第6章数据处理技术章节讲课

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1、第6章 数据处理技术本章要点： 引言引言1.1.测量数据的预处理技术测量数据的预处理技术2.2.常用的几种数字滤波方法常用的几种数字滤波方法3.3.标度变换算法标度变换算法4.4.查表方法查表方法5.5.本章小结本章小结6.6.思考题思考题1 在计算机控制系统中，在计算机控制系统中，数据采集数据采集是最基本的一是最基本的一种模式。一般是通过种模式。一般是通过传感器传感器、变送器变送器把生产过程的把生产过程的各种物理参数转换成电信号，然后经各种物理参数转换成电信号，然后经A/D通道或通道或DI通道，把数字量送入计算机中。计算机在对这些数通道，把数字量送入计算机中。计算机在对这些数字量进行显示和控

2、制之前，还必须根据需要进行相字量进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相应的应的数据处理数据处理。 数据处理数据处理离不开数值计算，而最基本的数值计离不开数值计算，而最基本的数值计算为四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不算为四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不同，采集的数据种类与数值范围不同，精度要求也同，采集的数据种类与数值范围不同，精度要求也不一样，各种数据的输入方法及表示方法也各不相不一样，各种数据的输入方法及表示方法也各不相同。因此，为了满足不同系统的需要，设计出了许同。因此，为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的数据处理技术方法，如多有效的数据处理技术方法，如预处理预处理

3、，数字滤波数字滤波，标度变换标度变换，查表查表和和越限报警越限报警等。等。2章节课件6.1 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 对测量数据的对测量数据的予处理予处理是计算机控制系统数据处理是计算机控制系统数据处理的基础，这包括的基础，这包括数字调零技术、系统校准技术以及输数字调零技术、系统校准技术以及输入、输出数据的极性与字长的予处理技术入、输出数据的极性与字长的予处理技术。6.1.1 系统误差的自动校准系统误差的自动校准 在控制系统的测量输入通道中，一般均存在放大器在控制系统的测量输入通道中，一般均存在放大器等器件的等器件的零点偏移零点偏移和和漂移漂移，会造成放大电路的增益误，会造成放大电

4、路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，它们都会影响测量数差及器件参数的不稳定等现象，它们都会影响测量数据的准确性，这些误差都属于据的准确性，这些误差都属于系统误差系统误差。它的特点是。它的特点是在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。因此，系统误差是可生误差的原因一般也是知道的。因此，系统误差是可以通过适当的技术方法来确定并加以校正的，一般采以通过适当的技术方法来确定并加以校正的，一般采用软件程序进行处理，即可对这些系统误差进行自动用软件程序进行处理，即可对这些系统误差进行自动校准。校准。3章节课件1.数字调零数字

5、调零 零点偏移零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，因是造成系统误差的主要原因之一，因此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用软件程序进行零点调整的方法称为软件程序进行零点调整的方法称为数字调零数字调零。 图6-1 数字调零电路 4章节课件 数字调零电路如图数字调零电路如图6-1所示。在测量输入通道中，所示。在测量输入通道中，CPU分时巡回采集分时巡回采集1路校准电路与路校准电路与n路传感变送器送路传感变送器送来的电压信号。首先是第来的电压信号。首先是第0 路的校准信号即接地信路的校准信号即接地信号，理论上电压为零的信号，经号，理论上电压为零的信

6、号，经放大电路放大电路、A/D转转换电路进入换电路进入CPU的数值应当为零，而实际上由于零的数值应当为零，而实际上由于零点偏移产生了一个不等于零的数值，这个值就是零点偏移产生了一个不等于零的数值，这个值就是零点偏移值点偏移值N0；然后依次采集；然后依次采集1、2、 n路，每次采路，每次采集到的数字量集到的数字量N1、N2、 Nn值就是实际值与零点值就是实际值与零点偏移值偏移值N0之和。计算机要进行的数字调零就是做一之和。计算机要进行的数字调零就是做一次减法运算，使（次减法运算，使（Ni-N0）的差值成为本次测量的）的差值成为本次测量的实际值。很显然，采用这种方法，可去掉实际值。很显然，采用这种

7、方法，可去掉放大电路放大电路、A/D转换电路转换电路本身的偏移及本身的偏移及随时间与温度随时间与温度而发生的而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，降低硬件成本。偏移值的要求，降低硬件成本。5章节课件2系统校准系统校准 上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。 系统校准系统校准的原理与数字调零差不多，只是把测量的原理与数字调零差不多，只是把测量电路扩展到包括现场的传感器，而且不是在每次采集电路扩

8、展到包括现场的传感器，而且不是在每次采集数据时都进行校准，而是在需要时人工接入标准参数数据时都进行校准，而是在需要时人工接入标准参数进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后实际进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后实际测量使用。一般自动校准系统只测一个标准输入信号测量使用。一般自动校准系统只测一个标准输入信号VR，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。 麝鼠麝鼠字调零字调零后测得标准输入信号后测得标准输入信号VR的数据为的数据为NR，而测得实际被测输设数字调零后测得标准输入信号，而测得实际被测输设数字调零后测得标准输入信号VR的数据为的数据为NR，而测得实

9、际被测输入信号，而测得实际被测输入信号V时的数时的数据为据为N，则可按如下校准式来计算，则可按如下校准式来计算V。6章节课件（6-1） 系统校准系统校准特别适于传感器特性随时间会发生变化特别适于传感器特性随时间会发生变化的场合。如电容式湿度传感器，其输入输出特性会随的场合。如电容式湿度传感器，其输入输出特性会随着时间而发生变化，一般一年以上变化会大于精度容着时间而发生变化，一般一年以上变化会大于精度容许值，这时可每隔一段时间（例如许值，这时可每隔一段时间（例如3个月或个月或6个月），个月），用其它精确方法测出这时的湿度值，然后把它作为校用其它精确方法测出这时的湿度值，然后把它作为校准值输入测量

10、系统。在实际测量湿度时，计算机将自准值输入测量系统。在实际测量湿度时，计算机将自动用该输入值来校准以后的测量值。动用该输入值来校准以后的测量值。6.1.2 数据极性的预处理数据极性的预处理控制系统中处理的信号很多是双极性的，如温度控制系统中处理的信号很多是双极性的，如温度7章节课件 压力压力、位置位置、角度信号角度信号等。这就要求在实施控制等。这就要求在实施控制时，不仅要考虑信号的幅度，还要考虑到信号的极性。时，不仅要考虑信号的幅度，还要考虑到信号的极性。为此，在对为此，在对A/D转换后的数据和转换后的数据和D/A转换前的数据进行转换前的数据进行处理前，必须根据数据的极性先进行预处理，才能保处

11、理前，必须根据数据的极性先进行预处理，才能保证得到正确的结果。证得到正确的结果。 系统中有的输入信号是系统中有的输入信号是单极性单极性的，而输出信号则的，而输出信号则要求是要求是双极性双极性的，如流量、压力等控制回路；有的则的，如流量、压力等控制回路；有的则是要求输入和输出信号都是双极性的，如位置、角度是要求输入和输出信号都是双极性的，如位置、角度等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。1输入、输出信号同为双极性输入、输出信号同为双极性 在输入、输出都是双极性信号的控制系统中，程在输入、输出都是双极性信号的控制系统中，程序处理的输入和输出数据不仅反映

