第1章_数据采集与处理技术_绪论

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1、汽车与交通工程学院动力机械及工程系 贾和坤 13952816773,数据采集与处理技术,课程简介,数据采集是信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号的测量与处理等先进技术为基础形成的一门综合应用技术。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。 由于本课程是一门应用科学，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、电子技术、微机原理、BA

2、SIC语言等课程,教材及主要参考资料 马明建编著. 数据采集与处理技术(第3版）. 西安交通大学出版社,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：30 学分：2.0,1.1 数据采集的意义与任务,1.2 数据采集系统的基本功能,1.3 数据采集系统的结构形式,1.4 数据采集系统的软件,第1章 绪 论,绪论,1.5 数据处理的类型和任务,1.1 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

3、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,1.1 数据采集的发展史和应用,数据采集的发展史,蒸汽机离心式调速系统,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,8,1.1 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。,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

4、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,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）。,数据采集在自动控制中的位置,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,数据采集的工程应用实例,石油化工生产过

5、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,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,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,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,1.1 数据采集的发展史和应用,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,1.1 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

6、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,1.1 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,1.1 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,1.1 数

7、据采集的意义与任务,成本也是一个必须考虑的因素,1.2 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,1.2 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。,1.2 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

8、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,1.2 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,1.2 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，

9、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,1.2 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,1.2 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,1.2 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

10、储器。,绪论,1.2 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。,1.3 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,软件 硬件,1. 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,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：

11、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,1.3 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,1.3 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

12、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,1.3 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,1.3 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:,1.3 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

13、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,1.3 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,1.3 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。

14、,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,1.3 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,1.4 数据采集系统的软件,1.5 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,1.5 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,1.5 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。,