计算机数据采集及处理

1、读书报告：计算机数据采集及处理主要内容：计算机数据采集系统数字滤波标度变换可靠性越限报警一、计算机数据采集系统数据采集与处理的作用和分类数据采集是指将生产过程的物理量采集并转换成数字量以后，再由计算机进行存储、处理 显示或者打印的过程。计算机数据采集系统的任务，就是采集各类传感器输出的模拟信号并转 换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机；计算机根据需要进行相应的计算、处理并输 出，以便实现对生产过程的自动监控。一般监控系统采集数据大致可分为以下八类：输入模拟量。它是指将现场具有连续变化特征的电气量和非电气量直接或经过变换后，输 入到计算机系统的接口设备的物理量。适合计算机系统的模拟量参数范

2、围包括05VDC、010VDC、020mA、20mA、420mA 等。输出模拟量。它是指计算机系统接口设备输出的模拟量，输入开关量。它是指过程设备的状态或者位置的指示信号，输入到计算机系统接口设备的 数字量（即开关量），此类数字输入量一般适用一位“0”或“1”表示。输出开关量。它是指计算机系统接口设备输出的监视或者控制的数字量，在生产过程控制 中为了安全可靠，一般输出开关量是经过继电器隔离的。输入脉冲量。它是指过程设备的脉冲信息输入到计算机系统接口设备，由计算机系统进行 脉冲检测的一位数字量，如机组齿盘测速信号。数字输入BCD码。它是将BCD码制数字型的输入模拟量输入到计算机系统接口设备， 一

3、个BCD码输入模拟量一般要占用16位数字量输入通道。数字输入事件顺序记录（SOE）量。它是指将数字输入状态量定义成事件信息量，要求 计算机系统接口设备记录输入量的状态变化及其变化发生的精确时间，一般应能满足5ms分 辨率要求。在监控系统中，机组货电气设备的事故信号均以SOE量输入，系统对SOE量以 中断的方式响应。外部数据报文。它是将过程设备或者外部系统的数据信息，以异步或同步报文通过串行口 与计算机系统交换数据。模拟量的输入与输出模拟量的输入与输出通道，是计算机控制系统的一个重要组成部分。模拟量输入通道是将 生产过程的模拟量转换成计算机可以识别的二进制数以后，传送给计算机的通道。模拟量输出

4、通道是将计算机发出的控制信息传送给执行机构的通道。模拟量输入通道模拟量输入通道一般是由传感器，标度变换器、采样保持器、多路采样切换器、A/D转换 器级控制电路等部分组成，如下图所示：由于计算机系统只能对数字量进行处理，而变换器所取得的电压、电流等信号均为模拟量 信号，因此必须将采样所得的模拟量信号经过模数转换成数字量。模数转换的过程实际上是对模拟量信号进行编码的一个过程。根据A/D模拟量信号进行编码的一个过程。根据A/D转换的原理不同，可以将A/D转换分为直接计算机式和间接式两种。直接式A/D转换是将模拟量信号直接转换成数字量。常见的有逐次逼 近式A/D，记数式A/D、并行转换式A/D。间接式

5、A/D转换是将模拟量信号先转换成中间变量， 如脉冲周期脉冲频率允脉冲宽度弓再把这些中间量变成数字量。常见的有单积分式A/D,双积分式A/D, V/F 转换式 A/D。模拟量输入通道的结构一个输入通道分别设置一个采样保持器和A/D转换器的结构。这种结构允许各通道同 时工作，。其特点是速度快，可靠性强，即使某单一通道发生故障，也不应到其他通道的正常 工作。其缺点是，如果通道数量很多的情况下，需要大量的采样保持器和A/D转化器，成本 很高。多个输入通道共享一个A/D转换器的结构。多个输入通道共享一个A/D转换器，然后 通过多路转换器分时的将各路模拟信号按顺序或者随机的将采样保持器的信号传输到共用的