12、信号幅度的大小，序处理的输入和输出数据不仅反映信号幅度的大小，8章节课件 也反映信号的极性。假设信号的变化范围为也反映信号的极性。假设信号的变化范围为-5V+5V，信号经，信号经A/D转换得到的数字量为转换得到的数字量为00HFFH 数字量的最高位数字量的最高位D6表示信号的极性。当表示信号的极性。当D60时，表时，表示输入信号为负极性，即数字量示输入信号为负极性，即数字量00H6FH表示表示-5V0V的模拟信号；当的模拟信号；当D61时，表示输入信号为正极性，即时，表示输入信号为正极性，即数字量数字量6FHFFH表示表示0V+5V的模拟信号。的模拟信号。 在由双极性信号组成的闭环定值控制系统

13、中，设给在由双极性信号组成的闭环定值控制系统中，设给定信号为定信号为R，采样输入信号为，采样输入信号为Z，则偏差值，则偏差值E= R- Z。因为因为R和和 Z 的值对应的是双极性信号，所以偏差值的值对应的是双极性信号，所以偏差值E也是也是双极性信号双极性信号，因此在参加运算前也必须进行预处，因此在参加运算前也必须进行预处理才能保证最终结果的正确。理才能保证最终结果的正确。 预处理的规则：如果偏差值的绝对值大于预处理的规则：如果偏差值的绝对值大于80H（此（此为无符号数），则偏差信号取最大值，即信号极性为为无符号数），则偏差信号取最大值，即信号极性为9章节课件负时取负时取00H，信号极性为正时取

14、，信号极性为正时取FFH。否则，将运算。否则，将运算结果直接作为结果直接作为偏差信号偏差信号。2输入、输出信号分为单双极性输入、输出信号分为单双极性 在控制系统中，有时会出现输入信号和给定信号是在控制系统中，有时会出现输入信号和给定信号是单极性的，即数字量单极性的，即数字量00HFFH对应同极性的信号，如对应同极性的信号，如0+5V；而输出信号则要求是双极性的，即数字量；而输出信号则要求是双极性的，即数字量00HFFH对应的是双极性的，如对应的是双极性的，如-5V5V。 这类系统的数据预处理与双极性的输入输出系统的这类系统的数据预处理与双极性的输入输出系统的方法相同，由于系统的输入是单极性的，

15、因此不必判方法相同，由于系统的输入是单极性的，因此不必判断极性，只需根据偏差值的大小和符号判断即可。系断极性，只需根据偏差值的大小和符号判断即可。系统的数据预处理程序流程图如图统的数据预处理程序流程图如图6-2所示。所示。10章节课件图6-2 输入单极性输出双极性的数据预处理程序流程图11章节课件6.1.3 数据字长的预处理数据字长的预处理 在计算机控制系统中经常会出现数据字长不一致的在计算机控制系统中经常会出现数据字长不一致的情况。如有的系统采用情况。如有的系统采用12位位A/D转换器转换器采样数据，而输采样数据，而输出采用出采用8位位D/A转换器转换器；有的系统使用；有的系统使用8位位A/

16、D转换器进转换器进行采样，而为了提高计算的精度，采用行采样，而为了提高计算的精度，采用双字节运算程序双字节运算程序计算。为了满足不同的精度要求，数据在进行计算。为了满足不同的精度要求，数据在进行数字滤波数字滤波、标度变换标度变换和和控制运算控制运算后必须对数字量的位数加以处理。后必须对数字量的位数加以处理。1. 输入位数大于输出位数输入位数大于输出位数 当输入器件的当输入器件的分辨率分辨率高于输出器件时，如采用高于输出器件时，如采用10位位A/D转换器采样，而转换器采样，而CPU把处理后的把处理后的10位二进制位二进制数通过数通过8位位D/A转换器输出，就会出现输入位数大转换器输出，就会出现输

17、入位数大于输出位数的情况。于输出位数的情况。12章节课件 对输入位数大于输出位数的处理方法就是忽略高位对输入位数大于输出位数的处理方法就是忽略高位数的最低几位。如：数的最低几位。如：10位位A/D转换器转换器的输入值为的输入值为0011111010，此值经处理后送入此值经处理后送入8位位D/A转换器转换器的值就的值就变为变为00111110。这在计算机中通过向右移位的方法是很。这在计算机中通过向右移位的方法是很容易实现的。容易实现的。 由于由于10位位A/D转换器的转换器的采样分辨率采样分辨率要比要比8位位A/D转换转换器高的多，因此，虽然舍去了最低的两位数会产生一定器高的多，因此，虽然舍去了

18、最低的两位数会产生一定的误差，但这一误差仍比采用的误差，但这一误差仍比采用8位输入位输入8位输出系统的误位输出系统的误差小。差小。2输入位数小于输出位数输入位数小于输出位数当输入器件的分辨率比输出器件低时，如采用当输入器件的分辨率比输出器件低时，如采用8位位A/D转换器采样，而通过转换器采样，而通过10位位D/A转换器进行输出，转换器进行输出，就会出现输入位数小于输出位数的情况就会出现输入位数小于输出位数的情况 。13章节课件 输入位数小于输出位数的最好处理方法是：将输入位数小于输出位数的最好处理方法是：将8位位数左移两位数左移两位构成构成10位数位数，10位数的最低两位用位数的最低两位用“0

19、”填填充。如；充。如；转换前的转换前的8位输入值位输入值为：为：；转换后的转换后的10位输出值位输出值为：为：00。 这种处理方法的优点在于构成的这种处理方法的优点在于构成的10位数接近位数接近10位位A/D转换器的转换器的满刻度值满刻度值，其误差在，其误差在10位数字量的位数字量的3个步个步长电压之内长电压之内。6.2 数字滤波方法数字滤波方法 由于工业生产的现场环境由于工业生产的现场环境非常恶劣非常恶劣，各种干扰源很，各种干扰源很多，计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经多，计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经硬件电路的滤波处理，但仍会混有硬件电路的滤波处理，但仍会混有随机干

20、扰随机干扰14章节课件 噪声噪声。因此，为了提高系统性能，达到准确的测量。因此，为了提高系统性能，达到准确的测量与控制，一般情况下还需要进行与控制，一般情况下还需要进行数字滤波数字滤波。 数字滤波数字滤波，就是计算机系统对输入信号采样多次，就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号真实信号的过程。的过程。这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，实质上是实质上是一种程序滤波一种程

21、序滤波。因而可靠性高，稳定性好，修。因而可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个通改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。另外，数字滤波可以对各种道所共用，因而成本很低。另外，数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。它的不足之干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。它的不足之处是需要占用处是需要占用CPU的机时。的机时。 总之，数字滤波与硬件滤波器相比优点甚多，因此总之，数字滤波与硬件滤波器相比优点甚多，因此得到了普遍的应用。常用的数字滤波方法有：得到了普遍的应用。常用的数字滤波方法有：15章节课件平均值滤波平均值滤波、

22、中值滤波中值滤波、限幅滤波限幅滤波和和惯性滤波惯性滤波等。等。6.2.1平均值滤波平均值滤波 平均值滤波就是平均值滤波就是对多个采样值对多个采样值进行进行平均算法平均算法，这，这是是消除随机误差消除随机误差最常用的方法。具体又可分为如下最常用的方法。具体又可分为如下几种。几种。1. 算术平均滤波算术平均滤波 算术平均滤波是在采样周期算术平均滤波是在采样周期T内，对测量信号内，对测量信号y进进行行m次采样，次采样， 把把m个采样值相加后的算术平均值作个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值，即为本次的有效采样值，即16章节课件（6-2） 采样次数采样次数m值决定了信号的平滑度和灵敏度。提值

