1、青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統第一節第一節 數據采集系統概述數據采集系統概述 7070年代以前年代以前, ,數據采集系統是針對特定的任務，采用獨立元數據采集系統是針對特定的任務，采用獨立元器件搭建的專用系統，體積龐大、可靠性較低、數據處理能力有器件搭建的專用系統，體積龐大、可靠性較低、數據處理能力有限、精確度不高、缺乏數據通訊及遠傳功能。此時的測量設備和限、精確度不高、缺乏數據通訊及遠傳功能。此時的測量設備和計算機是彼此相互獨立的，計算機是作為離線輔助工具，只用來計算機是彼此相互獨立的，計算機是作為離線輔助工具，只用來完成測試結果

2、統計、數據處理和間接測量的中間計算等。完成測試結果統計、數據處理和間接測量的中間計算等。 7070年代以后，測試設備通過年代以后，測試設備通過A/DA/D、D/AD/A、I/OI/O接口與計算機對接口與計算機對接，計算機數據采集測試系統逐漸發展起來。其間隨著接，計算機數據采集測試系統逐漸發展起來。其間隨著標準總線標準總線的普及，實現了計算機數據采集系統模塊化結構。的普及，實現了計算機數據采集系統模塊化結構。 8080年代以后，單片機、年代以后，單片機、DSPDSP芯片的發展，縮小了計算機數據芯片的發展，縮小了計算機數據采集系統的體積，出現了便攜式和嵌入式結構。硬件采集系統的體積，出現了便攜式和

3、嵌入式結構。硬件/ /軟件技術軟件技術的結合使系統的性能指標達到模擬測試設備無法達到的程度的結合使系統的性能指標達到模擬測試設備無法達到的程度 9090年代以來，專用集成電路和網絡技術迅速發展，計算機年代以來，專用集成電路和網絡技術迅速發展，計算機數據采集系統向數據采集系統向微型化和網絡化微型化和網絡化發展。軟件編程由機器語言、發展。軟件編程由機器語言、匯編語言發展到通用高級語言、專用高級語言和測試專用語言匯編語言發展到通用高級語言、專用高級語言和測試專用語言青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統一、計算機數據采集系統的主要功能一、計算機

4、數據采集系統的主要功能1 1、程控自動測量、程控自動測量程控完成的操作包括選擇測量項目、信號通道及測量范圍，調程控完成的操作包括選擇測量項目、信號通道及測量范圍，調整增益和頻率范圍，實現最佳測量，提高測量精度等。整增益和頻率范圍，實現最佳測量，提高測量精度等。 2 2、程控自動校正、程控自動校正 實際測量之前，計算機控制將實際測量之前，計算機控制將“零點零點”信號源接入測量系統，信號源接入測量系統，此時測量的結果是系統內部器件產生的零點漂移值，將其存儲待此時測量的結果是系統內部器件產生的零點漂移值，將其存儲待用。實際測量時，計算機控制將被測信號接入測量系統，得到實用。實際測量時，計算機控制將被

5、測信號接入測量系統，得到實際測量值。實際測量值扣除零點漂移值，即得準確的測試結果。際測量值。實際測量值扣除零點漂移值，即得準確的測試結果。 3 3、結果判斷及故障報警、結果判斷及故障報警計算機控制對測量系統自身的主要部件進行自我檢測（計算機控制對測量系統自身的主要部件進行自我檢測（自檢自檢），），有有開機自檢開機自檢、周期自檢周期自檢及及鍵控自檢鍵控自檢等。基本過程是由等。基本過程是由CPUCPU向系統向系統各部分發出自檢指令，各功能器分別得到已知的各部分發出自檢指令，各功能器分別得到已知的“輸入輸入”，檢，檢查其查其“輸出輸出”是否正確。例如，對是否正確。例如，對A/DA/D轉換器施加一個標

6、準電壓，轉換器施加一個標準電壓，看其轉換結果是否在預期范圍內；對于看其轉換結果是否在預期范圍內；對于RAMRAM的自檢是通過比較寫的自檢是通過比較寫入與讀出數據是否一致。入與讀出數據是否一致。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統4 4、數據處理、數據處理計算機可對測量的數據進行分類處理、數學運算、誤差修正及計算機可對測量的數據進行分類處理、數學運算、誤差修正及工程單位轉換等。例如，實現工程單位轉換等。例如，實現FFTFFT、相關分析、統計分析、平滑、相關分析、統計分析、平滑濾波等。濾波等。5 5、聯網通信、聯網通信計算機的外設，如打印機