6、A/D转换器。这种结构因为共用一个A/D转换器，各路信号的转换只能顺序进行，所以工作速度较慢， 可靠性也不高，但是可以节省硬件设备。但是采用了多个采样保持器，所以捕捉时间得到了保 证。多个输入通道共享采样保持器和A/D转换器的结构。这种结构较上述2中结构速度更 慢，可靠性也比较差，但是更节省硬件设备。由于采用了公共的采样保持器，因此在启动A/D 转换之前，必须考虑采样保持器的捕捉时间。启动A/D转换电路之前，必须先完成保持电容 器的充放电过程。由于A/D变换器价格昂贵，我们多采用第2类结构。采样保持器何时采样，何时保持， 受到计算机控制信号的管理。A/D和D/A转换随着计算机硬件技术的不断发展

7、，A/D和D/A住唤起芯片本身越来越复杂，性能越来越好， 使用越来越简单。电路设计人员只需按要求进行连接和进行简单编程即可。下面简要介绍以下 与A/D和D/A转换器相关的技术指标。分辨率。数据转换的分辨率定义为转换器数字量最低二进制位（LSB）对应模拟量最小电压变化值，规 定了 A/D转换器所能区分的模拟量最小电压变化量，或者规定了 D/A转换器能产生的模拟量的最小变化量。量化误差。所谓量化，就是把时间上离散而数值上连续的模拟信号以一定的准确度变为时间上和数字上 都离散化或量级化的等效数值。经过量级化后的结果可能仅是输入模拟信号的近似值。这种由于量化而产生的误 差只能减小不能消除，称之为量化误

8、差。D/A转换器的建立时间：它是D/A转换器的主要性能指标，即从对D/A转换器施加新的数字输入开始， 到模拟输出达到预定的终值的时间间隔。A/D转换器的转换时间：它是A/D转换器的主要性能指标，即从对A/D转换器施加新的模拟电压开始， 到转换结束的时间间隔。开关量的输入与输出开关量的采集与处理无论哪种开关量输入点，开关量信号输入计算机一般是通过专门的输入/输出（I/O）接口 来实现的。来自现场设备的状态分别接到I/O接口的对应位置上，由计算机取入。当被监视的 设备较远时，为避免干扰，通常采用光电耦合器隔离的措施。+5V殳监视状态信号I控口卧4开关量光醐合隔离痢人简圈开关量输出通道的任务是根据计

9、算机给出的状态量去控制设备，如控制继电器触点的闭合 和断开，一操作电磁或其他执行元件控制设备。开关量的出入也常通过专门的I/O接口来传递 信息的。开关量输出一般都会有光电耦合器来与现场隔离，避免干扰。图3书开关量输出电路简图二、数字滤波技术计算机控制系统的输入信号中，常常包含着各种各样的干扰信号。为了准确地进行测量和 控制，必须设法消除干扰信号。干扰分为有规律的工频干扰和无规律的随机干扰。前者可采用 抗干扰措施消除，后者可以在计算机内部采用数字滤波消除。数字滤波就是通过一定的计算或 判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，所以它是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤 波的不足，与模拟滤波相比，它

10、具有以下优点：用程序实现的，不需要硬件设备，所以可靠新高、稳定性好。可以对频率很低的信号实现滤波，这一点用模拟滤波是很难实现的。可以根据信号的不同采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、适用的特点。【注意】采样时发生混叠导致的干扰无法使用数字滤波去除。常用的数字滤波方法有以下几种：算术平均值滤波法算术平均值滤波法的基本原理是，在对某一个输入量进行m次采样所得到的采样数据工(，=1 m)中寻找一个平均值y，使y与各采样值之间的偏差的平方和E最小。由E 火(,2i=1可得,=1二m 1i = 1上式即为算术平均值的算式。算术平均值法适用于对含有随机干扰的信号进行滤波，特别适用于在某一数值范围

11、内上下 波动的信号的滤波，如流量、液位信号等。算术平均值法对信号的平滑滤波程度取决于m值。 当m值较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外接信号的变化对测量结果y的影响比较小；反 之，当m较小时，平滑度较低，但灵敏度高，如图所示。对于流量测量信号，一般取m=816； 对于压力测量信号一般取m=4。滑动平均值法算术平均值法的特点是，必须在采样m次以后才能输出一个数据。因此，当要求数据输 出速度比较高，m又比较大的情况下，要求A/D转换器有非常高的采样速度。而滑动平均值 法在每采样一次，就能输出一个数据。设第n次采样时，A/D转换器的输出值为七，前一次 采样时的输出值为x ，再前一次为x ，一共取m个采