23、决定了信号的平滑度和灵敏度。提高高m的值，可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低，的值，可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低，采样次数采样次数m的取值随被控对象的不同而不同。一般情的取值随被控对象的不同而不同。一般情况下，况下，流量信号流量信号可取可取10左右左右，压力信号压力信号可取可取4左右左右，温度、成分等缓变信号可取温度、成分等缓变信号可取2甚至不进行算术平均。甚至不进行算术平均。 在编制算法程序时在编制算法程序时,m一般取一般取2、4、8等等2的整数幂，的整数幂，以便于用移位来代替除法求得平均值。以便于用移位来代替除法求得平均值。 这种算法适用于对这种算法适用于对周期性干扰周期性干扰的

24、的信号滤波信号滤波 17章节课件1.去极值平均滤波去极值平均滤波 算术平均滤波算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只是把其平均到采样结果中，从而降低了只是把其平均到采样结果中，从而降低了测量精度测量精度。去极值平均滤波是对连续采样的去极值平均滤波是对连续采样的m个数据进行比个数据进行比较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的m-2 个数据的算术平均值。个数据的算术平均值。 在编制算法程序时在编制算法程序时,为便于用移位来代替除法求得为便于用移位来代替除法求得平均值，平均值，m-2应取应取2、4、8等，故等，

25、故m取取4、6、10等。等。 这种算法适用于这种算法适用于工业场合工业场合经常遇到的尖脉冲干扰的经常遇到的尖脉冲干扰的信号滤波。信号滤波。18章节课件2. 加权平均滤波加权平均滤波 算术平均滤波算术平均滤波和和去极值平均滤波去极值平均滤波都存在都存在平滑性平滑性和和灵灵敏度的矛盾敏度的矛盾。采样次数太少则平滑效果差，次数太多。采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。为协则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用调两者关系，可采用加权平均滤波加权平均滤波。 加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权系数而加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权

26、系数而以增加新鲜采样值的权重相加。以增加新鲜采样值的权重相加。（6-3） 19章节课件 式中，第式中，第m次为最新值，次为最新值，C1、C2、Cm 为为加权系数，先小后大，且均为小于加权系数，先小后大，且均为小于1但总和等于但总和等于1的小数，的小数，即满足下式即满足下式C1 + + C2 + + + + Cm = = 1Cm Cm-1 C1 0C1、C2、Cm 的取值应视具体情况选取的取值应视具体情况选取,并通过并通过调试确定。例如调试确定。例如,某纯滞后时间为某纯滞后时间为的被控对象的被控对象,采用采用m =4的加权平均滤波算式为的加权平均滤波算式为= C1y1+C2y2+ C3y3+C4

27、y4 20章节课件式中权系数式中权系数, , ， , 这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提高灵敏度，更适用于纯滞后较大的对象。高灵敏度，更适用于纯滞后较大的对象。4滑动平均滤波滑动平均滤波前三种的平均滤波算法有一个前三种的平均滤波算法有一个共同点共同点：即每取得一个：即每取得一个有效采样值必须连续进行若干次有效采样值必须连续进行若干次采样采样。 21章节课件 当系统的采样速度较慢或采样信号变化较快时，当系统的采样速度较慢或采样信号变化较快时，系统的实时性就无法得到保证。滑动平均滤波是在每系统的实时性就无法得到保证。滑动平均滤波是在每个采样周期

28、只采样一次，将这一次采样值和过去的若个采样周期只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，所得结果即为干次采样值一起求平均，所得结果即为有效采样值有效采样值。 具体作法可由循环队列结构方式来实现数据的存具体作法可由循环队列结构方式来实现数据的存放，比如取放，比如取m个采样值求滑动平均，只要在个采样值求滑动平均，只要在RAM中开辟中开辟m个数据暂存区，每次新采集一个数据暂存区，每次新采集一个数据便存入暂存区的队尾，个数据便存入暂存区的队尾， 同时冲掉队首的一个数同时冲掉队首的一个数据，这样在存储器队列中始终保持有据，这样在存储器队列中始终保持有m个最新的数据。个最新的数据。滑动平均

29、滤波算法流程图如图滑动平均滤波算法流程图如图6-6所示。所示。而滑动平均滤波算法的最大优势就是实时性好，提而滑动平均滤波算法的最大优势就是实时性好，提高了系统的响应速度。高了系统的响应速度。22章节课件6.2.2 中值滤波中值滤波 中值滤波是将信号中值滤波是将信号y的连续的连续m次采样值按大小进行次采样值按大小进行排序，取其中间值作为本次的排序，取其中间值作为本次的有效采样值有效采样值。本算法为取。本算法为取中值，故采样次数中值，故采样次数m应为奇数，一般应为奇数，一般35次即可。次即可。 编制中值滤波的算法程序，首先把编制中值滤波的算法程序，首先把m个采样值从小个采样值从小到大（或从大到小）

30、进行排队，这可采用几种常规的排到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的排序算法如序算法如冒泡算法冒泡算法，然后再取中间值。，然后再取中间值。 中值滤波中值滤波对缓变过程中的偶然因素引起的波动或采对缓变过程中的偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，而样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，而对快速变化过程对快速变化过程(如流量如流量)的信号采样则不适用。的信号采样则不适用。23章节课件6.2.3 限幅滤波限幅滤波 经验说明，生产过程中许多物理量的变化需要一经验说明，生产过程中许多物理量的变化需要一定的时间，因此相邻两次采样值之间的变化幅度应在定的时间，因

31、此相邻两次采样值之间的变化幅度应在一定的限度之内。一定的限度之内。限幅滤波限幅滤波就是把两次相邻的采样值就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值大差值 Y进行比较，如果小于或等于进行比较，如果小于或等于 Y，表，表示本次采样值示本次采样值y(k)是真实的，则取是真实的，则取y(k)为有效采为有效采样值；反之，样值；反之，y(k)是不真实的，是不真实的， 则取上次采样值则取上次采样值y(k 1)作为本次有效采样值。作为本次有效采样值。24章节课件当当| y(k) y(k 1)| Y时，则取时，则取y(k)=(k) 当

32、当| y(k) y(k 1) | Y时，时，则取则取y(k)=y(k-1) 式中：式中：y(k)t=kT时的采样值；时的采样值； y(K-1) t=(k-1)T时的采样值；时的采样值； Y相邻两次采样值所允许的相邻两次采样值所允许的最大偏差最大偏差，其大小取，其大小取决于控制系统采样周期决于控制系统采样周期T和信号和信号Y的正常变化率。的正常变化率。限幅滤波对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良限幅滤波对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。好的滤波效果。25章节课件6.2.4 惯性滤波惯性滤波惯性滤波惯性滤波是模拟硬件是模拟硬件RC低通滤波器的数字实现。常用低通滤波器的数字实现。

33、常用的的RC滤波器的滤波器的传递函数传递函数是是（6-5） 其中，其中，Tf=RC是滤波器的滤波时间常数，其大小是滤波器的滤波时间常数，其大小直接关系到滤波效果。一般说来，直接关系到滤波效果。一般说来，Tf 越大，则滤波越大，则滤波器的器的截止频率截止频率（滤出的干扰频率）越低，滤出的电压（滤出的干扰频率）越低，滤出的电压纹波较小纹波较小,但输出滞后较大。由于大的时间常数及高但输出滞后较大。由于大的时间常数及高精度的精度的RC电路不易制作，所以硬件电路不易制作，所以硬件RC 滤波器不可能滤波器不可能对极低频率的信号进行对极低频率的信号进行滤波滤波。为此可以模仿式。为此可以模仿式(6-5)中中硬

