数据采集与处理技术绪论.

1、汽车与交通工程学院动力机械及工程系贾和坤据采集与处理技术l数据采集数据采集是信息科学信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号的测量与处理等先进技术为基础形成的一门综合应用技术综合应用技术。人们可以通过对信号的测量（数据获取）和处理，实现对生产过程的自动化或者智能化控制及管理。因此，数据采集与处理技术在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，有着非常重要的地位。l由于本课程是一门应用科学应用科学，需要综合运用多种学科知识，涉及到的知识面相当广泛、要求学生具备较扎实的高等数学、普通物理学等方面的基础课知的同时，而且还要求具备足够的技术基础课和一定的专业课程知识，例如电工学、电

2、子技术、微机原理、BASIC语言等课程 教材及主要参考资料教材及主要参考资料马明建编著马明建编著. 数据采集与处理技术数据采集与处理技术(第第3版）版）. 西安交西安交通大学出版社通大学出版社,2008.祝常红. 数据采集与处理技术. 电子工业出版社.2008李念强 数据采集技术与系统设计. 机械工业出版社2005任家富等.数据采集与总线技术 .北京航空航天大学出版社. 2008总学时：总学时：30 学分：学分：2.0 序 号 理 论 授 课 内 容 提 要学 时1第1章 绪 论22第2章 模拟信号的数字化处理43第3章 模拟多路开关24第4章 测量放大器25第5章 采样/保持器46第6章 模

3、/数转换器48第7章 数/模转换器29第9章 数字信号的采集211复试考试2共 计 24 1. 数据采集的定义数据采集的定义 将温度、压力、流量、将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、算机进行存储、处理、显示或打印的过程。显示或打印的过程。 相应系统称为数据采集系统。相应系统称为数据采集系统。数据采集数据采集 1.1 数据采集的发展史和应用 数据采集的发展史数据采集的发展史 蒸汽机离心式调速系统蒸汽机离心式调速系统 1788年年，英国机英国机械师械师 J.瓦特瓦特(Watt)在改进蒸汽机的同在改进蒸汽机的同时，发

4、明了离心式时，发明了离心式调速器，如左图。调速器，如左图。 这是机械式蒸这是机械式蒸汽机转速的闭环自汽机转速的闭环自动调速系统。动调速系统。 当蒸汽机输出当蒸汽机输出轴转速发生变化轴转速发生变化时，离心调速器自时，离心调速器自动调节进汽阀门的动调节进汽阀门的开度，从而控制蒸开度，从而控制蒸汽机的转速。汽机的转速。数据数据采集采集 81.1 数据采集的发展史和应用离心式调节器形成的蒸汽机调速系统，见下图。离心式调节器形成的蒸汽机调速系统，见下图。 瓦特的这项发明对第一次工业革命的发展有重要瓦特的这项发明对第一次工业革命的发展有重要影响。影响。数数据据采采集集进汽阀进汽阀转速转速+- 离心式调节器

5、形成的调速系统离心式调节器形成的调速系统蒸汽源蒸汽源蒸汽机蒸汽机负载负载离心式离心式调速器调速器反反馈馈 瓦特蒸汽机瓦特蒸汽机转速不稳问题转速不稳问题也引发了自动化科学的也引发了自动化科学的发展。发展。1.1 数据采集的发展史和应用水温的手动控制水温的手动控制 图中，水温操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，图中，水温操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。 同时，他要决定（通过大脑）：其手应该朝哪个方向旋同时，他要决定（通过大脑）：其手应该朝哪个方向旋转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度

6、）。转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度）。数据采集在自动控制中的位置数据采集在自动控制中的位置 水温的自动控制水温的自动控制 采用自动控制时，水温的手动控制的功能，由各采用自动控制时，水温的手动控制的功能，由各种传感器、仪表、执行器来代替。种传感器、仪表、执行器来代替。传感器传感器 测温计：感测水的温度；测温计：感测水的温度；执行器执行器 调节阀：打开或关闭蒸汽阀；调节阀：打开或关闭蒸汽阀；控制器控制器 调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱 动调节阀。动调节阀。1.1 数据采集的发展史和应用 数据采集的工程应用实例数据采集的工程应用实例 石油化工生产过程数

7、据采集与控制系统石油化工生产过程数据采集与控制系统控制量控制量输出信号输出信号扰动扰动生产过程生产过程传感器传感器数据采集数据采集控制信号控制信号1.1 数据采集的发展史和应用 钢铁热连轧数据采集与自动控制钢铁热连轧数据采集与自动控制1.1 数据采集的发展史和应用 数控车床数控车床控制面板控制面板 防护罩防护罩排屑机排屑机冷却液箱冷却液箱1.1 数据采集的发展史和应用 自动驾驶汽车自动驾驶汽车1.1 数据采集的发展史和应用 自动控制温室自动控制温室1.1 数据采集的发展史和应用 2. 数据采集的意义数据采集的意义 u 在生产过程中，对工艺参数进行在生产过程中，对工艺参数进行采集、监测，为提高质

