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1、第4章 数据采集系统设计,4.1 概述 4.2 模拟量输入通道 4.3 模拟量输出通道 4.4 数字量输入输出通道 4.5 数据处理与滤波,4.1 概 述,4.1.1 数据采集系统的构成 数据采集与处理是每个计算机控制系统都必须具备的基本功能。对于数据采集系统而言，它的主要任务是把生产过程中反映生产状态的各种工艺参数(如温度、压力、流量等)送入计算机进行计算、处理。所得结果不仅作为操作指导信息输出显示，还可进行打印、存储、传送等操作。此外，数据采集系统还可以根据计算结果判断生产状态是否正常，如果发现异常，还会自动进行报警。,数据采集系统根据其任务，一般应由以下几个部分组成：用于系统控制的计算机
2、，完成数据输入输出任务的过程通道，连接计算机与过程通道的接口电路，实现数据显示、打印、存储等功能的输出与报警装置，用于系统控制与数据处理的应用软件等。计算机数据采集与处理系统的一般结构框图如图41所示。,图41 计算机数据采集与处理系统,4.1.2 过程通道的作用与分类 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将其转换成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行处理；处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出至被控对象，以控制执行机构的动作。因此在计算机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转换的连接通道，即过程通道。,过程通道根据信息的来源和类型不同，
3、可以分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道四种。 过程输入通道是为了检测生产过程的状态而设置的检测通道。一般，反映生产过程状态的各种参数(如压力、流量、温度、速度、位置等)都是随时间变化的模拟量，它们可以过检测元件和变送器转换成相应的模拟电流或电压信号。,但是由于计算机只能输入数字量，不能直接输入模拟量，所以它们必须通过模拟量输入通道转换成相应的数字信号后才能送入计算机。至于生产过程中的一些开关量、电平信号、脉冲量，以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则应通过数字量输入通道。,过程输出通道是控制信号的输出通道。由于计算机输出的控制信号是数字量，而很多生产过程的执行
4、机构却要求提供模拟电压或电流，这就必须采用模拟量输出通道，将数字量转换成模拟电压或电流。如果执行机构只要求提供数字量(如开关量、脉冲量或其他形式的数字量)，则应采用数字量输出通道。,4.2 模拟量输入通道,4.2.1 信号的采样和量化 在计算机控制系统中，要将各种模拟信号输入计算机，就必须先将其转换为数字信号。将模拟信号转换成数字信号的过程，是通过信号采样和量化实现的。,1.信号采样 1)采样过程 信号采样就是将连续的模拟信号，通过采样开关按一定时间间隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离散脉冲信号的过程，如图42所示。这一过程也称为离散化过程。,图42 采样过程,图42中f(t)是被采样的模拟信
5、号，它是时间和幅值都连续的函数。采样后的f(t)被以时间间隔T为周期闭合、断开的采样开关S分割成图中所示的时间上离散而幅值上连续的离散模拟信号f*(t)。离散模拟信号f*(t)是一连串的脉冲信号，又称为采样信号。采样开关两次采样(闭合)的间隔时间T称为采样周期，采样开关的闭合时间称为采样时间，0、T、2T各时间点称为采样时刻。,2) 采样定理 从信号的采样过程可知，采样后得到的离散模拟信号没有包括全部时间上的信号值，而只是取了某些时间点上的值。这样处理后的信号会造成信号的丢失吗？显然，采样周期T的合理选取是重要的，采样周期T越短，采样信号f*(t)就越接近连续信号f(t)。 采样后得到的离散模
6、拟信号f*(t)，可以用下述数学表达式来描述：,(41),式中，(t-nT)为t=nT处的单位脉冲函数(即函数)。 根据傅立叶变换，该离散信号的频率特性可以表示为,其中,s为采样角频率，s=2fs=2/T。这就是说 离散信号的频谱以采样频率s为周期无限重复，如图 43所示。,图43 离散信号F*(j)的频谱图,香农(Shannon)采样定理：为了使采样信号f*(t)能反映连续信号f(t)的变化规律，采样频率s(s=2fs=2/T)至少应该是信号f(t)频谱最高频率max 的两倍，即 s2max (43) 当采样周期满足采样定理时，图43中的采样信号频谱就不会发生重叠效应，这时就可以通过理想的低
7、通滤波器从采样信号f*(t)中完全恢复出f(t)来。,事实上，由于理想滤波器不存在，所以要完全恢复出原来的信号是不可能的，工程上只要满足一定的要求即可。实际应用中，常取s(410)max ，过程惯性越大，倍数可取得越大。,2. 量化 因为采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，不能直接送入计算机，故还需经过量化，变成数字信号后才能被计算机接收和处理。 量化就是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号的。将离散采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，其中进行量化处理的装置为模/数(A/D)转换器。,模拟信号的特点是具有无穷多的数值，而一组数码的值却是有限的，因此
8、用一定位数的数码来逼近模拟信号是一种近似的表示。如果用一个有n位的二进制数来逼近在fmin fmax 范围内变化的采样信号，得到的数字量在02 n-1之间，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位，即,(44),量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值大小的小数归整过程，采用的是四舍五入，因而存在量化误差，量化误差的最大值为q/2。,例如，模拟信号fmax 10V,fmin 0V，取n8，则q=10V/(2 8-1)4mV，量化误差最大值 emax q/22mV。 由以上分析可以看出，在A/D转换器的输出位数n足够多时，可以使量化误差达到足够小，就可以认为数字信号近似于采样信号。如果