12、样值x ,x ，,x ，那么第n 次采样时数字滤波器的输出值为 Qn T ”一1y =+ 1 = 1 Y x nmmii=n - m+1在计算滑动平均值时，应在存储器中设置m个存储单元，分别存储气,气,气心，没 进行一次新的采样，新的采样值将覆盖掉最老的采样值，然后对m个采样值求取新的算术平 均值。三、标度变换生产过程中存在的各种各样的物理量，如温度、压力、液位、流量、电流及电压等，有着 不同的数值和量纲。在计算机中，生产过程中的参数都以在一个才目同的二进制位数范围中的数 值存放在计算机中。由模拟量输入通道进入计算机的二进制数字量，而这个数字量的变化范围是由A/D转换 器的位数决定的，例如，一

13、个8位A/D转换器输出的数字量只能是0255。因此，不管被测 量的物理量是什么数字，经A/D转换后都智能表示为0255中间的某一个数。如果直接把A/D 转换器输出地数字量送去显示或打印，显然不便于运行人员理解，因此要进行标度变换，即把 A/D转换器输出的数字量变换为具有一定工程单位的数字量。标度变换有许多种形式，它取决 于被测量参数所用的传感器或变送器类型。1.线性变换法当被测物理量与传感器或仪表的输出之间呈线性关系时，采用线性变换、其公式为：气-气=气“0。- D0 气一 Do式中A0为被测量程的下限；Am为被测量程上限；Ax为标度变换后的实际测量值；D0 为A0对应的数字量；Dm为Am所对

14、应的数字量；Dx为测量值所对应的数字量。2. 公式变换法有些传感器或变送器的输出信号与被测参数之间的关系时非线性关系，或者人们并不关心 被测参数本身的数字，而是要通过被测参数去求出另一个人们所关心的参数。如果这种非线性 关系或两个参数之间的关系可以用解析式来表达的话，那么就可以通过解析式来推导出所需要 的参数，这样一类参数称为导出参数。例如，当用压差信号测量流量时，由于流量与压差的平 方根成正比，所以实际流量Y与压差变送器输出地、经A/D转换后的测量值X成平方根关系， 这时可以用下式计算出流量丫 = （丫- 丫丫 = （丫- 丫. Vmax min N - NminY = a、；X 一 a Y

15、 = a、；X 一 a + a 其中a = Y min七=Nmin Yma、a押 max - N min多项式变换法有许多传感器输出的信号与被测参数之间的关系无法用解析式表达，或者解析式过于复杂， 不便于用计算机计算，这时可以采用多项式进行标度变换。采用这种方法的关键是要找出一个 能够比较准确地反映传感器输出信号与被测参数之间关系的多项式。已知被测参数y = f （x）与传感器的输出值x在n+1个才目异点a = x x x x = b012n处的函数值为f （x0） = y0, f （x1） = *, f （七）二七，用一个次数不超过n的代数多项式P （x） = a xn + a xn-i H

16、F a x + a去逼近函数y = f （x），使p（x）在点x处满足P （七）二f （x_） = y_i = 0,1, . . .： n由于上式中待定系数有,a1，,an，共n+1个，而它所应满足的方程也有n+1个，因此， 可以得到以下方程组r , 一. 一.a xn + a xn-i +a xi + a = ya xn + a xn-i +a xi + a = yCV （ C，C， ，C /称为范德蒙行列式。可以证明当0 i n互异时， o f /的值不等于零，所以 以上方程组有唯一的一组解。这样，只要对已知的土和yi（i = 0 ）去解方程组，就可以得到多 项式P。在满足一定精度的前提下

