数据采集与处理技术绪论

数据采集与处理技术数据采集与处理技术 姚姚 鹏鹏Tel：18655192192Email：数据采集与处理技术教材：教材：数据采集与处理技术数据采集与处理技术西安交通大学出版社西安交通大学出版社编著：马明建、周长城编著：马明建、周长城数据采集与处理技术FTP:202.38.78.197用户：用户：abang密码：密码：abang资料下载：资料下载：数据采集与处理技术1.1 数据采集的意义与任务数据采集的意义与任务 1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式1.4 数据采集系统的软件数据采集系统的软件第第1章章 绪绪 论论 绪论1.5 数据处理的类型和任务数据处理的类型和任务数据采集与处理技术1.1 数据采集的意义与任务数据采集的意义与任务 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 绪论数据采集与处理技术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：绪论1.1 数据采集的意义与任务数据采集的意义与任务 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。数据采集与处理技术例如：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：绪论2.数据采集的意义数据采集的意义 1.1 数据采集的意义与任务数据采集的意义与任务 数据采集与处理技术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。绪论1.1 数据采集的意义与任务数据采集的意义与任务 数据采集与处理技术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，系统性能越好绪论1.1 数据采集的意义与任务数据采集的意义与任务 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与处理技术1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 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。绪论例子例子：正弦信号：正弦信号数据采集与处理技术1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 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绪论优点：优点：便于传送。便于传送。缺点：缺点：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。数据采集与处理技术1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 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绪论信号处理：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数据采集与处理技术3.数字信号处理数字信号处理 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。绪论1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 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。数据采集与处理技术传送方式：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绪论3.数字信号处理数字信号处理 1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 数据采集系统具有的功能：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。数据采集与处理技术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。绪论1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 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。数据采集与处理技术5.二次数据计算二次数据计算 绪论1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 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、最小值数据采集与处理技术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。绪论1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 数据采集系统具有的功能：数据采集系统具有的功能：数据采集与处理技术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。绪论1.2 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能 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。数据采集与处理技术1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 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绪论u 硬件硬件u 软件软件数据采集与处理技术1.微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统绪论1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 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数据采集与处理技术系统组成系统组成: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。绪论1.微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 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。数据采集与处理技术绪论1.微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 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。数据采集与处理技术一个具体的数据采集系统的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启动脉冲启动脉冲绪论1.微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 数据采集与处理技术系统特点系统特点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 绪论1.微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 数据采集与处理技术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绪论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:1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 数据采集与处理技术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。绪论2.集散型数据采集系统集散型数据采集系统 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 系统组成系统组成:数据采集与处理技术绪论2.集散型数据采集系统集散型数据采集系统 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 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。数据采集与处理技术系统特点系统特点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绪论2.集散型数据采集系统集散型数据采集系统 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 数据采集与处理技术u 模拟信号采集与处理程序模拟信号采集与处理程序u 数字信号采集与处理程序数字信号采集与处理程序u 脉冲信号处理程序脉冲信号处理程序u 开关信号处理程序开关信号处理程序u 运行参数设置程序运行参数设置程序u 系统管理（主控）程序系统管理（主控）程序u 通讯程序通讯程序绪论数据采集系统软件的组成数据采集系统软件的组成 1.4 数据采集系统的软件数据采集系统的软件 数据采集与处理技术1.5 数据处理的类型和任务数据处理的类型和任务 数据处理类型数据处理类型u 按处理方式：按处理方式：实时（在线）处理实时（在线）处理事后（脱机）处理事后（脱机）处理u 按处理性质：按处理性质：预处理预处理剔除误差剔除误差标度变换标度变换二次处理二次处理微分、积分微分、积分傅里叶变换傅里叶变换绪论数据采集与处理技术数据处理任务数据处理任务1.对采集信号作标度变换对采集信号作标度变换2.消除数据中的干扰消除数据中的干扰将没有明确物理意义的电压信号，转换为原将没有明确物理意义的电压信号，转换为原来对应的物理量。来对应的物理量。绪论1.5 数据处理的类型和任务数据处理的类型和任务 消除在数据的采集、传送和转换过程中，由消除在数据的采集、传送和转换过程中，由于系统内部和外部干扰而在数据中混入干扰于系统内部和外部干扰而在数据中混入干扰信号，以保证采样精度。信号，以保证采样精度。数据采集与处理技术3.分析计算数据的内在特征分析计算数据的内在特征 对采集到的数据进行变换计算，以得到能对采集到的数据进行变换计算，以得到能表达采样数据内在特征的二次数据。表达采样数据内在特征的二次数据。绪论数据处理任务数据处理任务1.5 数据处理的类型和任务数据处理的类型和任务 例如，在研究振动时，由于频谱更能说明振例如，在研究振动时，由于频谱更能说明振动波形对机械结构所产生的影响，因此，常对采动波形对机械结构所产生的影响，因此，常对采集到的振动信号作傅里叶（集到的振动信号作傅里叶（FFTFFT）变换，得出振动）变换，得出振动波形的频谱。波形的频谱。数据采集与处理技术1.6 学习重点和方法学习重点和方法学习重点学习重点:u 数据采集的基本理论、概念。数据采集的基本理论、概念。u 数据采集理论的运用。数据采集理论的运用。u 数据采集程序的设计。数据采集程序的设计。绪论数据采集与处理技术学习方法：学习方法：u认真听课认真听课u注意记笔记注意记笔记u积极回答问题积极回答问题u勤于思考，注意灵活应用基本勤于思考，注意灵活应用基本理论解决实际问题理论解决实际问题u独立完成各章作业独立完成各章作业u提高编程能力提高编程能力绪论1.6 学习重点和方法学习重点和方法数据采集与处理技术接下来的接下来的教学内容教学内容 第第第第2 2章章章章 模拟信号的处理模拟信号的处理模拟信号的处理模拟信号的处理第第第第4 4章章章章 测量放大器测量放大器测量放大器测量放大器1 1第第第第3 3章章章章 模拟多路开关模拟多路开关模拟多路开关模拟多路开关第第第第1111章章章章 采样数据的预处理采样数据的预处理采样数据的预处理采样数据的预处理第第第第5 5章章章章 采样保持器采样保持器采样保持器采样保持器第第第第6 6章章章章 模数转换器模数转换器模数转换器模数转换器第第第第8 8章章章章 数据采集接口卡数据采集接口卡数据采集接口卡数据采集接口卡第第第第9 9章章章章 数字信号的采集数字信号的采集数字信号的采集数字信号的采集绪论2 23 34 45 56 67 7第第第第7 7章章章章 数模转换器数模转换器数模转换器数模转换器8 89 910101111第第第第1010章章章章 数据采集系统的抗干扰技术数据采集系统的抗干扰技术数据采集系统的抗干扰技术数据采集系统的抗干扰技术第第第第1212章章章章 数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计