7、、顯示器、磁盤磁帶機、繪圖機、記計算機的外設，如打印機、顯示器、磁盤磁帶機、繪圖機、記錄儀等，通過標準接口和系統進行聯網通信；也可與其他數據錄儀等，通過標準接口和系統進行聯網通信；也可與其他數據采集和控制系統進行聯網通信。采集和控制系統進行聯網通信。6 6、多路巡回或同時測量、多路巡回或同時測量一臺儀器一般只能測量一個或幾個參數，而自動測量系統可以一臺儀器一般只能測量一個或幾個參數，而自動測量系統可以配備多個信號通道，有的多達上千路。例如，一些配備多個信號通道，有的多達上千路。例如，一些OEM OEM ( (Original Equipment Manufacturer的縮寫的縮寫, ,原始設

8、備制造商）廠原始設備制造商）廠商生產的數據采集處理系統，其基本通道為商生產的數據采集處理系統，其基本通道為6464路，可擴展到路，可擴展到40964096路。對于多路信號通過計算機軟件控制，進行高速掃描采路。對于多路信號通過計算機軟件控制，進行高速掃描采樣。選擇合適的功能模板也能很方便地實現對多通道信號同時樣。選擇合適的功能模板也能很方便地實現對多通道信號同時測量，如測量多個信號之間的相位關系。測量，如測量多個信號之間的相位關系。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統二、數據采集系統的分類二、數據采集系統的分類按系統的結構形式，分按系統的

9、結構形式，分專用接口型專用接口型和和通用接口型通用接口型按系統的用途的適用程度，分按系統的用途的適用程度，分通用通用和和專用數據采集系統專用數據采集系統1 1、專用接口型、專用接口型采用采用特定功能特定功能的模塊相互連接組成的系統是專用接口型，結的模塊相互連接組成的系統是專用接口型，結構緊湊、模塊利用率高等優點。構緊湊、模塊利用率高等優點。缺點缺點：由于模塊間的差別、系：由于模塊間的差別、系統接口標準不統一，組成系統時相互間的接口十分麻煩。統接口標準不統一，組成系統時相互間的接口十分麻煩。專用接口系統的功能相對固定，硬件及軟件基本沒有冗余部專用接口系統的功能相對固定，硬件及軟件基本沒有冗余部分

10、配置，性能價格比較高。當系統較復雜或規模較大使設計和分配置，性能價格比較高。當系統較復雜或規模較大使設計和制造成本大幅度增加時，就要考慮采用其他的實施方案。制造成本大幅度增加時，就要考慮采用其他的實施方案。 2 2、通用接口型、通用接口型系統中所有模塊間的接口按國際標準設計。用系統中所有模塊間的接口按國際標準設計。用標準電纜標準電纜/ /標準標準機箱插槽機箱插槽進行模塊間的連接。系統組建方便、適應性強、通過進行模塊間的連接。系統組建方便、適應性強、通過修改軟件就可完成不同的測量任務，靈活性和可擴張性較好。修改軟件就可完成不同的測量任務，靈活性和可擴張性較好。此類系統有此類系統有PCPC機標準接

11、口系統、機標準接口系統、STDSTD標準接口系統、標準接口系統、GPIBGPIB標準接標準接口系統、口系統、CAMACCAMAC標準接口系統及標準接口系統及VXIVXI總線標準接口系統等。總線標準接口系統等。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統三、數據采集控制系統的基本構成三、數據采集控制系統的基本構成青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統四、系統總線概述四、系統總線概述 計算機數據采集系統需要通過某種形式的硬件和協議，將計算機數據采集系統需要通過某種形式的硬件和協議，將各單元連接