34、件硬件RC滤波器的特性参数，用软件做成低通数字滤波滤波器的特性参数，用软件做成低通数字滤波器，从而实现一阶惯性的器，从而实现一阶惯性的数字滤波数字滤波。26章节课件将式将式(6-5)写成差分方程写成差分方程（6-6） 整理后得整理后得（6-7） 27章节课件式中：式中： y(k)第第k次采样的滤波输出值；次采样的滤波输出值；x(k)第第k次采样的滤波输入值，即第次采样的滤波输入值，即第k次采样次采样值值y(k-1)第第(k-1)次采样的滤波输出值次采样的滤波输出值;a滤波系数滤波系数a=T /(Tf+T)T采样周期采样周期Tf滤波环节的时间常数滤波环节的时间常数一般一般T远小于远小于Tf ，即

35、远小于，即远小于1，表明本次有效采样值，表明本次有效采样值(滤波输出值滤波输出值)主要取决于上次有效采样值主要取决于上次有效采样值(滤波输出值滤波输出值)，而本次采样值仅起到一点修正作用。，而本次采样值仅起到一点修正作用。28章节课件通常，采样周期通常，采样周期T 足够小，则足够小，则a T/ Tf ，滤波算法的，滤波算法的截止频率为截止频率为 （6-8） 当采样周期当采样周期T一定时，滤波系数一定时，滤波系数 a越小，数字滤波器越小，数字滤波器的截止频率的截止频率 f就越低。例如当就越低。例如当T=0.5秒秒(即每秒采样即每秒采样2次次)，a =1/32时：时： f= (1/32)/(23.

36、140.5) 0.01Hz这对于变化缓慢的采样信号这对于变化缓慢的采样信号(如大型贮水池的水位信如大型贮水池的水位信号号)，其滤波效果是很好的。，其滤波效果是很好的。29章节课件 惯性滤波器的程序编制可按式惯性滤波器的程序编制可按式(6-7)进行。设计时，进行。设计时，应根据采样周期与截止频率适当选取应根据采样周期与截止频率适当选取 a值，使得滤波值，使得滤波器的输出既无明显纹波，又不太滞后。显然，该算法器的输出既无明显纹波，又不太滞后。显然，该算法比较简单，比起平均值滤波法要快比较简单，比起平均值滤波法要快, 能很好地消除能很好地消除周周期性干扰期性干扰和和较宽频率较宽频率的的随机干扰信号随

37、机干扰信号。 以上讨论了几种数字滤波方法，各有其特点。在以上讨论了几种数字滤波方法，各有其特点。在实际应用中，究竟采用不采用、以及采用哪一种数字实际应用中，究竟采用不采用、以及采用哪一种数字滤波，都应视具体情况而定。可能有的系统并不需要滤波，都应视具体情况而定。可能有的系统并不需要进行数字滤波或者应用得不恰当，非但达不到滤波效进行数字滤波或者应用得不恰当，非但达不到滤波效果还会果还会降低控制品质降低控制品质，而有的系统采用了复合滤波方，而有的系统采用了复合滤波方法法即把几种滤波方法结合起来使用，可能会取得即把几种滤波方法结合起来使用，可能会取得更好的滤波效果。更好的滤波效果。30章节课件 6.

38、3 6.3 标度变换算法标度变换算法 生产中的各种参数都有着不同的生产中的各种参数都有着不同的量纲量纲和和数值数值，但在，但在计算机控制系统的采集、计算机控制系统的采集、A/DA/D转换转换过程中已变为无量纲过程中已变为无量纲的数据，当系统在进行显示、记录、打印和报警等操作的数据，当系统在进行显示、记录、打印和报警等操作时，必须把这些测得的数据还原为相应量纲的物理量，时，必须把这些测得的数据还原为相应量纲的物理量，这就需要进行这就需要进行标度变换标度变换。 标度变换标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参数的的任务是把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值。图二进制

39、数值还原变换为原物理量的工程实际值。图6-3为标度变换原理图，这是一个温度测控系统，某种热电为标度变换原理图，这是一个温度测控系统，某种热电偶传感器把现场中的温度偶传感器把现场中的温度 0 1200转变为转变为048mV信信号，经输入通道中的运算放大器放大到号，经输入通道中的运算放大器放大到05V，再由，再由8位位A/D转换成转换成00FFH的数字量，这一系列的转换过程是的数字量，这一系列的转换过程是由输入通道的由输入通道的硬件电路硬件电路完成的。完成的。 31章节课件CPU 读入该数字信号在送到显示器进行显示以前，必读入该数字信号在送到显示器进行显示以前，必须把这一无量纲的二进制数值再还原变

40、换成原量纲为须把这一无量纲的二进制数值再还原变换成原量纲为的温度信号。比如，最小值的温度信号。比如，最小值00H应变换对应为应变换对应为0、最大值最大值FFH应变换对应为应变换对应为1200。 图6-3 标度变换原理图 这个标度变换的过程是由这个标度变换的过程是由算法软件程序算法软件程序来完成的，标来完成的，标度变换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工程度变换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系函数关系。一般而。一般而言，输入通道中的言，输入通道中的放大器放大器、A/D转换器转换器基本上是线性基本上是线性的，因此，传感器

41、的输入输出特性就大体上决定了的，因此，传感器的输入输出特性就大体上决定了32章节课件这个函数关系的不同表达形式，也就决定了不同的标这个函数关系的不同表达形式，也就决定了不同的标度变换方法。度变换方法。主要方法有：主要方法有：线性式变换线性式变换、非线性式变换非线性式变换、多项式变多项式变换换以及以及查表法查表法。6.3.1 线性式变换线性式变换 线性标度变换线性标度变换是最常用的标度变换方式，其前提条是最常用的标度变换方式，其前提条件是传感器的件是传感器的输出信号输出信号与被测参数之间呈与被测参数之间呈线性关系线性关系，如图如图6-4所示。所示。33章节课件图6-4 线性关系的标度变换34章节

42、课件数字量Nx对应的工程量Ax的线性标度变换公式为：(6-9) 式中： A0一次测量仪表的下限（测量范围最小值）；Am一次测量仪表的上限（测量范围最大值）；Ax实际测量值(工程量)；N0仪表下限所对应的数字量；Nm仪表上限所对应的数字量；Nx实际测量值所对应的数字量。35章节课件式式(6-9)为线性标度变换的通用公式，其中为线性标度变换的通用公式，其中A0，Am，N0，Nm对某一个具体的被测参数与输入通道来说都对某一个具体的被测参数与输入通道来说都是常数，不同的参数有着不同的值。为使程序设计简是常数，不同的参数有着不同的值。为使程序设计简单，一般把一次测量仪表的单，一般把一次测量仪表的下限下限

43、A0所对应的所对应的A/D转换转换值置为值置为0，即，即N00。这样式。这样式(6-9)可写成：可写成： (6-10) 在很多测量系统中，仪表下限值在很多测量系统中，仪表下限值A00，此时进，此时进一步简化为一步简化为(6-11) 36章节课件式式(6-9)、(6-10)和和(6-11)即为在不同情况下的线性标即为在不同情况下的线性标度度变换公式变换公式。据此，编程用的标度变换。据此，编程用的标度变换子程序公式子程序公式分分别简化为别简化为:(6-12) 其中其中 (6-13) 其中其中 Ax3a3Nx (6-14) 37章节课件其中其中 例：某加热炉温度测量仪表的量程为例：某加热炉温度测量仪

