數(shù)據(jù)采集與處理技術.ppt

數(shù)據(jù)采集與處理技術,電子科學與技術系 周維龍,2,教 學 內(nèi) 容,課程地位 數(shù)據(jù)采集（Data acquisition）是信息科學的一個重要分支，是以傳感器、信號的測量與處理、微型計算機等先進技術為基礎而形成的一門綜合應用技術，其實用型很強。作為獲取信息的工具，數(shù)據(jù)采集在國民經(jīng)濟的各個領域，如核電、石化、冶金、航空航天、機械制造等方面有著非常重要的地位。人們可以通過對信號的測量（數(shù)據(jù)獲?。?、處理、控制及管理，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的測、控、管自動化與一體化。因此，本課程是自動控制、測試、儀器儀表、機械設計與自動化等專業(yè)的學生必須學習的一門專業(yè)課程。 數(shù)據(jù)采集不僅涉及到采樣基本理論的應用，還涉及各種芯片的使用、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的抗干擾、程序的編制調(diào)試等工程應用問題。因此，本課程教學必須堅持理論聯(lián)系實際的原則，在講授采樣基本原理的基礎上，著重講授數(shù)據(jù)采集在工程上應用的知識，以進一步培養(yǎng)和提高學生運用本課程講授的知識解決實際問題的能力；要使用啟發(fā)式教學，以精講為主，輔以適當?shù)恼n程實習，加強學生學習的主動性、自覺性。,教材及主要參考資料 1教材 馬明建編著. 數(shù)據(jù)采集與處理技術(第3版）. 西安交通大學出版社,2008. 2主要參考資料 1 祝常紅. 數(shù)據(jù)采集與處理技術. 電子工業(yè)出版社.2008 2李念強 數(shù)據(jù)采集技術與系統(tǒng)設計. 機械工業(yè)出版社2005 3 任家富等.數(shù)據(jù)采集與總線技術 .北京航空航天大學出版社. 2008 總學時：48 學分：3.0,教學基本要求或建議： 1連續(xù)信號的采樣問題、采樣定理的定義、采樣定理的實際應用、頻率混淆原因及解決措施。 2了解模/數(shù)和數(shù)/模的轉換過程、典型模/數(shù)和數(shù)/模轉換器的工作原理；量化過程、誤差、編碼。 3了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的抗干擾措施。 4了解典型A/D、D/A和雙8225接口板的使用。 5了解模擬量采集程序和數(shù)字量采集程序的編程方法。 6 采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、采樣數(shù)據(jù)中奇異項的剔除及采樣數(shù)據(jù)的平滑處理,理論課分配表,實驗課分配表,8,第1章 緒 論,教 學 內(nèi) 容,9,1.2 數(shù)據(jù)采集的意義與任務,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,第1章 緒 論,本章教學內(nèi)容,1.6 數(shù)據(jù)處理的類型和任務,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,10,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,第1章 緒 論,11,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,本節(jié)教學目標,了解數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史,理解的應用,12,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,1. 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史,機械式蒸汽機轉速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng),1788年，英國機 械師 J.瓦特(Watt) 在改進蒸汽機的同 時，發(fā)明了離心式 調(diào)速器，如左圖。,這是機械式蒸 汽機轉速的閉環(huán)自 動調(diào)速系統(tǒng)。,當蒸汽機輸出 軸轉速發(fā)生變化 時，離心調(diào)速器自 動調(diào)節(jié)進汽閥門的 開度，從而控制蒸 汽機的轉速。,數(shù)據(jù) 采集,13,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,離心式調(diào)節(jié)器形成的蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)，見下圖。,瓦特的這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命的發(fā)展有重要 影響。,數(shù) 據(jù) 采 集,反 饋,瓦特蒸汽機轉速不穩(wěn)問題也引發(fā)了自動化科學的 發(fā)展。,14,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,水溫的手動控制,圖中，水溫操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度， 并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。,同時，他要決定（通過大腦）：其手應該朝哪個方向旋 轉閥門（打開或關閉）；旋轉多大的角度）。,2. 數(shù)據(jù)采集在自動控制中的位置,15,水溫的自動控制,采用自動控制時，水溫的手動控制的功能，由各 種傳感器、儀表、執(zhí)行器來代替。