12、起來協調工作，主要硬件基礎就是接口和系統總線，各單元連接起來協調工作，主要硬件基礎就是接口和系統總線，它們是數據采集與控制系統的重要組成部分，起著紐帶和基礎它們是數據采集與控制系統的重要組成部分，起著紐帶和基礎的作用。的作用。 接口是系統間的交接部分，其基本功能是管理它們之間的接口是系統間的交接部分，其基本功能是管理它們之間的數據、狀態和控制信息的傳輸和交換，屬數據、狀態和控制信息的傳輸和交換，屬“計算機原理與接口計算機原理與接口技術技術”課程內容。課程內容。 總線是計算機系統中模塊與模塊之間傳送信息的一組信號總線是計算機系統中模塊與模塊之間傳送信息的一組信號線，是傳送規定信息的公共通道。線，

13、是傳送規定信息的公共通道。1）有采用有采用分時共用總線分時共用總線方式方式的單總線結構，在不同時刻的單總線結構，在不同時刻總線上的信息總線上的信息類型不同（即數據信類型不同（即數據信息、地址信息和控制信息分時共用同一組總線）；息、地址信息和控制信息分時共用同一組總線）；2）有采用標有采用標準結構的準結構的并行三總線并行三總線形式，即數據總線、地址總線和控制信息形式，即數據總線、地址總線和控制信息總線是各自獨立的總線結構。總線是各自獨立的總線結構。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統1 1、局部總線與系統總線、局部總線與系統總線在復雜的計

14、算機系統或多主機組成的大系統中，擴展存儲器、在復雜的計算機系統或多主機組成的大系統中，擴展存儲器、I/OI/O接口、多個主機等之間通信聯絡頻繁，共用總線負載重、總接口、多個主機等之間通信聯絡頻繁，共用總線負載重、總線競爭激烈，通訊效率不高，甚至發生總線阻塞。這時可將復雜線競爭激烈，通訊效率不高，甚至發生總線阻塞。這時可將復雜系統劃分為若干個功能相對獨立的模塊，各個模塊并行工作。每系統劃分為若干個功能相對獨立的模塊，各個模塊并行工作。每個模塊內建立的總線叫做個模塊內建立的總線叫做局部總線局部總線。模塊之間建立的聯系總線叫。模塊之間建立的聯系總線叫做做系統總線系統總線。在局部總線上可以掛有局部存儲

15、器和局部。在局部總線上可以掛有局部存儲器和局部I/OI/O接口，接口，而系統總線上掛有公共存儲器和公共而系統總線上掛有公共存儲器和公共I/OI/O接口。接口。采用規格化的通用系統總線結構有采用規格化的通用系統總線結構有利于用戶擴展和與其他利于用戶擴展和與其他CPUCPU聯機，或聯機，或共享某些硬件模塊，以減少用戶的硬共享某些硬件模塊，以減少用戶的硬件設計任務。總線可以做成插槽（如件設計任務。總線可以做成插槽（如PCBUSPCBUS，STDBUSSTDBUS）或接口插頭（如）或接口插頭（如RS-RS-232-C232-C，IEEE-488IEEE-488）形式。設計時，）形式。設計時，必須遵照規

16、格化總線結構的規定、定必須遵照規格化總線結構的規定、定義和協議標準。義和協議標準。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統 通過總線占用仲裁決定哪個操作應在總線上進行。最簡單的通過總線占用仲裁決定哪個操作應在總線上進行。最簡單的總線占用仲裁方式總線占用仲裁方式是是串行鏈接式串行鏈接式，其原理是：仲裁器發出一個，其原理是：仲裁器發出一個“應答應答(GRANT)”(GRANT)”信號響應信號響應“請求請求(REQUEST)”(REQUEST)”信號，所有的總信號，所有的總線主控部分按順序接聽這個信號，線主控部分按順序接聽這個信號，首先接聽到首先

17、接聽到GRANTGRANT信號的請求信號的請求占用總線的模塊占用總線的模塊，便取得了總線控制權。在這個模塊已經控制，便取得了總線控制權。在這個模塊已經控制總線的情況下，其余的模塊就不可能對總線進行操作了。其他總線的情況下，其余的模塊就不可能對總線進行操作了。其他仲裁方式還有仲裁方式還有定時查詢方式定時查詢方式和和獨立請求方式獨立請求方式等。等。 2 2、總線仲裁、總線仲裁 總線協議是為了對傳送的信息進行正確和可靠接收所做的約總線協議是為了對傳送的信息進行正確和可靠接收所做的約定條款。例如傳輸速率，對于串行總線，要保證發送的波特率定條款。例如傳輸速率，對于串行總線，要保證發送的波特率和接收的波特

