数据采集与处理技术绪论.ppt

数据采集与处理技术,黄庆东Email：,教材：数据采集与处理技术,西安交通大学出版社,编著：马明建,课程地位数据采集（Data acquisition）是信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号的测量与处理、微型计算机等先进技术为基础而形成的一门综合应用技术，其实用型很强。作为获取信息的工具，数据采集在国民经济的各个领域，如核电、石化、冶金、航空航天、机械制造等方面有着非常重要的地位。人们可以通过对信号的测量（数据获取）、处理、控制及管理，实现对生产过程的测、控、管自动化与一体化。因此，本课程是电子信息类专业的学生必须学习的一门专业课程。,教学基本要求或建议：1连续信号的采样问题、采样定理的定义、采样定理的实际应用、频率混淆原因及解决措施。2了解模/数和数/模的转换过程、典型模/数和数/模转换器的工作原理；量化过程、误差、编码。3了解数据采集系统的组成、系统的抗干扰措施。4了解典型A/D、D/A的功能及使用。,1.2 数据采集的意义与任务,1.3 数据采集系统的基本功能,1.4 数据采集系统的结构形式,1.6 数据处理的类型和任务,1.1 数据采集的发展史和应用,第1章 绪 论,绪论,1.5数据采集系统的软件,1.1 数据采集的发展史和应用,第1章 绪 论,绪论,本节教学目标,了解数据采集的发展史,理解数据采集的应用,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,1.1 数据采集的发展史和应用,1.数据采集的发展史,机械式蒸汽机转速的闭环自动调速系统,1788年，英国机械师 J.瓦特(Watt)在改进蒸汽机的同时，发明了离心式调速器，如左图。,这是机械式蒸汽机转速的闭环自动调速系统。,当蒸汽机输出轴转速发生变化时，离心调速器自动调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速。,数据采集,绪论,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影响。,数据采集,反馈,瓦特蒸汽机转速不稳问题也引发了自动化科学的发展。,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,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，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转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度）。,2.数据采集在自动控制中的位置,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,水温的自动控制,采用自动控制时，水温的手动控制的功能，由各种传感器、仪表、执行器来代替。,传感器 测温计：感测水的温度；执行器 调节阀：打开或关闭蒸汽阀；控制器 调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱 动调节阀。,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,3.数据采集的工程应用实例,生产过程数据采集与控制系统,控制量,输出信号,传感器,数据采集,控制信号,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,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,绪论,数控车床,控制面板,防护罩,排屑机,冷却液箱,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,自动驾驶汽车,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,仿人机器人,多指灵巧机器手,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,自动控制温室,1.1 数据采集的发展史和应用,绪论,1.2 数据采集的意义与任务,1.数据采集的定义,将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。,相应系统称为数据采集系统。,数据采集,绪论,2.数据采集的意义,在生产过程中，对工艺参数进行采集、监测，为提高质量，降低成本，提供信息和手段。在科学研究中，用来获取微观、动静态信息。,解决靠人不能解决或不好解决的问题。,作用：,意义：,绪论,1.2 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，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。,例如：运动数据记录、处理。,提高工作精确性、效率，完成了靠人很难完成的工作。,结果：,绪论,2.数据采集的意义,1.2 数据采集的意义与任务,3.数据采集系统的任务,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。,系统计算机对数字信号进行处理，得到所需的数据。,绪论,1.2 数据采集的意义与任务,5.构成数据采集系统的依据,保证系统具备采样精度的条件下，有尽可能高的采样速度，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,采样精度:精度越高，系统性能越好采样速度:速度越快，系统性能越好,绪论,1.2 数据采集的意义与任务,成本也是一个必须考虑的因素,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,1.采集数据,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：指信号幅值随时间连续变化的信号。,绪论,例子：正弦信号,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,2.模拟信号处理,绪论,优点：便于传送。,缺点：易受干扰。,特点：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间断。,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,2.模拟信号处理,绪论,信号处理：,信号类型：,由传感器输出的电压信号由仪表、变送器输出的电流信号,经由采样、A/D转换，变成数字信号；将转换的数字信号作标度变换、线性化处理,3.数字信号处理,数字信号：在有限的离散瞬时上取值间断的信号,特点：时间和幅值都不连续的信号。