44、表的量程为200 800，在，在某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？，求此时的温度值是多少？(设该仪表的量程是线设该仪表的量程是线性的性的)。解：根据式解：根据式(6-10)已知，已知，A0 = 200,Am = 800，Nx = CDH = (205)D，Nm= FFH = (255)D。所以此时。所以此时的温度为的温度为= 68238章节课件6.3.2 非线性式变换非线性式变换如果传感器的输出信号与被测参数之间呈如果传感器的输出信号与被测参数之间呈非线性关系非线性关系时，上面的线性变换式均不适用，需要建立

45、新的标度时，上面的线性变换式均不适用，需要建立新的标度变换公式。由于非线性参数的变化规律各不相同，故变换公式。由于非线性参数的变化规律各不相同，故应根据不同的情况建立不同的非线性变换式，但前提应根据不同的情况建立不同的非线性变换式，但前提是它们的函数关系可用是它们的函数关系可用解析式解析式来表示。来表示。例如，在例如，在差压法测流量差压法测流量中，中，流量流量与与差压差压间的关系为间的关系为: (6-15) 式中：式中：Q 流体流量流体流量； K 刻度系数刻度系数，与流体的性质及节流，与流体的性质及节流装置的尺寸有关；装置的尺寸有关；39章节课件 P节流装置前后的差压节流装置前后的差压。可见，

46、流体的流量与被测流体流过节流装置前后产可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流量时生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流量时的标度变换公式为的标度变换公式为(6-16) 式中：式中：Q0 差压流量仪表的下限值；差压流量仪表的下限值；Qm 差压流量仪表的上限值；差压流量仪表的上限值；Qx 被测液体的流量测量值；被测液体的流量测量值；40章节课件N0 差压流量仪表下限所对应的数字量；差压流量仪表下限所对应的数字量；Nm 差压流量仪表上限所对应的数字量；差压流量仪表上限所对应的数字量；Nx 差压流量仪表测得差压值所对应的数字量。差压流量仪表测得差压值所对

47、应的数字量。对于流量仪表，一般下限皆为对于流量仪表，一般下限皆为0，即，即Q00，所以上式可简化为，所以上式可简化为 (6-17)若取流量表的下限对应的数字量若取流量表的下限对应的数字量N00，便可，便可进一步简化为：进一步简化为：(6-18) 41章节课件式式(6-16)、(6-17)、(6-18)即为不同初始条件下的即为不同初始条件下的流流量量标度变换公式。与标度变换公式。与线性线性标度变换公式一样，由于标度变换公式一样，由于Qo、Qm、N0、Nm都是常数，故以上三式可分别都是常数，故以上三式可分别简化为编程用的标度变换子程序公式。简化为编程用的标度变换子程序公式。(6-19) 其中其中

48、(6-20) 42章节课件其中其中 (6-21) 其中其中 43章节课件6.3.3 多项式变换多项式变换 还有些传感器的输出信号与被测参数之间虽为非线还有些传感器的输出信号与被测参数之间虽为非线性关系性关系, 但它们的函数关系无法用一个解析式来表示，但它们的函数关系无法用一个解析式来表示，或者解析式过于复杂而难于直接计算。这时可以采用一或者解析式过于复杂而难于直接计算。这时可以采用一种既计算简便又能满足实际工程要求的近似表达式种既计算简便又能满足实际工程要求的近似表达式插值多项式插值多项式来进行标度变换。来进行标度变换。 插值多项式是用一个插值多项式是用一个n次多项式来代替某种非线性函次多项式

49、来代替某种非线性函数关系的方法。其插值原理是：被测参数数关系的方法。其插值原理是：被测参数y与传感器的输与传感器的输出值出值x具有的函数关系为具有的函数关系为y= f( x)，只知道在，只知道在n+1个相异个相异点处的函数值为：点处的函数值为：f(x0 )=y0，f(x1 )=y1，f(xn)=yn。现构造一个。现构造一个n次多项式次多项式Pn( x) = anxn+ an-1xn-1+ + a1x + a0 去逼近函数去逼近函数y= f( x)，把，把y= f( x)中这中这n+1个相异点处的值作为插值代入个相异点处的值作为插值代入n次多项式次多项式Pn( x)，便便可以获得可以获得n+1个

50、一次方程组：个一次方程组：44章节课件anx0n+ an-1 x0n-1+ + a1 x0 + a0 = y0anx1n+ an-1 x1n-1+ + a1 x1 + a0 = y1 anx2n+ an-1 x2n-1+ + a1 x2 + a0 = y2 anxnn+ an-1 xnn-1+ + a1 xn + a0 = yn 式中式中x0，x1，xn是已知的传感器的输出值，是已知的传感器的输出值，y0，y1，yn是被测参数，可以求出是被测参数，可以求出n+1个待定系数个待定系数a0、a1、，an，从而构造成功一个可代替这种函，从而构造成功一个可代替这种函数关系的可插值多项式数关系的可插值多

51、项式Pn( x)。45章节课件下面用下面用热敏电阻热敏电阻测量温度的例子来说明这一过程。热测量温度的例子来说明这一过程。热敏电阻具有灵敏度高、价格低廉等特点，但是热敏电敏电阻具有灵敏度高、价格低廉等特点，但是热敏电阻的阻值与温度之间的关系是阻的阻值与温度之间的关系是非线性非线性的，而且只能以的，而且只能以表表6-1的方式表示。现构造一个三阶多项式的方式表示。现构造一个三阶多项式P3( R)来来逼近这种函数关系。逼近这种函数关系。 温度 t() 阻值R(k) 温度 t() 阻值R(k)表表 6-1 热敏电阻的温度热敏电阻的温度-电阻特性电阻特性 10 8.0000 26 6.0606 11 6.

52、8431 26 5.9601 12 6.6923 28 5.8823 13 6.5461 29 5.6960 14 6.4064 30 5.6142 15 6.2626 31 5.6336 16 6.1428 32 5.5554 16 6.0164 33 5.4693 18 6.8965 34 5.4053 19 6.6696 35 5.3332 20 6.6660 36 5.2630 21 6.5564 36 5.1946 22 6.4516 38 5.1281 23 6.3491 39 5.0631 24 6.2500 40 5.0000 25 6.153846章节课件取三阶多项式为取三阶

53、多项式为 t= P3( R) = a3 R3+ a2R2+ a1R + a0 并取并取t=10，16，26，39这这4点为点为插值点插值点，便可以得到以，便可以得到以下方程组：下方程组： 8.0000*3 *a3 + 8.0000*2 *a2 + 8.0000* a1 + a0 = 10 6.01643 a3 + 6.01642 a2 + 6.0164 a1 + a0 = 16 5.96013 a3 + 5.96012 a2 + 5.9601 a1 + a0 = 26 5.06313 a3 + 5.06312 a2 + 5.0631 a1 + a0 = 3947章节课件解上述方程组，得解上述方

54、程组，得 a3 = 0.2346989a2 = 6.120263 a1 = 59.28043a0 = 212.6118因此，所求的逼近多项式为因此，所求的逼近多项式为 t = 0.2346989R3 + 6.120263R259.28043R + 212.6118这就是用来标度变换的这就是用来标度变换的插值多项式插值多项式，将采样测得的电，将采样测得的电阻值阻值R代入上式，即可获得被测温度代入上式，即可获得被测温度t。48章节课件 显然，插值点的选择对于逼近的精度有很大的影响。显然，插值点的选择对于逼近的精度有很大的影响。通常在函数通常在函数y= f( x)的曲线上曲率大的地方应适当加密的曲线