9、在采样过程中，采样频率也足够高，就可以用采样、量化后得到的一系列离散的二进制数字量来表示某一时间上连续的模拟信号，从而可以由计算机来进行控制计算和处理。,4.2.2 模拟量输入通道的组成 模拟量输入通道由于应用要求和系统本身特点的不同，可以采用不同的结构形式。目前普遍采用的是多路通道共享采样/保持器(S/H)和A/D转换器的结构形式，其一般组成框图如图44所示。,图44 模拟量输入通道的一般结构,1.信号处理 信号处理装置主要是对来自现场的多路模拟信号进行小信号放大、滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换等。 在计算机控制系统中，传感器(如压敏元件、热敏元件、光敏元件等)输
10、出的各种信号在进行A/D转换之前，都应转变成一定的电压或电流信号，如010mA、420mA的直流电流，或05V的直流电压。这些需要通过信号放大、电平转换、电流/电压转换等电路实现。,由于工业现场经常存在着多种干扰源，来自现场的模拟信号中常混杂有干扰信号，因此必须进行信号滤波。用有源滤波器或无源滤波器(如RC电路等)进行信号滤波，可有效滤除信号中的干扰成分。此外，也可以采用软件滤波，即数字滤波的方法。,另外，有些检测信号与被测物理量之间会呈现非线性特性。例如，用热敏元件测量温度，由于热敏元件存在非线性，所得到的温度电压曲线存在非线性特性。因此，测得的电压值不能反映温度的线性变化，应作适当处理，使
11、之接近线性化。在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路的办法达到此目的。在软件上可以用线性插值等线性化处理程序来解决。,2.多路开关 采样开关也称为多路转换器或多路开关，它的作用是将输入信号按一定顺序或随机地接到放大器或采样保持器。为了提高过程参数的测量精度，一般对多路开关也提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零。此外，还希望它切换速度快，噪音小，寿命长，工作可靠。,在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，其种类、型号都比较多，有8通道、16通道、甚至32通道的。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。,图45
12、 CD4051引脚图,CD4051是8通道多路开关，由逻辑电平转换、二进制译码器和8个开关电路组成。CD4051的引脚如图45所示，图中C、B、A是二进制的控制输入端，INH是允许输入端。当INH为高电平时，不论从A、B、C端输入何值，8个通道均不通；当INH为低电平时，允许由A、B、C端输入3位二进制数，在8路通道中选择一路将输入和输出接通。CD4051允许双向使用，改变图中IN/OUT和OUT/IN的接法，可以实现“多到一”或“一到多”的转换。,CD4051是计算机控制系统中广泛使用的模拟开关，直流供电电源为VDD =515V，输入电压UIN =0VDD ，它所能传送的数字信号电位变化范围
13、为315V，模拟信号峰峰值为15V，当VEE 接负电源时，正、负模拟电压均可通过。接通电阻小，一般小于80， 断开电阻高，在VDD -VEE =10V时，泄漏电流的典型值为10nA。,3.采样保持 在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。如图46 所示的正弦模拟信号，如果从t0时刻开始进行A/D转换，转换结束时已为t1，模拟信号已发生U的变化。,因此，被转换的究竟是哪一时刻的电压就很难确定，此时转换延迟所引起的可能误差是U。对于一定的转换时间，最大可
14、能的误差发生在信号过零的时刻，因为此时dU/dt最大，孔径时间tA/D 一定，所以U最大。 令U=Umsint，则,式中，Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。在 坐标的原点,图46 由tA/D 引起的不确定误差电压,取t=tA/D ，则得原点处转换的不确定电压误差为,误差的百分数为,(45),由此可知，对于一定的转换时间tA/D ，误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D 转换的精度，使它不低于0.1%，不得不限制信号的频率范围。 例如，一个10位的A/D转换器，若要求转换精度为0.1%，孔径时间10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为,因此，如果被采样的模拟信号的变化频率相对于
15、A/D转换器的速度来说比较高，为了保证转换精度，就需要在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。 采样保持电路由输入缓冲放大器A1、模拟开关S、保持电容CH和输出缓冲放大器A2组成，如图47所示。A1、A2是运算放大器，都接成了射极跟随器形式，使A2的输入阻抗很大，A1的输出阻抗很低。,图47 采样保持电路,采样状态，由于A1的输出阻抗很小，输入放大器的输出端给电容CH快速充电，Uo输出跟随Ui而变化。为使电容电压跟随输入电压精确到0.05%之内，采样状态持续时间值应大于78倍RCH值。当模拟开关S断开时，进入保持状态，由于A2的输入阻抗很大，输入电流很小，C
16、H的放电时间常数非常大，,这样，CH可以保持开关S断开瞬间输入的电压值，使输出端Uo的电压值保持不变。由此可见，电容CH对采样保持精度影响很大，应选取漏电阻抗较大的电容，如聚苯乙烯或聚四氟乙烯等材料制作的电容，同时在保证采样速度的前提下，可适当增加CH的电容量。,应当指出，在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高而A/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的生产过程(如石油、化工等)可以不设置保持电路。,4.2.3 A/D转换器及其接口技术 A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，是将模拟量转换成数字量的装置，采样和量化就主要是通过A/D转换器实现的。实现A/D转换的方法比较多，常用的有计数比较法、双斜率积分法和逐次逼近法。计数比较式器件简单、价格便宜，但转换速度慢，较少采用。双斜率积分式器件虽然转换速度较慢，但精度