18、率嚴格一致；對于并行總線，則要保證兩次發送和接收的波特率嚴格一致；對于并行總線，則要保證兩次發送之間的時間間隔符合接收的要求。為了協調計算機與外部接口之間的時間間隔符合接收的要求。為了協調計算機與外部接口器件間的速度差異，經常采用總線緩沖技術，即設立發送或接器件間的速度差異，經常采用總線緩沖技術，即設立發送或接收緩沖器以協調二者之間的速度。再如傳輸信息格式，包括基收緩沖器以協調二者之間的速度。再如傳輸信息格式，包括基本信息的格式和輔助信息的格式。本信息的格式和輔助信息的格式。3 3、總線協議、總線協議青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統

19、第二節第二節 數據采集系統的設計數據采集系統的設計一、確定信號特征一、確定信號特征對被測參量的信號特征進行估計是測試系統設計的基礎。因為對被測參量的信號特征進行估計是測試系統設計的基礎。因為機械參量的類型及其時域、頻域特征，直接關系到傳感器選型、機械參量的類型及其時域、頻域特征，直接關系到傳感器選型、變換電路設計、測量精度、數據存儲、處理和后續顯示（記錄）變換電路設計、測量精度、數據存儲、處理和后續顯示（記錄）設備的選擇等。同時考慮現場干擾因素對信號測量的影響，尤設備的選擇等。同時考慮現場干擾因素對信號測量的影響，尤其是干擾信號頻譜和有用信號混雜在一起的情況。其是干擾信號頻譜和有用信號混雜在一

20、起的情況。二、選擇傳感器二、選擇傳感器1 1、根據測量的目的和被測物理量的特點，選用性能價格比合、根據測量的目的和被測物理量的特點，選用性能價格比合適的傳感器。適的傳感器。2 2、可靠性及穩定性、可靠性及穩定性工業現場工作的傳感器必須能承受環境溫度、濕度、介質條件、工業現場工作的傳感器必須能承受環境溫度、濕度、介質條件、振動與沖擊、電磁場干擾、電源波動等的工作條件，且性能要振動與沖擊、電磁場干擾、電源波動等的工作條件，且性能要長期穩定，特征指標不隨時間與環境的變化而改變。每種傳感長期穩定，特征指標不隨時間與環境的變化而改變。每種傳感器都有自己特定的適用范圍，設計時必需考慮實際工況。器都有自己特

21、定的適用范圍，設計時必需考慮實際工況。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統3 3、頻率響應特性、頻率響應特性傳感器頻響應特性是影響測量系統傳感器頻響應特性是影響測量系統動態響應動態響應的主要因素之一。的主要因素之一。傳感器的頻帶寬度只要覆蓋測量信號的頻率范圍，才有可能實傳感器的頻帶寬度只要覆蓋測量信號的頻率范圍，才有可能實現不失真測量。此外，測量系統的動態響應不僅與傳感器有關，現不失真測量。此外，測量系統的動態響應不僅與傳感器有關，而且還與后續的處理電路、部件等的動態特性有關，應綜合考而且還與后續的處理電路、部件等的動態特性有關，應綜合

22、考慮。慮。4 4、線性范圍、線性范圍傳感器線性范圍的寬窄決定了測量系統工作量程的大小。傳感器線性范圍的寬窄決定了測量系統工作量程的大小。5 5、精度、精度傳感器的精度是保證測量系統精確度的第一個重要環節。如果傳感器的精度是保證測量系統精確度的第一個重要環節。如果測試是用于測試是用于定性分析定性分析，可選用重復性好、精度一般的傳感器；，可選用重復性好、精度一般的傳感器；如果是進行如果是進行定量分析定量分析，而且必須獲得準確的測量值，就需要選，而且必須獲得準確的測量值，就需要選用精度等級可滿足要求得傳感器。用精度等級可滿足要求得傳感器。6 6、靈敏度、靈敏度傳感器的靈敏度應保證在測量范圍內，被測參

