 检查算法：设Pmax为有效值上限，Pmin为有效值下限，算法流程如图所示： 14入口读入D显故障通道号报警置数据有效标志返回置下限标志N置上限标志NYDPmaxD CN-1 C1 0C1、C2、CN的取值根据具体情况选取，并通过调试确定。加权平均滤波能协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提高灵敏度，适用于纯滞后较大的对象。例如，某纯滞后时间为的被控对象，采用m =4的加权平均滤波算式为y(k)=C1 x1+ C2 x2+ C3x3 + C4x4 ，其中kii1yxNii1011Nii且。31ReC22ReCReC3RC14123

10、eeeRu5.中值滤波:x1，x2，x3分别为三次采样值，取其中的中间值为本次有效采样值。u适用于偶然因素引起采样值波动的脉冲干扰，对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但不适用于快速变化的过程参数。u6.防脉冲干扰的算术平均滤波（群体裁判法）:去最大，最小，剩下的求平均值，作为本次滤波输出。22 ：本次采样值； ：本次滤波值； ：上次滤波值。 RC是根据干扰信号频率来选择的。所以值与干扰频率相关。TRCRC其中： kxky1ky 7.惯性滤波：由于大的时间常数及高精度的RC电路不易制作，所以硬件RC 滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。利用数字滤波器模拟RC低通滤波器的输入输出的数学关系，

11、以代替实际RC难以完成的大R，大C滤波效果。低通RC网络离散化数学模型为： kkkxyy)1(123小结：数字滤波与硬件RC网络滤波各有其优缺点，可以独用，也可合用。依据对象选择方法如下： （1）温度等慢变化过程的对象，可采用限幅，限速或惯性； （2）压力，流量变化过程较快的对象，可采用算术平均法； （3）检测精度较高的系统，可采用复合数字滤波法。 若方法选择不当，有时会将有用信号滤除。244.3.1 误差校正误差校正在控制系统的模拟量输入通道中，一般存在传感器温度漂移、放大器等器件的零点偏移的现象，这些都会造成误差，从而影响测量数据的准确性，这些误差称为系统误差系统误差。 特点：在一定的测量

12、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。 方法：一般采用软件程序进行处理，对系统误差进行自动校准。4.3 模拟数据采集系统的数据后处理技术模拟数据采集系统的数据后处理技术251 1 数字调零数字调零零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，因此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用软件程序实现零点调整的方法称为数字调零。实现方法：在测量输入通道中，计算机分时巡回采集校准电压与n路传感变送器送来的电压信号。通过软件程序进行调零。261）首先测量第0 路的校准信号（接地信号）。理论上电压为零的信号，经放大电路

13、、A/D转换电路进入CPU的数值应当为零，而实际上由于零点偏移产生了一个不等于零的数值，这个值就是零点偏移值N0。 2）然后依次采集1、2、 n各路的值，每次采集到的数字量N1、N2、 Nn值是实际值与零点偏移值N0之和。3）数字调零就是做减法运算，采用（Ni- N0）的差值作为本次测量的实际值。采用数字调零，可去掉放大电路、A/D转换电路本身的偏移及随时间与温度而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，降低硬件成本。2 系统校准 数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。实现方法：系统校准原理与数字调零相似，只是把测量扩展到现场

14、的传感器。在需要校准时，人工接入标准信号VR进行测量，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。调零后调零后标准输入信号VR测得的数据为NR，而实际被测输入信号V调零后测得的数据为N，则可按如下校准式来计算V。NNVVRR如果在校准时，计算并存放VRNR的值作为校准系数，则测量校准时，只需行一次乘法即可。 有时校准输入信号VR不容易得到，这时可采用输入信号Vi。校准时，计算机测出这时的对应输入Ni，而人工采用其它的高精度仪器测出这时的Vi，并输入计算机中，然后计算机计算并存放ViNi的值，代替前面的VRNR来作校准系数。 系统校准主要适用于传感器特性随时间会发生变化的场

