第七章数据采集系统中的关键技术

1、北邮信息理论北邮信息理论与技术教研中心与技术教研中心 BUPT Information Theory & Technology Center 第七章第七章 数据采集系统数据采集系统中中的的关键关键技术技术BUPT Information Theory & Technology Center 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2BUPT Information Theory & Technology Center 3BUPT Information Theory & Technology Center 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

2、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4BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.1 干扰源的分类 按照干扰的来源划分5干扰外部干扰天电干扰天体干扰电器设备干扰内部干扰耦合感应多点接地电位差寄生振荡各种噪声BUPT Information Theory & Technology Center 按照干扰出现的规律划分6干扰固定干扰固定的电气设备半固定干扰偶然使用的电气设备随机干扰偶发性的干扰7.1.1 干扰源的分类BUPT Information Theory & Technology Center 按照干扰产生和传播

3、的方式划分7干扰静电干扰磁场耦合干扰电磁辐射干扰电导通路耦合干扰漏电耦合干扰7.1.1 干扰源的分类BUPT Information Theory & Technology Center 按照干扰与输入信号的关系划分8干扰差模干扰共模干扰7.1.1 干扰源的分类BUPT Information Theory & Technology Center 软件方面造成的干扰源采用不正确的算法计算机精度引起的误差累积计算机处理器受到电磁干扰造成的软件错误97.1.1 干扰源的分类BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.2 干扰的传播途径传播途径磁场

4、耦合公共阻抗 耦合静电耦合10BUPT Information Theory & Technology Center 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。11BUPT Information Theory & Technology Center 1、抑制干扰源 （1）交流电源的干扰 采用隔离变压器127.1.3 硬件抗干扰

5、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，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。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，抗共模抑制能力，从而保证系统的可靠工作， BUPT Information Theory & Technology Center 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

6、%以内还可以对负载短路起限流保护作用137.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center （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147.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center （3）印制电路板（PCB）的设计15合理布线合理布局合理接地7.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.3 硬件抗干扰措施 （3）印制电路板（PCB）的设计 合理布线

7、： 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。 BUPT Information Theory & Technology Center 2、切断干扰传播途径 （1）采用隔离的方法17光电隔离电磁隔离7.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center 光电隔离 利用光电耦合器件实现电路上的隔离 目前

8、数据采集处理系统中最常用的一种抗干扰方法。 187.1.3 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 BUPT Information Theory & Technology Center 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。 197.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center （2）其他方法20传输线的使用浮置措施滤波技术系统分别供电7.1.3 硬件抗干扰措施采用双绞线、屏蔽线和扁平带状电缆进行传输，提高抗干扰能力 数据采集电路的模拟信号地不接机壳或大地，以阻断干扰电流的通

9、路 使用滤波器只允许某一频带的信号通过，以抑制其他频带的信号 将数据采集系统与电感设备的供电系统分开，以避免在供电线路之间出现相互干扰 BUPT Information Theory & Technology Center 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 217.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center 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

10、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BUPT Information Theory & Technology Center 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

11、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。237.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center 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BUPT Information Theory & Technology Center 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，

12、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。 BUPT Information Theory & Technology Center 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BUPT Information Theory & Technology Center 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

13、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 27BUPT Information Theory & Technology Center 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BUPT Information Theory & Technology Center 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

14、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。29BUPT Information Theory & Technology Center 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。307.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center 接地线应尽量加粗原

15、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317.1.3 硬件抗干扰措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.4 软件抗干扰措施软件抗干扰技术数字滤波抗干扰技术中值法算术平均法加权平均滤波法程序正常运行技术掉电保护软件陷阱和指令冗余使用看门狗处理程序跑飞重要数据进行备份32BUPT Information Theory & Technology Center 33BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 数据预处理 采样数据的标度变换 采样数据

16、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34BUPT Information Theory & Technology Center 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35BUPT Information Theory & Technology Center 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

17、呈线性关系360000()uuYYYYXNNN 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；BUPT Information Theory & Technology Center 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 Y 501005025551(15351) 75BUPT Information Theory & T

18、echnology Center （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387.2.1 数据预处理BUPT Information Theory & Technology Center （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397.2.1 数据预处理 QKDP0000mmKXKNYQQQKNKNBUPT Informatio