,傳感器 測溫計：感測水的溫度； 執(zhí)行器 調(diào)節(jié)閥：打開或關閉蒸汽閥； 控制器 調(diào)節(jié)記錄儀：采集、比較、判斷水溫，驅(qū) 動調(diào)節(jié)閥。,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,16,3. 數(shù)據(jù)采集的工程應用實例,生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),控制量,輸出信號,傳感器,數(shù)據(jù)采集,控制信號,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,17,鋼鐵熱連軋數(shù)據(jù)采集與自動控制,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,18,數(shù)控車床,控制面板,防護罩,排屑機,冷卻液箱,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,19,自動駕駛汽車,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,20,仿人機器人,多指靈巧機器手,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,21,自動控制溫室,1.1 數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應用,22,1.2 數(shù)據(jù)采集的意義與任務,1. 數(shù)據(jù)采集的定義,指采集溫度、壓力、流 量等模擬量，轉換成數(shù) 字量，由計算機進行存 儲、處理、打印的過程。,數(shù)據(jù)采集 ,相應系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。,23,1.2 數(shù)據(jù)采集的意義與任務,2. 數(shù)據(jù)采集的意義,在生產(chǎn)過程中，對工藝參數(shù)進行 采集、監(jiān)測，為提高質(zhì)量、安全 生產(chǎn)、降低成本提供信息。,作用,在科學研究中，用來獲取微觀、 動靜態(tài)信息。,例如，物體的運動數(shù)據(jù)記錄、處理。,24,1.1 數(shù)據(jù)采集的意義與任務,汽車碰撞數(shù)據(jù)采集,25,解決人不能解決的問題。,意義：,3. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務,任務有,采集傳感器輸出的模擬信號，并轉 換成數(shù)字信號，然后送入計算機。,計算機對數(shù)字信號進行處理。,提高工作效率，取得較好的經(jīng)濟 效益。,結果：,1.2 數(shù)據(jù)采集的意義與任務,26,1.2 數(shù)據(jù)采集的意義與任務,5. 構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的依據(jù),在保證系統(tǒng)具備采樣精度的條件下，有 盡可能高的采樣速度，以滿足實時處理、控 制的要求。,4. 評價數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能優(yōu)劣的標準,標準有,系統(tǒng)的采樣精度。,系統(tǒng)的采樣速度。,27,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,第1章 緒 論,28,本節(jié)教學目標,理解模擬信號與處理,理解數(shù)字信號與處理,理解二次數(shù)據(jù)計算,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,29,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般具有以下功能：,1. 采集數(shù)據(jù),按照采樣周期，對模擬、數(shù)字、開關信號 采樣。,2. 模擬信號處理,模擬信號,指信號幅值隨時間連續(xù)變化的 信號。,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,30,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,特點：,在規(guī)定的一段連續(xù)時間內(nèi)，其幅值為 連續(xù)值。,優(yōu)點：,便于傳送。,缺點：,易受干擾。,信號 類型,由傳感器輸出的電壓信號,由儀表輸出的電流信號,020mA,420mA,31,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,信號 處理,將采樣信號,將轉換的數(shù)字信號作標度變換,3. 數(shù)字信號處理,數(shù)字信號,指在有限離散瞬時上取值間斷 的信號。,特點：,時間和幅值都不連續(xù)的信號。,數(shù)字信號,32,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,優(yōu)點：,抗干擾能力強,缺點：,需要一套轉換電路，增加成本。,傳送方式,并行傳送,串行傳送,信號處理：,將數(shù)字信號采入計算機后，進行 碼制轉換。如 BCDASCII， 便于在屏幕上顯示。,33,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,4. 開關信號的處理,開關信號,由按鈕、行程開關等器件觸 點產(chǎn)生的信號。,信號處理：,根據(jù)開關的狀態(tài)執(zhí)行相應的操作。,5. 二次數(shù)據(jù)計算,概念,一次數(shù)據(jù) ,二次數(shù)據(jù) ,從傳感器采集的數(shù)據(jù)。,對一次數(shù)據(jù)作計算得到 的數(shù)據(jù)。