8、量，降低采集、监测，为提高质量，降低成本，提供信息和手段。成本，提供信息和手段。u 在科学研究中，用来获取微观、在科学研究中，用来获取微观、动静态信息。动静态信息。解决靠人不能解决或不好解决的问题。解决靠人不能解决或不好解决的问题。作用作用：意义：意义： 无论在哪个应用领域，数据采集与处理越及时，无论在哪个应用领域，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。工作效率就越高，取得的经济效益就越大。例如：例如：运动数据记录、运动数据记录、处理。处理。提高工作精确性、提高工作精确性、效率，完成了靠人效率，完成了靠人很难完成的工作。很难完成的工作。结果：结果：2. 数据采集的意义数据

9、采集的意义 3. 数据采集系统的任务数据采集系统的任务u 采集传感器输出的模拟信号，并转换成数字采集传感器输出的模拟信号，并转换成数字信号，然后送入计算机。信号，然后送入计算机。u 系统计算机对数字信号进行处理，得到所需系统计算机对数字信号进行处理，得到所需的数据。的数据。 5. 构成数据采集系统的依据构成数据采集系统的依据 保证系统具备保证系统具备采样精度采样精度的条件下，有尽可能的条件下，有尽可能高的高的采样速度采样速度，以满足实时处理、控制的要求。，以满足实时处理、控制的要求。4. 评价数据采集系统性能优劣的标准评价数据采集系统性能优劣的标准 u 采样精度采样精度: : 精度越高，系统性

10、能越好精度越高，系统性能越好u 采样速度采样速度: : 速度越快，系统性能越好速度越快，系统性能越好 成本也是一个必须考虑的因素成本也是一个必须考虑的因素数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 1. 采集数据采集数据按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。 2. 模拟信号处理模拟信号处理模拟信号模拟信号：指信号幅值随时间连续变化的信号。：指信号幅值随时间连续变化的信号。 例子例子：正弦信号：正弦信号)sin()(wtAtx数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 2. 模拟信号处理模拟信号处理优点：优点：便于传送。便于传送。缺点：缺

11、点：易受干扰。易受干扰。特点：特点：在规定的一段连续时间内，其幅值为连续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值，即从一个量变到下一个量时中间没有间断。间断。数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 2. 模拟信号处理模拟信号处理信号处理：信号处理：信号类型：信号类型：u 由传感器输出的电压信号由传感器输出的电压信号u 由仪表、变送器输出的电流信号由仪表、变送器输出的电流信号u 经由采样、经由采样、A/DA/D转换，变成数字转换，变成数字信号；信号；u 将转换的数字信号作标度变换、将转换的数字信号作标度变换、线性化处理线性化处理3. 数字信号处理数字信

12、号处理 数字信号：数字信号：在有限的离散瞬时上取值间断的信号在有限的离散瞬时上取值间断的信号特点：特点：时间和幅值都不连续的信号。时间和幅值都不连续的信号。 数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 优点：优点：抗干扰能力强。抗干扰能力强。 数字信号对传送线路上的不完善性（畸变、噪声）数字信号对传送线路上的不完善性（畸变、噪声）不敏感，只需检测脉冲的有无来获取信息。不敏感，只需检测脉冲的有无来获取信息。缺点：缺点：需要一套转换电路，增加成本。需要一套转换电路，增加成本。传送方式：传送方式：u 并行方式传送并行方式传送u 串行方式传送串行方式传送3. 数字信号处理数字信号处理 数据采集系

13、统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 信号处理：信号处理：将数字信号采入计算机后，进行码将数字信号采入计算机后，进行码制转换。如制转换。如BCD转换为转换为ASCII，便，便于在屏幕上显示。于在屏幕上显示。4. 开关信号的处理开关信号的处理 信号处理：信号处理：根据开关的状态执行相应的操作。根据开关的状态执行相应的操作。 数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 开关信号：开关信号：由按钮、行程开关等器件触点产生由按钮、行程开关等器件触点产生的信号。的信号。5. 二次数据计算二次数据计算 数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 一次数据：一次数据：从传感器采集的数据。从传感

14、器采集的数据。二次数据：二次数据：对一次数据作计算得到的数据。对一次数据作计算得到的数据。二次数据二次数据计算包括计算包括:u 平均、累计平均、累计u 傅里叶变换、积分变换傅里叶变换、积分变换u 变化率、差值变化率、差值u 最大值、最小值最大值、最小值6. 屏幕显示屏幕显示 将数字、图形、图表等显示在屏幕上。将数字、图形、图表等显示在屏幕上。 数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 7. 数据存储数据存储 按时间间隔，将数据存储在外部存储器。按时间间隔，将数据存储在外部存储器。数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能： 8. 打印输出打印输出按时间间隔，打印输出数字、图形。按时