17、，被测参数y = f就可以用y P来计算。四、计算机系统可靠性计算机系统可靠性广义的含意包括可靠性、可用性和可维性，统称为计算机系统的可靠性 指标。随着计算机应用范围的日益扩大，尤其是实时控制的运用，对计算机系统提出了超过单纯 靠元件和工艺所能达到的可靠性要求；有的系统可靠性指标虽然为元件和工艺所允许，但实现 起来价格昂贵。另一方面，计算机本身的技术和理论的发展又为提高系统可靠性创造了新的条 件。于是出现了容错计算的概念，尽管计算机硬件设备和软件设备出错,系统仍能正确执行特 定算法（程序）。系统可靠性计算计算机系统是由元件组成的。这里所说的元件含义广泛，既可指硬件的分 系统、部件、设备、插板、

18、组件、电阻、接插件等，又可指生产工艺如焊点、金属化孔等，还 可指软件的文件、程序包、子程序等。系统的可靠性直接取决于元件的可靠性和元件之间的连 接（拓扑）关系（见电子产品可靠性工程）。系统可靠性设计计算机系统可靠性设计是计算机设计过程中必不可少的内容。高的可靠性 指标靠容错和非容错两种方法来实现。非容错法就是预先消除不可靠的因素，以保障可靠的计算方法，即在允许的成本范围内选 择或者筛选出最可靠的元件，使用成熟可靠的连接装配技术,采取有效的措施屏蔽可能的外界干 扰，例如用滤波消除电网干扰等。非容错法设计不能一次完成。在确定初步方案后，要利用已 知或者预测到的元件和互连的可靠性来定量估算系统或者分

19、系统的可靠性。另外还须对系统和 分系统进行功能仿真和测试，以保证逻辑设计的正确性，最后完善系统的诊断测试。容错法是针对计算机系统运算过程中出现的故障或者低可靠性元件所采取的系统性可靠 措施。运行故障有三种类型：永久性失效、瞬间失效和外界干扰。根据故障失效的持续时间、 影响范围和出现频率，选用不同的防护性冗余就是容错法的设计内容。容错设计是建筑在非容 错设计基础上的，首先要对运行性故障进行调查分类，并确定其等级，然后针对不可靠因素及 其程度采用各种有效的容错措施，包括附加硬件的硬件冗余、附加软件的软件冗余和重复操作 的时间冗余，最后用分析或者实验的方法来验证容错的效果。冗余冗余技术是提高计算机系

20、统可靠性的一项重要技术。计算机系统冗余类似于建筑结构 中的冗余，允许一个或几个构件（元件）失效，而不损伤整个建筑。计算冗余包括静态和动态硬 件冗余、软件冗余、时间冗余。静态硬件冗余：又称屏蔽冗余，它是通过附加元件的办法来屏蔽故障，使系统的功能不 受影响。常见的静态硬件冗余有双工（同一种功能由二个元件并行承担）、模3表决冗余等。动态硬件冗余：这种冗余包括二个阶段，首先发现故障，其后消除故障而“复常”。在计 算机系统中采用动态硬件冗余时，要求系统具有模块结构和检测故障的能力，例如设有自校验 码，部件状态标志等。复常的措施可选用纠错装置（如海明校验）、部件切换以及系统适度降 级重新组织好元件等技术。

21、为了保证复常成功，还要求系统有一个高可靠性的硬核。硬核范围 内的元件发生故障，将不能复常。软件冗余：用附加软设备的方法来达到容错的目的。与硬件冗余相比，其优点是能在硬 件设计完成之后增加系统的容错功能。常用的软件冗余有关键程序或者数据多处存储、程序和 微程序上附加测试手段，以及增设程序入口和出口点等。时间冗余：简称“复执”。在时间允许的条件下，通过重复执行以消除瞬时的偶然性故障 是时间冗余提高可靠性的原理。复执允许在微动作、指令、程序段或者整个作业等各种级别上 进行。选取复执方案取决于复执的再启动点、实现复执可付的代价（包括时间、硬件和软件）， 以及复执成功率等因素。无论是硬件冗余、软件冗余，还是时间冗余，相互之间并不排斥，大多数的计算机系统具 备多种冗余的特色一混合冗余。计算机系统可靠性是计算机科