15、合。如电容式湿度传感器，其输入输出特性会随着时间而发生变化，一般一年以上变化会大于精度容许值，需要每隔一段时间进行一次系统校准。4.3.2 工程量标度变换工程量标度变换u生产过程中的各个参数都有着不同的量纲，这些参数首先由测量仪表转换成模拟电信号，再经过AD转换后成为相应的数字量。u这些数字量仅仅代表参数值的大小，并不一定就是原来带有量纲的参数值。u为了能直接显示或打印被测工程量值，必须把它们转换成有量纲的数值，这种转换称为标度转换，也称为工程转换。u这个标度变换的过程是由算法软件程序来完成的，标度变换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系。一般输入通道

16、中的放大器、A/D转换器基本上是线性的，因此，传感器的输入输出特性决定了函数关系的不同形式，也就决定了不同的标度变换方法。u标度转换有线性和非线性之分。301）线性参数标度转换）线性参数标度转换工 程 量图 8 -1 2 线 性 关 系 的 标 度 变 换数 字 量A0AmAxNxNmN0N00000)(ANNNNAAAmxmx式中：N0仪表下限所对应的数字量；Nm仪表上限所对应的数字量；Nx实际测量值所对应的数字量；Ax实际测量值(工程量)；A0一次测量仪表的下限（测量范围最小值）；Am一次测量仪表的上限（测量范围最大值）。 线性标度变换是最常用的标度变换方式，其前提条件是传感器的输出信号与

17、被测参数之间呈线性关系。 数字量Nx对应的工程量Ax的线性标度变换公式为：上式为线性标度变换的通用公式，其中A0，Am，N0，Nm对某一个具体的被测参数与输入通道来说都是常数，不同的参数有着不同的值。为使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限A0所对应的A/D转换值置为0，即N0=0。这样上式可写成：00)(ANNAAAmxmx在很多测量系统中，仪表下限值A0=0，此时进一步简化为：mxmxNNAA 例4-1 某热处理炉温度测量仪表（线性）的量程为200-800，在某一时刻采样经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？ u解：A0=200，Am=800，Nx=CDH=205, Nm=

18、FFH=255。 682255205)200800(200)(00mxmxNNAAAA2）非线性参数标度转换）非线性参数标度转换微型机从模拟量输入通道得到的有关过程参数信号与该信号所代表的物理量不一定成线性关系，则其标度变换式应根据具体问题具体分析。由于非线性参数的变化规律各不相同，故应根据不同的情况建立不同的非线性变换式，但前提是它们的函数关系可用解析式来表示。例:用压差法测量流量，从差压传感器来的信号P与实际流量G成平方根关系，即PKGK为比例系数，与流体的性质及节流装置尺寸有关。 33测量流量的标度变换公式为 Gx被测流量值； Gmax流量仪表的上限值； Gmin一流量仪表的下限值； N

19、x差压变送器所测得的差压值(数字量)； Nmax差压变送器上限所对应的数字量； Nmin差压变送下限所对应的数字量。 式(4.10)为流量测量中标度变换的通用表达式。 其中有开方运算，利用计算机进行数值开方有级数展开法、牛顿迭代法等方法，具体方法请参阅有关数值分析的文献资料。minmaxminminmaxminNKNKNKNKGGGGxxminmaxminminmaxmin)(NNNNGGGGxx(4.10)344.3.3 线性化处理线性化处理1.查表法查表法 原理是：设有非线性关系的两个参数A和B，现要根据参数A取参数B数值。过程如下 （1）造表。根据需要确立参数A的起始值A0及等差变化值N

20、有 Ai=A0土iN， i0，l，2，n (4.12) 确定一块连续内存区，设其地址为T。，T1，Tn ，Ti与Ti+1之间的关系可按某些规律算法确定，但一般为了编程方便，通常是按顺序递增或递减的关系，即Ti+1Ti+M，M是参数B在计算机中存贮值的字节数。 将对应参数Ai和Bi值存入相应的Ti内存区，当Bi为多字节时，应先从低字节存起。 （2）查表。设有待查参数Am，由i=(Am一A0)N，有 Ti=TiM (4.13) 从内存Ti处连续取M字节数据，即为参数Am对应的Bm值。 352.用数学表达式换算用数学表达式换算 各种热电偶的温度与热电势的关系都可以用高次算式来表达，即 (4.14)