15、间间隔，打印输出数字、图形。 9. 人机联系人机联系操作人员用键盘或鼠标与系统对话，完成操作人员用键盘或鼠标与系统对话，完成运行方式、采样周期等参数的设置。运行方式、采样周期等参数的设置。 系统组成：系统组成：结构形式：结构形式：u 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统u 集散型数据采集系统集散型数据采集系统u软件软件u 硬件硬件1. 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统传感器传感器微型计算机数据微型计算机数据采集系统框图采集系统框图放大放大器器采采样样/保保持持器器传感器传感器传感器传感器传感器传感器A/D转转换换器器计计算算机机显示器显示器打印机打印机绘图机绘图机定时与逻辑

16、控制定时与逻辑控制传感器传感器传感器传感器接接口口被被测测物物理理量量数字信号数字信号开关信号开关信号多路开关多路开关系统组成系统组成:u传感器传感器：将非电量转换为电信号。：将非电量转换为电信号。 u多路开关多路开关：分时切换各路模拟量与采样保持器的通路。：分时切换各路模拟量与采样保持器的通路。 u程控放大器程控放大器：对模拟信号进行放大。：对模拟信号进行放大。 u采样采样/保持器保持器：保持模拟信号电压。：保持模拟信号电压。uA/D转换器转换器：将模拟信号转换为数字信号。：将模拟信号转换为数字信号。 u接口电路接口电路：将数字信号进行整形或电平调整。：将数字信号进行整形或电平调整。1. 微

17、型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统u微机及外部设备微机及外部设备：管理和控制数据采集系统。：管理和控制数据采集系统。u定时与逻辑控制电路定时与逻辑控制电路：产生逻辑控制信号，控制时序。：产生逻辑控制信号，控制时序。1. 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统器件的执行顺序：器件的执行顺序：1.1. 模拟多路开关开始切换；模拟多路开关开始切换；2.2. 程控放大器放大倍数开始切换；程控放大器放大倍数开始切换；3.3. 采样采样/ /保持器开始保持；保持器开始保持；4.4. A/DA/D转换器开始转换；转换器开始转换；5.5. A/DA/D转换完成。转换完成。一个具体的数据采集系统的

18、工作时序图一个具体的数据采集系统的工作时序图(1)(2)(3)(4)(5)一个工作周期一个工作周期多路开关多路开关放大器放大器采样保持采样保持AD转换转换数据总线数据总线1.2 s6 stAD启动脉冲启动脉冲1. 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统系统特点系统特点u 结构简单，易实现结构简单，易实现u 对环境要求不高对环境要求不高u 系统成本低系统成本低u 集散型的基本单元集散型的基本单元u 模板齐全，易组成系统模板齐全，易组成系统 1. 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统模拟量模拟量输入输入模拟量模拟量输入输入模拟量模拟量输入输入数字量数字量输入输入数字量数字量输入输入数

19、字量数字量输入输入RS-485RS-485生生产产现现场场生生产产现现场场生生产产现现场场数据数据采集采集 站站数据数据采集采集 站站数据数据采集采集 站站通信接口通信接口 上位机上位机2. 集散型数集散型数据采集系统据采集系统 系统结构图系统结构图: :u 数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。给上位机。 u 数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传数据采集站与上位机之间通常采用

20、异步串行传送数据。数据通信通常采用主从方式，由上位送数据。数据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。 u 它由若干个它由若干个“数据采集站数据采集站”和一台上位机及通和一台上位机及通信线路组成。信线路组成。 2. 集散型数据采集系统集散型数据采集系统 系统组成系统组成:2. 集散型数据采集系统集散型数据采集系统 RS-232RS-232：属于单端信号传输，存在共地噪声和不能抑：属于单端信号传输，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于制共模干扰等问题，因此一般用于20m20m以内的以内的通信，传输速率一般也小于通信，传

21、输速率一般也小于20k20k。RS-485RS-485：采用差分方式接受，对共模干扰抑制能力强，采用差分方式接受，对共模干扰抑制能力强，传输距离可以达到千米以上，传输速度可以传输距离可以达到千米以上，传输速度可以达到几百达到几百k k。 微机要实现微机要实现RS-485协议通讯，可采用：协议通讯，可采用：1. 采用采用RS-232与与RS-485转接口；转接口；2. 采用采用RS-485通讯卡，接在微机扩展槽上。通讯卡，接在微机扩展槽上。系统特点系统特点u 适应能力强适应能力强u 可靠性高可靠性高u 实时性好实时性好u 对硬件要求不高对硬件要求不高2. 集散型数据采集系统集散型数据采集系统 u 模拟信号采集与处理程序模拟信号采集与处理程序u 数字信号采集与