,34,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,二次數(shù)據(jù),平均、累計 傅里葉變換、積分變換 變化率、差值 最大值、最小值,6. 屏幕顯示,將數(shù)字、圖形、圖表等顯示在屏幕上。,7. 數(shù)據(jù)存儲,按時間間隔，將數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器。,35,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,8. 打印輸出,按時間間隔，打印輸出數(shù)字、圖形。,9. 人機聯(lián)系,操作人員用鍵盤或鼠標與系統(tǒng)對話，完 成運行方式的設置。,36,1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能,37,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,第1章 緒 論,38,本節(jié)教學目標,理解微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構,理解集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,39,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,系統(tǒng)組成,硬件,結構形式,微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),軟件,集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),40,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,1. 微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),系統(tǒng)的結構如圖1-1所示。,41,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,圖1-1 微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),被 測 物理量,42,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,(1),(2),(3),(4),(5),一個工作周期,多路開關,放大器,采樣保持,AD轉換,數(shù)據(jù)總線,圖1-2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作時序,1.2s,6s,tAD,啟動脈沖,43,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,系統(tǒng)特點,結構簡單，易實現(xiàn) 對環(huán)境要求不高 系統(tǒng)成本低 集散型的基本單元 模板齊全，易組成系統(tǒng),2. 集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),系統(tǒng)結構如圖1-3所示。,44,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,模擬量輸入,模擬量輸入,模擬量輸入,數(shù)字量輸入,數(shù)字量 輸入,數(shù)字量輸入,RS-485,RS-485,數(shù)據(jù) 采集 站,數(shù)據(jù) 采集 站,數(shù)據(jù) 采集 站,通信接口,上位機,圖1-3 集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),45,1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式,系統(tǒng)特點,適應能力強 可靠性高 實時性好 對硬件要求不高,46,1.6 數(shù)據(jù)處理的類型和任務,第1章 緒 論,47,本節(jié)教學目標,理解數(shù)據(jù)處理的類型,理解采集信號的標度變換,1.6 數(shù)據(jù)處理的類型和任務,48,1.6 數(shù)據(jù)處理的類型和任務,處 理 類 型,按處理方式,實時（在線）處理,事后（脫機）處理,按處理性質(zhì),預處理,剔除誤差,標度變換,二次 處理,微分、積分,傅里葉變換,49,1.6 數(shù)據(jù)處理的類型和任務,處理任務,對采集信號作標度變換 消除數(shù)據(jù)中的干擾 分析計算數(shù)據(jù)中的內(nèi)在特征,對采集到的電信號作標度變換,將沒有物理意義的電壓信號，轉換為原來 對應的物理量。,50,1.6 數(shù)據(jù)處理的類型和任務,消除數(shù)據(jù)中的干擾信號,消除在數(shù)據(jù)的采集、傳送和轉換過程中， 系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾在數(shù)據(jù)中混入干擾信號， 以保證采樣精度。,分析計算數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征,對采集到的數(shù)據(jù)進行變換計算，得到表達 采樣數(shù)據(jù)內(nèi)在特征的二次數(shù)據(jù)。,51,1.6 數(shù)據(jù)處理的類型和任務,例如，在研究振動時，由于頻譜更能說明 振動波形對機械結構所產(chǎn)生影響，因此，常對 采集到的振動信號作傅里葉（FFT）變換，得 出振動波形的頻譜。,圖1-4 電機軸承故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),52,1.6 數(shù)據(jù)處理的類型和任務,圖1-5 更換軸承后電機運行的 振動波形與頻譜,用振動標準(如ISO2372標準)判斷振動是合格的。,