21、Tx温度； Ex热电偶的测量热电势； ao，a1，an系数。 实际应用时方程所取项数和各项系数取决于热电偶的类型和测量范围，一般取n4。 将上式略加修改，可得到如下形式： (4.15) 上式有利于编制程序。 nxnxxxEaEaEaaT210001234)(aEaEaEaEaTxxxxx)(1111nxnnnnnxEEEETTTT3.折线近似及线性插值（用得最多最广泛方法）折线近似及线性插值（用得最多最广泛方法） 也叫分段线性拟合方式（逼近方式） 为了对T-E进行线性拟合，可通过实验分段测出一些T-E值，如图中),(),(),(662211TETETET4E1T2T5ExT1T3T6TxE2E

22、3E5E4E6ET是实验测出的准确值，点与点之间的温度值，可按如下三点式线性方程求得：37注意点：两种方法的Ex，可按工程量的线性转换法求得。取Emax=En,Emin=En-1,Nmax=Nn,Nmin=Nn-1,Nx=N(Ex),于是：400880ccc60)(1111nxnnnnnxNNNNEEEE折点号0 1 2 3 4 5 6 7 8温度T(0C)400 460 520 580 640 700 760 820 880热电势E(mv)16.40 18.94 21.5025.0526.6029.1331.6434.1036.53显然，折点取得越多越密，计算出（拟合）的精度越多。例：将上述

23、 ，按 一段划分成8段，经实验测得各折点的T-E值如表所示。38例：已知测得 ，查表知 处于7、8折点之间，即有： mVEx66.34xEcTmVEcTmVEnnnn880,53.36,820,10.3411于是相应： cTx827.833)10.3466.34(10.3453.36820880820对照热电耦材料查分读表有 ，相对于误差为： cTx834%02. 0834834827.833曲线分段的方法主要有两种：(1)等距分段法。 (2)非等距分段法。 394.3.4 上，下限检查上，下限检查 为了实现安全生产，在计算机测控系统中，对于重要的参数和部位，都设置紧急状态报警系统，以便及时提

24、醒操作人员注意或采取应急措施，使生产继续进行或在确保人身设备安全的前提下终止生产。 其方法就是在计算机采集数据并进行了预处理、数字滤波、标度变换之后，与该参数的设定上限、下限值进行比较，如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。 工作原理与有效性检查基本相同 不同之处：有效检查，以标准电平为上，下限；上，下限检查以给定电平为限。 上，下限电平在有效性检查电平以内，如果所示，超出上，下限可输出，报警信号及越限标志。上 ， 下限 电 平检 查 范围有 效性 检查 范围40 在控制系统中，报警参数可以是被控参数、被测参数、输入偏差或控制量等，设需要判断的报警参数为

25、XK，该参数的上、下限约束值分别为XH和XL，则越限报警有如下几种形式： 上限报警 若XK XH，则发出上限报警，否则继续执行原定操作。 上下限报警 若XK XH，则上限报警，否则判断XK XL否？若是则下限报警，否则继续执行原定操作。41在具体设计报警程序时，为了避免测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警，一般应在极限值附近设置一个回差带。42图中XH、XL是上、下限约束值，2e为回差带宽。当被测值超越XHe时，才算越过上限报警值并设置相应的越上限标志（上限标志位置1），同时输出越上限的声、光报警；当被测值下降到XHe 以下时，则复位上限，撤消越上限标志（上限标志位清0）及相应的声光报警。

26、当被测值低于XLe点时，才算越过下限并设置相应的越下限标志（下限标志位置1），同时输出越下眼的声、光报警；当被测值上升到XLe以上时，则复位下限，撤消越下限标志（下限标志位清0）及相应的声光报警。 这样，回差值e避免了测量值在极限值XH或XL点处来回摆动造成频繁报警，e值的大小可根据现场具体的被测参数设定。434.4 开关数据采集技术开关数据采集技术 4.4.1 开关数据采集电路模型开关数据采集电路模型 一般来说，开关量可分为主动和被动两大类。 主动开关量用于供主机查询或向主机发中断请求，和主机的交流具有适时性，既可作为工业生产过程与主机之间进行模拟信息传送的联络信号，也可作为两者之间被动开关