19、n Theory & Technology Center （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 407.2.1 数据预处理BUPT Information Theory & Technology Center 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温度 t(oC) 阻值 R(k) 温度 t(oC) 阻值 R(k) 温度 t(oC) 阻值 R(k) 10 8.0000 21 6.5574 31 5.6337 11 7.84

20、31 22 6.4516 32 5.5554 12 7.6923 23 6.3491 33 5.4793 13 7.5471 24 6.2500 34 5.4053 14 7.4074 25 6.1538 35 5.3332 15 7.2727 26 6.0606 36 5.2630 16 7.1428 27 5.9701 37 5.1946 17 7.0174 28 5.8823 38 5.1281 18 6.8965 29 5.7970 39 5.0631 19 6.7796 30 5.7142 40 5.0000 20 6.6670 BUPT Information Theory & T

21、echnology Center 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 P3(x) a3x3a2x2a1x1a0 a38.0003a28.0002a18.0001a010 a37.01743a27.01742a17.01741a017 a35.97013a25.97012a15.97011a0 27 a35.06313a25.06312a15.06311a0 39 a3 0.2346989,a2 6.120273a1 59.280430,a0 212.7118BUPT Informa

22、tion Theory & Technology Center 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t43 P3(R) 0.2346989R36.120273R259.280430R1212.7118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BUPT Information Theory & Technology Center 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

23、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 yyiki(xxi)kiyi1yixi1xiBUPT Information Theory & Technology Center 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：457.2.1 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BUPT Information Theory & Tec

24、hnology Center 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467.2.1 数据预处理BUPT Information Theory & Technology Center 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477.2.1 数据预处理BUPT Information Theory & Technology Center 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

25、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487.2.1 数据预处理BUPT Information Theory & Technology Center 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497.2.1 数据预处理BUPT Information Theory & Technology Center 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

26、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50BUPT Information Theory & Technology Center 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BUPT Information Theory & Technology Center 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

27、 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。52BUPT Information Theory & Technology Center 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。53BUPT Information Theory & Technology Center 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：

28、54一阶差分法多项式逼近法最小二乘法BUPT Information Theory & Technology Center 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 。 xt xt | xtxt|W xt xt xt xtxt1(xt1xt2)BUPT Information Theory & Technology Center 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

29、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 xt1,xt2 W| xtxt|W xtBUPT Information Theory & Technology Center 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 |xtxt1(xt1xt2)|W xt2,xt1,xtBUPT Info

30、rmation Theory & Technology Center 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 |xtxt1(xt1xt2)|W x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9 x1,x2,x3 x4,x5,x6 x4,x5,x6BUPT Information Theory & Technology Center 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59BUPT

31、 Information Theory & Technology Center 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60BUPT Information Theory & Technology Center 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

32、，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 x(t) x(t) x(t) x(t) x(t)BUPT Information Theory & Technology Center 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，

33、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62BUPT Information Theory & Technology Center 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63BUPT Information Theory & Technology Center 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 ym16ym22ym15ym()BUPT Information Theory & Technology Center 数据二次处理 典型的操

34、作包括：65积分微分卷积相关分析门限检测尖峰捕获数据拟合数据插值傅里叶变换7.2.2 数据二次处理BUPT Information Theory & Technology Center 66BUPT Information Theory & Technology Center 数据存储的需求n数据存储概念n 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。n 三层含义:n 将所采集的数据，按照一定规则，记录在相应的载体上；n 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；n 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

35、。67BUPT Information Theory & Technology Center 68 存储器分类存储器分类 按存取方式分类： 随机存储器RAM（Random access memory） 只读存储器ROM（read-only memory） 串行访问存储器BUPT Information Theory & Technology Center 69 存储器分类存储器分类 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（Static random access memory）：以触发器原理寄存信息主要应用于需

36、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（Dynamic random access memory）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BUPT Information Theory & Technology Center 存储器分类l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1/4l动态RAM也有

37、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70BUPT Information Theory & Technology Center 存储器分类71BUPT Information Theory & Technology Center 72 存储器分类存储器分类 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：Masked ROM，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：Programmable ROM，可编程ROMEPROM：可擦除可编程ROMEEPROM：电

38、可擦除可编程ROMFlash Memory：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BUPT Information Theory & Technology Center 存储器分类 Flash Memory 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