,绪论,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,优点：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）不敏感，只需检测脉冲的有无来获取信息。,缺点：需要一套转换电路，增加成本。,传送方式：,并行方式传送串行方式传送,绪论,3.数字信号处理,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,信号处理：将数字信号采入计算机后，进行码制转换。如BCD转换为ASCII，便于在屏幕上显示。,4.开关信号的处理,信号处理：根据开关的状态执行相应的操作。,绪论,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,开关信号：由按钮、行程开关等器件触点产生的信号。,5.二次数据计算,绪论,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,一次数据：从传感器采集的数据。,二次数据：对一次数据作计算得到的数据。,二次数据计算包括:,平均、累计 傅里叶变换、积分变换 变化率、差值 最大值、最小值,6.屏幕显示,将数字、图形、图表等显示在屏幕上。,绪论,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,7.数据存储,按时间间隔，将数据存储在外部存储器。,绪论,1.3 数据采集系统的基本功能,数据采集系统具有的功能：,8.打印输出,按时间间隔，打印输出数字、图形。,9.人机联系,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。,1.4 数据采集系统的结构形式,系统组成：,结构形式：,微型计算机数据采集系统 集散型数据采集系统,绪论,硬件 软件,1.微型计算机数据采集系统,绪论,1.4 数据采集系统的结构形式,微型计算机数据采集系统框图,被测物理量,数字信号,开关信号,系统组成:,传感器：将非电量转换为电信号。,多路开关：分时切换各路模拟量与采样保持器的通路。,程控放大器：对模拟信号进行放大。,采样/保持器：保持模拟信号电压。,A/D转换器：将模拟信号转换为数字信号。,接口电路：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,1.4 数据采集系统的结构形式,微机及外部设备：管理和控制数据采集系统。,定时与逻辑控制电路：产生逻辑控制信号，控制时序。,绪论,1.微型计算机数据采集系统,1.4 数据采集系统的结构形式,器件的执行顺序：,模拟多路开关开始切换；程控放大器放大倍数开始切换；采样/保持器开始保持；A/D转换器开始转换；A/D转换完成。,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,多路开关,放大器,采样保持,AD转换,数据总线,1.2s,6s,tAD,启动脉冲,绪论,1.微型计算机数据采集系统,1.4 数据采集系统的结构形式,系统特点,结构简单，易实现 对环境要求不高 系统成本低 集散型的基本单元 模板齐全，易组成系统,绪论,1.微型计算机数据采集系统,1.4 数据采集系统的结构形式,模拟量输入,模拟量输入,模拟量输入,数字量输入,数字量输入,数字量输入,RS-485,RS-485,数据采集 站,数据采集 站,数据采集 站,通信接口,上位机,绪论,2.集散型数据采集系统,系统结构图:,1.4 数据采集系统的结构形式,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处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。,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，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。,它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。,绪论,2.集散型数据采集系统,1.4 数据采集系统的结构形式,系统组成:,绪论,2.集散型数据采集系统,1.4 数据采集系统的结构形式,RS-232：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20m以内的通信，传输速率一般也小于20k。RS-485：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，传输速度可以达到几百k。,微机要实现RS-485协议通讯，可采用：,采用RS-232与RS-485转接口；采用RS-485通讯卡，接在微机扩展槽上。,系统特点,适应能力强 可靠性高 实时性好 对硬件要求不高,绪论,2.集散型数据采集系统,1.4 数据采集系统的结构形式,模拟信号采集与处理程序 数字信号采集与处理程序 脉冲信号处理程序 开关信号处理程序 运行参数设置程序 系统管理（主控）程序 通讯程序,绪论,数据采集系统软件的组成,1.5 数据采集系统的软件,1.6 数据处理的类型和任务,数据处理类型,按处理方式：,实时（在线）处理事后（脱机）处理,按处理性质：,预处理,剔除误差,标度变换,二次处理,微分、积分,傅里叶变换,绪论,数据处理任务,1.对采集信号作标度变换2.消除数据中的干扰,将没有明确物理意义的电压信号，转换为原来对应的物理量。,绪论,1.6 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。,3.分析计算数据的内在特征,对采集到的数据进行变换计算，以得到能表达采样数据内在特征的二次数据。,绪论,数据处理任务,1.6 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（FFT）变换，得出振动波形的频谱。,46,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影响，因此，常对采集到的振动信号作傅里叶（FFT）变换，得出振动波形的频谱。,图1-4 电机轴承故障数据采集系统,1.6 数据处理的类型和任务,47,图1-5 更换轴承后电机运行的 振动波形与频谱,用振动标准(如ISO2372标准)判断振动是合格的。,但是，这种状态表现为轴承部件存在缺陷，在测完此图后两小时转子抱轴。,1.6 数据处理的类型和任务,1.7 学习重点和方法,学习重点:,数据采集的基本理论、概念。数据采集理论的运用。数据采集程序的设计。,绪论,学习方法：,认真听课注意记笔记积极回答问题勤于思考，注意灵活应用基本理论解决实际问题独立完成各章作业提高编程能力,绪论,1.7 学习重点和方法,接下来的教学内容,第2章 模拟信号的处理,第4章 测量放大器,1,第3章 模拟多路开关,第5章 采样保持器,第6章 模数转换器,第11章 数据采集系统的抗干扰技术,绪论,2,3,4,5,6,7,第7章 数模转换器,