23、量能有效的轉換傳感器的靈敏度應保證在測量范圍內，被測參量能有效的轉換為電壓或電流的輸出。靈敏度的選擇要以信噪比為基礎。為電壓或電流的輸出。靈敏度的選擇要以信噪比為基礎。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統三、信號調理與處理三、信號調理與處理 信號調理與處理電路的設計原則是信號調理與處理電路的設計原則是“增益信號，抑制噪聲增益信號，抑制噪聲”。信號調理與處理的內容：信號調理與處理的內容：微弱信號放大；微弱信號放大；將電阻將電阻/電感電感/電容電容等電參量轉換為電壓或電流的變化；等電參量轉換為電壓或電流的變化；抑制噪聲的濾波處理；抑制噪聲的

24、濾波處理；阻抗變換；阻抗變換；屏蔽接地；屏蔽接地；調制與解調；調制與解調；信號線性化等。信號線性化等。四、計算機系統硬件和軟件設計四、計算機系統硬件和軟件設計1 1、選擇計算機、選擇計算機2 2、硬件和軟件設計、硬件和軟件設計選定計算機后，應根據外部設備的工作特點、須完成的功能來選定計算機后，應根據外部設備的工作特點、須完成的功能來確定連接方式、輸入輸出接口、邏輯控制電路、通道的工作方式。確定連接方式、輸入輸出接口、邏輯控制電路、通道的工作方式。軟件研制和硬件設計相互配合，應該根據功能特性和經濟性，適軟件研制和硬件設計相互配合，應該根據功能特性和經濟性，適當選擇硬件實現和軟件實現。當選擇硬件實

25、現和軟件實現。3 3、組裝調試、組裝調試按要求組裝軟、硬件，每一項所要求的功能都應進行試驗，通按要求組裝軟、硬件，每一項所要求的功能都應進行試驗，通過試驗發現問題，調試系統，直至所有功能滿足規定要求。過試驗發現問題，調試系統，直至所有功能滿足規定要求。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統五、信號的分析與處理五、信號的分析與處理1 1、抑制噪聲，提取信號、抑制噪聲，提取信號在機械參量由傳感器轉換成電信號的過程中、經過傳輸導線及在機械參量由傳感器轉換成電信號的過程中、經過傳輸導線及中間變換電路到達中間變換電路到達A/DA/D轉換器的過程都會

26、混入各種干擾噪聲，如轉換器的過程都會混入各種干擾噪聲，如電磁干擾、低回路干擾等。電磁干擾、低回路干擾等。 在信號的傳輸或變換電路里可以設計各種在信號的傳輸或變換電路里可以設計各種信噪分離信噪分離電路，電路，用數字信號處理的方法，也可以實現濾波和各種運算，達到與用數字信號處理的方法，也可以實現濾波和各種運算，達到與模擬電路等價的效果。模擬電路等價的效果。2 2、信號特征提取與分析、信號特征提取與分析對信號做進一步的分析與處理，是為了獲得能夠反映測量對象對信號做進一步的分析與處理，是為了獲得能夠反映測量對象狀態和特征的信息。信號的分析可用模擬電路完成，也可用數狀態和特征的信息。信號的分析可用模擬電

27、路完成，也可用數字系統完成。模擬信號處理系統速度快，但易受環境干擾的影字系統完成。模擬信號處理系統速度快，但易受環境干擾的影響。相對而言數字系統速度稍慢，但比較穩定不易受到環境的響。相對而言數字系統速度稍慢，但比較穩定不易受到環境的影響。多任務軟件和多影響。多任務軟件和多CPUCPU系統是數字信號分析軟件和硬件的技系統是數字信號分析軟件和硬件的技術支持基礎。術支持基礎。3 3、系統誤差修正、系統誤差修正 用數據處理的方法消除或減少系統誤差。用數據處理的方法消除或減少系統誤差。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統六、數字濾波和數據處理六、

28、數字濾波和數據處理 計算機采集的原始數據可能出錯或混有噪聲。為提高信號的有計算機采集的原始數據可能出錯或混有噪聲。為提高信號的有效性和可靠性，效性和可靠性，需進行合理性的判別與濾波需進行合理性的判別與濾波；若檢測數據與實；若檢測數據與實際物理量成非線性關系，還際物理量成非線性關系，還需進行線性化處理需進行線性化處理。1 1、采樣數據的合理性判別及報警、采樣數據的合理性判別及報警必須及時檢測采樣是否必須及時檢測采樣是否正常正常。一是避免產生錯誤的計算結果，。一是避免產生錯誤的計算結果，二是及時給出異常的報警信號，以盡早修復。二是及時給出異常的報警信號，以盡早修復。 1 1）越限采樣值的限幅與報警