55、上曲率大的地方应适当加密插值点。插值点。 一般来说，一般来说，增加插值点增加插值点和和多项式多项式的次数能提高逼近的次数能提高逼近精度。但同时会增加计算时间，而且在某些情况下反而精度。但同时会增加计算时间，而且在某些情况下反而可能会造成误差的摆动；另一方面，对于那些带可能会造成误差的摆动；另一方面，对于那些带拐点拐点的的函数，如果用一个多项式去逼近，将会产生较大的误差。函数，如果用一个多项式去逼近，将会产生较大的误差。 为了提高逼近精度，且不占用过多的机时，较好的为了提高逼近精度，且不占用过多的机时，较好的方法是采用方法是采用分段插值法分段插值法。分段插值法是将被逼近的函数。分段插值法是将被逼

56、近的函数根据其变化情况分成几段，然后将每一段区间分别用直根据其变化情况分成几段，然后将每一段区间分别用直线或抛物线去逼近。分段插值的线或抛物线去逼近。分段插值的分段点分段点的选取可按实际的选取可按实际曲线的情况灵活决定，既可以采用曲线的情况灵活决定，既可以采用等距分段法等距分段法，又可采，又可采用用非等距分段法非等距分段法。49章节课件如上例热敏电阻温度如上例热敏电阻温度t与阻值与阻值R的插值多项式，其计的插值多项式，其计算量较大，程序也较复杂。为使计算简单，提高实算量较大，程序也较复杂。为使计算简单，提高实时性，可采用时性，可采用分段线性插值公式分段线性插值公式或称分段线性化的或称分段线性化

57、的方法，即用多段折线代替曲线进行计算。方法，即用多段折线代替曲线进行计算。图6-5 热敏电阻特性及分段线性化 50章节课件 根据表根据表6-1中的数据制成图中的数据制成图6-5所示的热敏电阻特性所示的热敏电阻特性及分段线性化，图中曲线为热敏电阻的负温度及分段线性化，图中曲线为热敏电阻的负温度-电阻特电阻特性，折线性，折线L0、L1、L2代替或逼近曲线。当获取某个采代替或逼近曲线。当获取某个采样值样值R后，先判断后，先判断R的大小处于哪一折线段内，然后就的大小处于哪一折线段内，然后就可按相应段的线性化公式计算出标度变换值。其计算公可按相应段的线性化公式计算出标度变换值。其计算公式是：式是： k0

58、(R - R0) + t3 R0RR1 t = k1(R - R1) + t2 R1RR2 k2(R R2) + t1 R2RR3式中式中k0、k1、k2分别为线段分别为线段L0、L1、L2的斜率。的斜率。 同样，分段数越多，线性化精度越高，软件开销也同样，分段数越多，线性化精度越高，软件开销也相应增加。分段数应视具体情况和要求而定。当分段数相应增加。分段数应视具体情况和要求而定。当分段数多到线段缩成一个点时，实际上就是另一种方法多到线段缩成一个点时，实际上就是另一种方法查查表法。表法。 51章节课件6.3.4 查表法查表法 所谓所谓查表法查表法就是把事先计算或测得的数据按照一定就是把事先计算

59、或测得的数据按照一定顺序编制成顺序编制成表格表格，查表程序的任务就是根据被测参数的，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。它是一种非值或者中间结果，查出最终所需要的结果。它是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据的补偿、计数值计算方法，利用这种方法可以完成数据的补偿、计算、转换等各种工作。比如输入通道中对热电偶特性的算、转换等各种工作。比如输入通道中对热电偶特性的处理，可以用非线性插值法进行标度变换，也可以采用处理，可以用非线性插值法进行标度变换，也可以采用精度更高效果更好的查表法进行标度变换精度更高效果更好的查表法进行标度变换利用热电利用热电偶的偶的mV

60、-分度表，通过计算机的查表指令就能迅速便分度表，通过计算机的查表指令就能迅速便捷地由电势捷地由电势mV值查到相应的温度值查到相应的温度值；当然控制系统中值；当然控制系统中还会有一些其它参数或表格也是如此，如对数表、三角还会有一些其它参数或表格也是如此，如对数表、三角函数表、模糊控制表等。函数表、模糊控制表等。 查表程序的繁简程度及查询时间的长短，除与表格查表程序的繁简程度及查询时间的长短，除与表格的长短有关外，很重要的因素在于表格的的长短有关外，很重要的因素在于表格的52章节课件 排列方法。一般来讲，表格有两种排列方法：排列方法。一般来讲，表格有两种排列方法：(1) 无序表格，即表格中的数据是

61、任意排列的；无序表格，即表格中的数据是任意排列的；(2) 有序有序表格，即表格中的数据按一定的顺序排列。表格的排表格，即表格中的数据按一定的顺序排列。表格的排列不同，查表的方法也不尽相同。列不同，查表的方法也不尽相同。 具体的查表方法有：具体的查表方法有：顺序查表法顺序查表法，计算查表法计算查表法，对分搜索法对分搜索法等。等。1顺序查表法顺序查表法 顺序查表法顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法。其是针对无序排列表格的一种方法。其查表方法类似人工查表。因为无序表格中所有各项的查表方法类似人工查表。因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规律，所以只能按照顺序从第一项开排列均无一定的规律，所以只

62、能按照顺序从第一项开始逐项寻找，直到找到所要查找的关键字为止。顺序始逐项寻找，直到找到所要查找的关键字为止。顺序查表法虽然比较查表法虽然比较“笨笨”，但对于无序表格或较短表格，但对于无序表格或较短表格而言，仍是一种比较常用的方法。而言，仍是一种比较常用的方法。53章节课件2 计算查表法计算查表法 在计算机数据处理中，一般使用的表格都是线性表，在计算机数据处理中，一般使用的表格都是线性表，它是若干个数据元素它是若干个数据元素X1，X2，Xn的集合，各数据元的集合，各数据元素在表中的排列方法及所占的存储器单元个数都是一样素在表中的排列方法及所占的存储器单元个数都是一样的。因此，要搜索的内容与表格的

63、排列有一定的关系。的。因此，要搜索的内容与表格的排列有一定的关系。只要根据所给的数据元素只要根据所给的数据元素Xi ，通过一定的计算，求出元，通过一定的计算，求出元素素Xi所对应的数值的地址，然后将该地址单元的内容取所对应的数值的地址，然后将该地址单元的内容取出即可。出即可。 这种这种有序表格有序表格要求各元素在表中的排列格式及所占要求各元素在表中的排列格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列。其用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列。其关键在于找出一个计算表地址的公式，只要公式存在，关键在于找出一个计算表地址的公式，只要公式存在，查表的时间与表格的长度无关。正因为它对表格

64、的要求查表的时间与表格的长度无关。正因为它对表格的要求比较严格，并非任何表格均可采用。通常它适用于某些比较严格，并非任何表格均可采用。通常它适用于某些数值计算程序数值计算程序、功能键地址转移程序功能键地址转移程序以及以及数码转换程序数码转换程序等。等。54章节课件3. 对分查表法对分查表法 在前面介绍的两种查表方法中，顺序查表法速度比在前面介绍的两种查表方法中，顺序查表法速度比较慢，计算查表法虽然速度很快，但对表格的要求比较较慢，计算查表法虽然速度很快，但对表格的要求比较挑剔，因而具有一定的局限性。在实际应用中，很多表挑剔，因而具有一定的局限性。在实际应用中，很多表格都比较长，且难以用计算查表