39、以用上好几年，不管擦写的频率有多高73BUPT Information Theory & Technology Center 存储器分类 Flash Memory FALSH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 74BUPT Information Theory & Technology Center 75 存储器分类存储器分类 串行访问存储器 对存储单元

40、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BUPT Information Theory & Technology Center 76 存储器分类存储器分类 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BUPT Information Theory & Technology Center 存储器分类77BUPT Information Theory & Technology Center 78 存储器分类存储

41、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BUPT Information Theory & Technology Center 79 存储器分类存储器分类存储器主存储器 RAMROM静态RAM动态RAM掩模式MROM可编程式PROM可擦写式EPROM电擦写式EEPROMFlash Memory高速缓冲存储器（Cache） 辅助存储器 磁盘、磁带、光盘BUPT Information Theory & Technology Center 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

42、。 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。80BUPT Information Theory & Technology Center 1) 由由多种不同的存储器构成多种不同的存储器构成2) 由硬件、软件或者硬件由硬件

43、、软件或者硬件+软件相结合完成程序定位，使软件相结合完成程序定位，使之成为一个整体。之成为一个整体。CPUM1M2Mn存储系统存储系统价格价格Ci Ci+1速度速度Ti Ti+1 容量容量Si Si+1CCnTT1 SSn存储系统的层次结构存储系统的层次结构81BUPT Information Theory & Technology Center 存储系统的层次结构82BUPT Information Theory & Technology Center 83BUPT Information Theory & Technology Center 84BUPT Information Theor

44、y & Technology Center 85BUPT Information Theory & Technology Center 直接连接存储模式存在诸多p存储设备存储设备只能与一台服务器直接连接，只由这只能与一台服务器直接连接，只由这台服务器使用。台服务器使用。p用户要备份数据和存储数据，都要占用服务器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。的时间，从而降低了服务器的管理效能。p随着服务器的增多，数据管理会越来越复杂，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。工作量不断增加。p如果增加存储设备，扩展存储容量，需要对服如果增加存储设

45、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。性，造成数据丢失。86BUPT Information Theory & Technology Center ApplicationServer 1diskdiskApplicationServer 2diskdiskApplicationServer 3diskdisk87BUPT Information Theory & Technology Center n自二十世纪末开始，存储技术的发展进入 “存储网络”(Storage Network)时代。它将存储设备从应用服

46、务器中分离出来，进行集中管理。存储网络具有以下特点：88BUPT Information Theory & Technology Center 89BUPT Information Theory & Technology Center 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90BUPT Information

47、 Theory & Technology Center 91BUPT Information Theory & Technology Center 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92BUPT Information Theory & Technology Center 有线接入技术 光纤 PON无源光网络接入 五类缆、超五类缆 IEEE 802.3系列标准 同轴电缆 Cable Modem 双绞线 xDSL 电力线93BUPT Informatio

48、n Theory & Technology Center 无线接入技术 蜂窝移动通信系统 GSM/GPRS/EDGE CDMA 1X/CDMA2000/WCDMA/HSPA TD-SCDMA/HSPA/LTE/LTE-A 无线局域网 IEEE 802.11系列标准 短距离无线通信 Zigbee 蓝牙 UWB94BUPT Information Theory & Technology Center 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IEEE

49、 802.15.4为主； 网络层以Zigbee联盟定义的标准为主；95BUPT Information Theory & Technology Center WSN特点和结构 无线传感器节点结构模块无线传感器节点结构模块 96BUPT Information Theory & Technology Center WSNWSN两种组网结构：两种组网结构： WSN通信体系平面结构通信体系平面结构 1 1，平面拓扑结构，平面拓扑结构: :所有的网络节点处于相同的平等地位所有的网络节点处于相同的平等地位, ,不存不存在任何的等级和层次差异在任何的等级和层次差异, ,所以也被称为对等式结构。所以也被称为

50、对等式结构。 WSN特点和结构97BUPT Information Theory & Technology Center WSN特点和结构 WSN的的逻辑分层结构逻辑分层结构 2 2，逻辑分层结构，逻辑分层结构: :网网络节点按照某种规则络节点按照某种规则（如地理位置、应用（如地理位置、应用需求）分成各个簇，需求）分成各个簇，每个簇由簇头和成员每个簇由簇头和成员节点构成。节点构成。 98BUPT Information Theory & Technology Center 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