29、）越限采樣值的限幅與報警 當采樣值超過設定的量程范圍當采樣值超過設定的量程范圍時，一方面將得到的采樣值限幅，另一方面給出報警信息。時，一方面將得到的采樣值限幅，另一方面給出報警信息。當當 ，則取，則取 ，同時報警。，同時報警。 Hyky)(Hyky)(當當 ，則取，則取 ，同時報警。，同時報警。 Lyky)(Lyky)( 2 2）對采樣數據的分析判斷）對采樣數據的分析判斷 根據能量平衡、物料平衡、熱量平衡、過程機理等客觀規律根據能量平衡、物料平衡、熱量平衡、過程機理等客觀規律和操作經驗進行檢查；和操作經驗進行檢查；根據運算模塊進行檢查，看是否有明顯根據運算模塊進行檢查，看是否有明顯不合理的情況

30、出現，如違反某種定理、被零除、數據溢出等。不合理的情況出現，如違反某種定理、被零除、數據溢出等。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統2 2、數字濾波、數字濾波噪聲通常是噪聲通常是“高頻高頻”的，而過程變量的變的，而過程變量的變化相對較緩慢化相對較緩慢信號入口處的信號入口處的RCRC低通濾波低通濾波器能抑制高頻噪聲，但對器能抑制高頻噪聲，但對低頻干擾效果并不理想低頻干擾效果并不理想數字濾波對數字濾波對低頻干擾有低頻干擾有較好效果較好效果 數字濾波數字濾波：又稱軟件濾波。采用某種算法對采集的數據進行：又稱軟件濾波。采用某種算法對采集的數據進

31、行數學處理，消除或削減各種干擾和噪聲，提高信號的真實性。數學處理，消除或削減各種干擾和噪聲，提高信號的真實性。 優點優點：不需要增加硬件設備；不需要增加硬件設備；數字濾波的穩定性好，一數字濾波的穩定性好，一種濾波程序可以反復調用，并且使用靈活、方便，可根據不同種濾波程序可以反復調用，并且使用靈活、方便，可根據不同的需要修改濾波參數或算法。的需要修改濾波參數或算法。 （1）平均值濾波法）平均值濾波法 1）算術平均值濾波法）算術平均值濾波法mipikymky1)(1)( 用于對流量、壓力及沸騰狀液面一類信號作平滑。因為這些信號的特點用于對流量、壓力及沸騰狀液面一類信號作平滑。因為這些信號的特點是有

32、周期性的振蕩現象，信號在平均值附近作上下波動。一般取是有周期性的振蕩現象，信號在平均值附近作上下波動。一般取m=4m=48 8。 該算法可以是在一個采樣瞬間對一個測點多次采樣后，計算其平均值作該算法可以是在一個采樣瞬間對一個測點多次采樣后，計算其平均值作為該次采樣的有效值；也可對多個采樣周期的平均采樣值作遞推濾波使用。為該次采樣的有效值；也可對多個采樣周期的平均采樣值作遞推濾波使用。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統 2 2）加權遞推平均濾波（滑動平均值濾波）加權遞推平均濾波（滑動平均值濾波） 算術平均值濾波是等權重濾波。如果要增加新

33、的采樣值在有效算術平均值濾波是等權重濾波。如果要增加新的采樣值在有效信號中的比重，提高系統對當前所受干擾的靈敏度，可采用加權信號中的比重，提高系統對當前所受干擾的靈敏度，可采用加權遞推平均濾波，其算式為遞推平均濾波，其算式為 10)()(miipikyaky101miia其中其中 （2 2）中值濾波法）中值濾波法 在一個采樣瞬間對被測參數連續采樣在一個采樣瞬間對被測參數連續采樣奇數奇數次，按大小排序，次，按大小排序，選擇大小居中的數據作為有效信號。它可有效濾除由于偶然因選擇大小居中的數據作為有效信號。它可有效濾除由于偶然因素引起的波動或因采樣器的不穩定造成的誤碼等脈沖性干擾，素引起的波動或因采