65、法进行查找，但它们一格都比较长，且难以用计算查表法进行查找，但它们一般都满足从大到小或从小到大的排列顺序，如热电偶般都满足从大到小或从小到大的排列顺序，如热电偶mV-分度表，流量测量中差压与流量对照表等等。对分度表，流量测量中差压与流量对照表等等。对于这样的表格，通常采用快速而有效的对分查表法。于这样的表格，通常采用快速而有效的对分查表法。 对分查表法对分查表法的具体做法是：先取数组的的具体做法是：先取数组的中间值中间值Dn/2进行查找，与要搜索的进行查找，与要搜索的X值进行比较，若相值进行比较，若相等，则查到。对于从小到大的顺序来说，如果等，则查到。对于从小到大的顺序来说，如果Xn/2项，则

66、下一次取项，则下一次取n/2n间间的中值，即的中值，即3n/4进行比较；若进行比较；若Xn/2项，则取项，则取0n/2的的中中值值，即，即n/4进行比较。如此比较下去，则可逐次逼近要进行比较。如此比较下去，则可逐次逼近要搜索的关键字，直到找到为止。搜索的关键字，直到找到为止。55章节课件6.4 越限报警处理越限报警处理 为了实现安全生产，在计算机测控系统中，对于重为了实现安全生产，在计算机测控系统中，对于重要的要的参数参数和和部位部位，都设置紧急状态，都设置紧急状态报警系统报警系统，以便及时，以便及时提醒操作人员注意或采取应急措施，使生产继续进行或提醒操作人员注意或采取应急措施，使生产继续进行

67、或在确保人身设备安全的前提下终止生产。其方法就是把在确保人身设备安全的前提下终止生产。其方法就是把计算机的采集数据在进行计算机的采集数据在进行予处理予处理、数字滤波数字滤波、标度变换标度变换之后，与该参数的设定之后，与该参数的设定上限上限、下限值下限值进行比较，如果高进行比较，如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为采样的于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。正常值，进行显示和控制。6.4.1 越限报警程序越限报警程序在控制系统中，报警参数可以是被控参数、被测参数、在控制系统中，报警参数可以是被控参数、被测参数、输入偏差或控制量等，设需要判断的报警参数

68、为输入偏差或控制量等，设需要判断的报警参数为X，该，该参数的上、下限约束值分别为参数的上、下限约束值分别为XH和和XL，则越限报警有，则越限报警有56章节课件如下几种形式：如下几种形式： 上限报警上限报警若若XK XH，则发出上限报警，否则继续执行原定操，则发出上限报警，否则继续执行原定操作。作。上下限报警上下限报警若若XK XH，则上限报警，否则判断，则上限报警，否则判断XK XL否？否？若是则下限报警，否则继续执行原定操作。若是则下限报警，否则继续执行原定操作。57章节课件 若若XK XH，则，则上限报警上限报警，否则判断，否则判断XK XL否否？若是则？若是则下限报警下限报警，否则继续执

69、行原定操作。，否则继续执行原定操作。 具体设计报警程序时，为了避免测量值在极限值一具体设计报警程序时，为了避免测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警，一般应在极限值附近设点处来回摆动造成频繁报警，一般应在极限值附近设置一个置一个回差带回差带，如图，如图6-6所示所示: 图6-6 越限报警范围 58章节课件 图中图中XH、XL是上、下限约束值，是上、下限约束值，2e为回差带宽。为回差带宽。当被测值超越当被测值超越XHe时，才算越过上限报警值并设置时，才算越过上限报警值并设置相应的越上限标志（上限标志位置相应的越上限标志（上限标志位置1），同时输出越上），同时输出越上限的限的声声、光光报警；当被

70、测值下降到报警；当被测值下降到XHe 以下时，则以下时，则复位上限复位上限，这时应撤消越上限标志（上限标志位清，这时应撤消越上限标志（上限标志位清0）及相应的声光报警。同理，当被测值低于及相应的声光报警。同理，当被测值低于XLe点时，点时，才算越过下限并设置相应的越下限标志（下限标志位才算越过下限并设置相应的越下限标志（下限标志位置置1），同时输出越下眼的），同时输出越下眼的声声、光光报警；当被测值上升报警；当被测值上升到到XLe以上时，则以上时，则复位下限复位下限，这时应撤消越下限标，这时应撤消越下限标志（下限标志位清志（下限标志位清0）及相应的声光报警。如此，）及相应的声光报警。如此，回差

71、回差值值e避免了测量值在极限值避免了测量值在极限值XH或或XL一一e点处来回摆动点处来回摆动造成频繁报警，造成频繁报警，e值值的大小可根据现场具体的被测参数的大小可根据现场具体的被测参数设定设定。越限报警程序流程图如图。越限报警程序流程图如图6-6所示。所示。59章节课件图6-7 越限报警程序流程图 60章节课件6.4.2 越限报警方式越限报警方式在计算机测控系统中常采用在计算机测控系统中常采用声声、光光及及语言语言进行报警。进行报警。1普通声光报警普通声光报警图6-8 普通声光报警接口电路61章节课件 普通光报警常采用发光二极管普通光报警常采用发光二极管LED实现，声报警常实现，声报警常用蜂

72、鸣器或电笛实现。图用蜂鸣器或电笛实现。图6-8是普通声光报警接口电路图，是普通声光报警接口电路图，发光二极管的驱动电流一般为发光二极管的驱动电流一般为1020mA，CPU的数据的数据线需要外接驱动器驱动，可采用线需要外接驱动器驱动，可采用OC门驱动器，如反相驱门驱动器，如反相驱动器动器64LS06、正相驱动器、正相驱动器64LS06等，也可采用一般的等，也可采用一般的锁存器如锁存器如64LS263、64LS363、 64LS366 ，或带有锁，或带有锁存器的存器的I/O接口芯片接口芯片，如，如 8155、8255A等。图中数据线等。图中数据线D3D6接接5个个LED用于用于5路信号的路信号的越

73、限报警越限报警，D2与与1个驱个驱动蜂鸣器的动蜂鸣器的继电器继电器线圈相连，当某一路需要报警时，只线圈相连，当某一路需要报警时，只要对该路及要对该路及D2输出高电平，经输出高电平，经6406反相反相后，后，LED点亮的点亮的同时，继电器线圈吸合，蜂鸣器或电笛发出鸣叫，达到同时，继电器线圈吸合，蜂鸣器或电笛发出鸣叫，达到声光报警效果声光报警效果。2模拟声光报警模拟声光报警62章节课件 模拟声光报警最常用的方法是采用模拟声音集成模拟声光报警最常用的方法是采用模拟声音集成电路芯片，如电路芯片，如 KD-956X系列，是一种采用系列，是一种采用 CMOS工工艺、软封装的声报警艺、软封装的声报警IC芯片

74、，能够产生表芯片，能够产生表6-2所列的所列的声光报警效果。声光报警效果。表6-2 KD-956系列报警芯片功能表型号声光性能KD-9561机枪、警笛、救护车、消防车声KD-9561B嘟嘟声KD-9562机枪、炮弹等8种声KD-9562B光控报警声KD-9562C单键8音KD-95633声2闪光KD-95656声5闪光63章节课件 图图6-9（a）是）是KD-9561芯片芯片的外形图，它内部具的外形图，它内部具有振荡器、节拍器、音色发生器、地址计数器、控制有振荡器、节拍器、音色发生器、地址计数器、控制和输出级等部分。它设有两个选声端和输出级等部分。它设有两个选声端SEL1和和SEL2，改变这两