27、量信息传送的联络信号； 而被动开关量通常由主机读入用作决策依据。 本质上数值型开关量属于被本质上数值型开关量属于被动开关量，但由于表达数值动开关量，但由于表达数值型开关量的各信号位是不可型开关量的各信号位是不可分割有序整体，所以在采集分割有序整体，所以在采集时必须独立提供端口。时必须独立提供端口。 开关量电平匹配电路主动属性开关量信号开关量电平匹配电路被动属性开关量信号数值属性开关量信号主动属性开关量端口被动属性开关量端口数值属性开关量端口CPU开关量接口控制逻辑图4-10 分类开关量采集电路模型444.4.2 开关数据采集软件的一般结构开关数据采集软件的一般结构 1）无条件开关数据采样 这是

28、一种CPU 直接读接口数据的方式，它不管数据是否准备好。 要求采集电路在CPU任何时候采样时都应该是保证数据是准备好并且可读的。 主动开关量一般采用无条件方式采集。 2）有条件开关数据采样Y图4-11 有条件数据采集流程图？状态有效 读数据端口N读状态端口.Y 图4-12 开关数据采集软件的一般结构？所有开关量是否采集完 N处理并存储获得开关量8/16个开关信息开始结束454.4.3 开关采集数据的处理方法开关采集数据的处理方法 开关数据通常反映工业生产现场的各种状态，如整量计数状态、系统工作正常状态、非正常工作状态、正在处理某特殊工作状态、局部或危急状态及报警状态等等， 这些状态信息不但要分

29、类保存分类保存，而且还要进行时间登记时间登记，有益于对系统的状态进行分析。 所谓分类保存是根据各开关量的性质或功能，事先在内存区开辟不同的区域，采集到的开关量分别存放于相应的存储区中。 时间登记的办法是不仅把采集到得开关量信息存储，还需要把采集的时刻也要记录下来。 至于它们的存储，可以采用分类保存，也可以按照时间顺序保存，视具体情况而定。 登记的办法要求系统具有日历或计时功能。 464.5虚拟仪器及其应用基础虚拟仪器及其应用基础4.5.1虚拟仪器概述虚拟仪器概述 虚拟仪器是一种以微型计算机硬件和数据采集电路微型计算机硬件和数据采集电路为基础，以微型计算机数据采集、分析、处理及可视化等软件技术为

30、核心，利用计算机显示器虚拟仪器面板的测量仪器计算机显示器虚拟仪器面板的测量仪器，是仪器仪表技术与计算机虚拟技术相结合的产物。仪器功能方面的特征仪器功能方面的特征： （1）虚拟仪器是一种创新的计算机仪器，而非传统意义上的具体仪器，它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器，仪器功能可由用户软件定义，柔性结构，灵活组态，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。 （2）一台计算机被设计成多台不同功能的测量仪器，能集多种功能于一体，构成多功能和多用途的综合仪器，极大地丰富和增强了传统仪器的功能。 （3）由于计算机有极其丰富的软件资源，极高的运算速度和庞大的存储空间，对测量数据有强大的分析和处理能力，可

31、以进行快捷、实时的处理，也可以将数据存储起来，以供需要时调出分析之用。这种能力所引伸出的仪器功能，在传统仪器中是不可能具有的。474.5.2虚拟仪器的一般结构虚拟仪器的一般结构现场总线设备VXI仪器串行口仪器PLCGPIB接口仪器GPIB接口卡信号调理数据采集卡DAQ图像采集卡DSPPC机/工作站测控对象测量与分析软件。Lab VIEW（VEE）。Lab Windows/CVI。Commponent work HiQ。Virtual Bench IVI传统编程语言。Visual C+。Visual Basic。C+ Builder。Delphi等工业自动化软件。Bridge VIEW。Lockout。Commponent work图4-13