34、樣器的不穩定造成的誤碼等脈沖性干擾，對緩慢變化的過程采用中值濾波有良好的效果。對緩慢變化的過程采用中值濾波有良好的效果。 將將平均值濾波平均值濾波與與中值濾波中值濾波方法結合起來使用，濾波的效果會方法結合起來使用，濾波的效果會更好。方法是連續采樣更好。方法是連續采樣m m次（次（m m33），并按大小順序排列，從首），并按大小順序排列，從首尾各舍掉尾各舍掉1/31/3個較大的數據和較小的數據，再將剩余的個較大的數據和較小的數據，再將剩余的1/31/3個大個大小居中的數據進行算術平均，作為本次采樣的有效數據。小居中的數據進行算術平均，作為本次采樣的有效數據。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學

35、院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統（3 3）慣性濾波法（一階滯后濾波）慣性濾波法（一階滯后濾波）典型典型RCRC（電阻（電阻電容）低通濾波器的動態方程為電容）低通濾波器的動態方程為xydtdy采樣周期為采樣周期為T0)()() 1()(0kxkyTkyky稱為濾波系數稱為濾波系數令令)(0Ta)()1 () 1()(kxakayky 當當a1a1，當前的，當前的y(ky(k) )等于它在前一步的值等于它在前一步的值y(k-1)y(k-1)，即將新的測量值完全濾，即將新的測量值完全濾掉；掉；當當a0a0，y(ky(k) )等于測量值等于測量值x(kx(k) )，相當于不進行

36、濾波。，相當于不進行濾波。 通常選擇通常選擇0 0a a1 1，濾波后的數值與當前測量值及前一步的濾波值有關，而，濾波后的數值與當前測量值及前一步的濾波值有關，而前一步的濾波值又取決于再前一步的濾波值和測量值，因此實際上濾波值是前一步的濾波值又取決于再前一步的濾波值和測量值，因此實際上濾波值是與與“無窮多無窮多”個歷史值有關，個歷史值有關，a a越大，與歷史值得關系越大，濾波值產生的越大，與歷史值得關系越大，濾波值產生的“滯后滯后”現象越嚴重。因此，應適當選擇濾波系數，使得被測參數既不出現現象越嚴重。因此，應適當選擇濾波系數，使得被測參數既不出現明顯的振蕩，反應又不太遲緩。這就是慣性濾波（或一

37、階滯后濾波）。明顯的振蕩，反應又不太遲緩。這就是慣性濾波（或一階滯后濾波）。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統（4 4）程序判斷濾波）程序判斷濾波 為防止為防止偶然的、大幅度的跳碼干擾偶然的、大幅度的跳碼干擾，在采樣數據經過合理性判，在采樣數據經過合理性判別后，通常還要采用程序判斷濾波法去偽存真。別后，通常還要采用程序判斷濾波法去偽存真。 常見的程序濾波方法：比較兩個相鄰采樣瞬間采樣值的大小，常見的程序濾波方法：比較兩個相鄰采樣瞬間采樣值的大小，用其增量用其增量(以絕對值表示以絕對值表示)與兩次采樣允許的最大差值與兩次采樣允許的最大差

38、值y0比較。比較。若小于或等于若小于或等于y y0 0 ，則本次采樣值為有效值；若大于，則本次采樣值為有效值；若大于y y0 0 ，則，則仍取上次采樣值作為本次采樣值的有效值。仍取上次采樣值作為本次采樣值的有效值。 y0是可供選擇的常數，取決于視被測量的變化速度，一般取是可供選擇的常數，取決于視被測量的變化速度，一般取y0 =VfT0， Vf為輸入信號最大可能變化速度，為輸入信號最大可能變化速度，T0為采樣周期為采樣周期 。3 3、數據處理、數據處理（1 1）線性化處理）線性化處理 檢測信號與該信號所代表的物理量之間不檢測信號與該信號所代表的物理量之間不一定成線性關系。為此，必須對非線性參數進