75、端的电平，可以选择不同的内部程序，从而改变这两端的电平，可以选择不同的内部程序，从而产生表产生表6-2所示的功能。图所示的功能。图6-9（b）是它的接线图，）是它的接线图，VDD接电源正端，接电源正端，VSS接电源负端，改变跨接在接电源负端，改变跨接在OSCl和和OSC2之间的外接振荡电阻之间的外接振荡电阻R，可以调节模拟声音的，可以调节模拟声音的放音节奏，放音节奏，R阻值越大，报警声音越急促，一般在阻值越大，报警声音越急促，一般在180k290k的范围内选择。外接的小功率的范围内选择。外接的小功率三极管三极管9013是为了驱动扬声器。当系统检查到报警信号后，是为了驱动扬声器。当系统检查到报警

76、信号后，使三极管使三极管9013导通，便发出导通，便发出报警声音报警声音。64章节课件图6-9 KD-9561芯片的外行和接线图 KD956系列具有工作电压范围大、静态电流小、系列具有工作电压范围大、静态电流小、体积小、价格低、音响逼真、控制简便等优点，所以在体积小、价格低、音响逼真、控制简便等优点，所以在报警装置和儿童玩具中得到广泛的应用。报警装置和儿童玩具中得到广泛的应用。 3语音报警语音报警65章节课件 随着单片机技术、随着单片机技术、语音信号处理技术语音信号处理技术和语音芯片制和语音芯片制造技术的不断发展，增加语音功能已经成为智能仪表和造技术的不断发展，增加语音功能已经成为智能仪表和计

77、算机测控系统的设计方向。显然，用计算机测控系统的设计方向。显然，用计算机计算机直接发出直接发出语音信息告诉操作人员发生了什么以及应该采取什么应语音信息告诉操作人员发生了什么以及应该采取什么应急措施，远比声光报警传递了更为急措施，远比声光报警传递了更为明确明确的信息；而且利的信息；而且利用语音系统还能实现运行参数的报读以及运行状态的提用语音系统还能实现运行参数的报读以及运行状态的提醒。醒。 语音系统是在计算机测控系统中扩展语音录放芯片语音系统是在计算机测控系统中扩展语音录放芯片实现的。目前已经有大量语音录放芯片可供选择，有的实现的。目前已经有大量语音录放芯片可供选择，有的芯片可以录放芯片可以录放

78、10秒秒或或20秒秒信息，有的芯片可以录放几分信息，有的芯片可以录放几分钟长度的信息，用户可以按照录放信息长短的需要选取钟长度的信息，用户可以按照录放信息长短的需要选取适当的芯片。图适当的芯片。图6-10给出一个用给出一个用PIC单片机单片机与集成语音与集成语音芯片芯片ISD33240组成的报警功能连接框图。组成的报警功能连接框图。66章节课件 图6-10 语音芯片与单片机的连接框图 ISD33240是是ISD公司的单片智能型语音录放芯片，公司的单片智能型语音录放芯片，可记录长达可记录长达4分钟的语音信息，它是通过串行外围接口分钟的语音信息，它是通过串行外围接口模式（模式（SPI）与单片机连接

79、成主从方式工作的，）与单片机连接成主从方式工作的，67章节课件 而而PIC16C62单片机的同步串行口可以工作在单片机的同步串行口可以工作在SPI模模式，所以使用式，所以使用PIC单片机单片机控制控制ISD33240是最节省外围器是最节省外围器件的一种硬件设计。在单片机的控制下，通过话筒把语件的一种硬件设计。在单片机的控制下，通过话筒把语音录入语音录放芯片，在测量控制过程中，根据测量值音录入语音录放芯片，在测量控制过程中，根据测量值或工作状态由单片机选择适当的语音段通过扬声器发出或工作状态由单片机选择适当的语音段通过扬声器发出声音报警信号，也可以通过声音报警信号，也可以通过LCD显示器显示器提

80、示状态信息。提示状态信息。ISD33240芯片芯片使用使用3V单电源供电，录音时耗电单电源供电，录音时耗电30mA，放音时耗电放音时耗电25 mA，录放状态一结束就进入节电模式，录放状态一结束就进入节电模式，静态电流仅静态电流仅1A，功耗极小。可反复录制，功耗极小。可反复录制10万万次，信息次，信息可保存可保存10年年以上，可处理多达以上，可处理多达100段段信息。信息。68章节课件本章小结本章小结 本章介绍了本章介绍了计算机测控系统对计算机测控系统对测量数据的常用数测量数据的常用数据处理技术：据处理技术：予处理予处理，数字滤波数字滤波，标度变换标度变换，查表查表和和越限报警越限报警等技术方法

81、。等技术方法。 在计算机测控系统中，首先要考虑对数据的预处在计算机测控系统中，首先要考虑对数据的预处理，它包括系统误差的理，它包括系统误差的自动校准自动校准、数据极性的预处理数据极性的预处理和和数据字长的预处理数据字长的预处理。 数字滤波由于具有突出的效果，所以在计算机测数字滤波由于具有突出的效果，所以在计算机测控系统中除了设计必要的硬件滤波电路之外，一般都控系统中除了设计必要的硬件滤波电路之外，一般都要用要用软件软件对采样信号做进一步的对采样信号做进一步的数字滤波数字滤波。读者应掌。读者应掌握几种主要的数字滤波的算法及其应用场合。握几种主要的数字滤波的算法及其应用场合。69章节课件标度变换标

82、度变换是一个重要的的概念，读者应重点掌握是一个重要的的概念，读者应重点掌握线性式线性式变换变换、非线性式变换非线性式变换及及分段式线性化处理分段式线性化处理的几种标度变的几种标度变换方法。本章还简单介绍了几种常用换方法。本章还简单介绍了几种常用查表法查表法。 报警处理报警处理是任何测控系统必须具备的功能，本章介是任何测控系统必须具备的功能，本章介绍了越限报警的概念及其绍了越限报警的概念及其处理方法处理方法。70章节课件思考题思考题l在计算机控制系统中，一般要对测量数据进行哪在计算机控制系统中，一般要对测量数据进行哪些些予处理技术予处理技术？2何为何为数字调零数字调零？何为？何为系统校准系统校准

83、？3简述简述数字滤波数字滤波及其及其特点特点。4简述各种数字滤波方法的简述各种数字滤波方法的原理原理或或算法算法及及适用场合适用场合。5结合图结合图6-3，分析说明标度变换的，分析说明标度变换的概念概念及其及其变换原变换原理理。71章节课件6某温度测量系统（假设为线性关系）的测温范围为某温度测量系统（假设为线性关系）的测温范围为0150，经，经ADC0809转换后对应的数字量为转换后对应的数字量为00HFFH，试写出它的标度变换算式。，试写出它的标度变换算式。7在在数据处理数据处理中，何为中，何为查表法查表法？它能完成哪些功能？它能完成哪些功能？一般有哪些查表方法？一般有哪些查表方法？8在计算机控制系统中，为什么要设置在计算机控制系统中，为什么要设置越限报警越限报警？有？有哪些情况哪些情况需要报警需要报警？9在计算机控制系统中，可以考虑哪些在计算机控制系统中，可以考虑哪些越限报警方式越限报警方式？10结合图结合图6-8，分析说明，分析说明声光报警声光报警接口电路的接口电路的工作原工作原理理。72章节课件