39、行線性化處理。一定成線性關系。為此，必須對非線性參數進行線性化處理。 （2 2）校正運算）校正運算 有時來自測控對象的某些檢測信號與真實值有有時來自測控對象的某些檢測信號與真實值有偏差，此時需要對這些信號進行補償校正，使補償后的檢測值能偏差，此時需要對這些信號進行補償校正，使補償后的檢測值能反映真實情況。反映真實情況。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統 （3 3）測量值與工程量的轉換）測量值與工程量的轉換 由于生產現場的各種工藝參數量由于生產現場的各種工藝參數量綱不同，如壓力的單位為綱不同，如壓力的單位為Pa，流量的單位為，流量的單位

40、為m3/h，溫度單位為，溫度單位為0C等，這些參數經等，這些參數經A/D轉換為一系列的數碼后，它們并不一定等于轉換為一系列的數碼后，它們并不一定等于原來帶有量綱的參數值，而是僅代表參數值的相對大小，故有必原來帶有量綱的參數值，而是僅代表參數值的相對大小，故有必要將它們轉換成帶有量綱的數值。這種轉換就稱為要將它們轉換成帶有量綱的數值。這種轉換就稱為工程量轉換工程量轉換（也稱標度變換（也稱標度變換）。）。轉換時常用到如下三種類型的公式：轉換時常用到如下三種類型的公式：minminmaxminminmax)()(yNNNxyyy1 1）線性值公式）線性值公式 其前提是參數值與其前提是參數值與A/D轉

41、換值呈線性關系，則有轉換值呈線性關系，則有參數測參數測量值的量值的工程量工程量參數量程參數量程終點終點值值參數量程參數量程起點起點值值測量值對應的經測量值對應的經數 字 濾 波 后 的數 字 濾 波 后 的A/DA/D輸出采樣值輸出采樣值參數量程參數量程終終點點值對應的值對應的A/DA/D值值參數量程參數量程起起點點值對應的值對應的A/DA/D值值 2 2）開方值轉換公式）開方值轉換公式 用差壓變送器測量流量信號時，由于差用差壓變送器測量流量信號時，由于差壓和流量的平方成正比，必須在流量工程量轉換前進行開方處理壓和流量的平方成正比，必須在流量工程量轉換前進行開方處理 3 3）熱電偶與熱電阻公式

42、）熱電偶與熱電阻公式 y=ax+by=ax+b，x x為熱電勢，為熱電勢，y y為溫度，為溫度，a a、b b為常數為常數青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統第三節第三節 典型的數據采集系統典型的數據采集系統一、標準總線數據采集系統一、標準總線數據采集系統1、PC（Personal Computer）標準總線系統）標準總線系統 PC總線包括總線包括:IBM PC/XT，IBM PC/AT，ESIA總線等。總線等。1) IBM PC/XT(Extented Technology)，擴充技術型個人計算機，擴充技術型個人計算機2) IBM P

43、C/AT(Advanced Technology)，先進技術型個人計算機，先進技術型個人計算機3)3)EISA(Extended Industry Standard Architecture，擴展工業標準結構擴展工業標準結構) )總線總線 PC PC總線不是直接與總線不是直接與CPUCPU的數據的數據/ /地址地址/ /控制控制/ /電源線等直接相連，中間要經過電源線等直接相連，中間要經過鎖存、驅動、信號組合等邏輯電路。鎖存、驅動、信號組合等邏輯電路。各模塊通過系統中的各模塊通過系統中的數據數據/ /地址地址/ /控制控制/ /電源線等連成一個整體，即電源線等連成一個整體，即PCPC機主機機主

44、機優點：優點：PC機用戶易于實現，可擴展性好，可維修性好，易于升級換代等。機用戶易于實現，可擴展性好，可維修性好，易于升級換代等。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統2、STD標準總線系統標準總線系統 STD總線是總線是1978年由美國年由美國Prolog公司推出的一種公司推出的一種并行并行微型計微型計算機總線標準。它使用小板結構及算機總線標準。它使用小板結構及56線插頭。線插頭。 STD總線采用底板總線采用底板(母板母板)總線結構，即在一塊底板上并行布總線結構，即在一塊底板上并行布置了數據總線、地址總線、控制總線和電源總線，板上安有若

45、干置了數據總線、地址總線、控制總線和電源總線，板上安有若干個插座，允許任何標準插板插在任意的插槽中使用。個插座，允許任何標準插板插在任意的插槽中使用。 優點：優點：1）簡單、成本低、可靠性高、開放式組態、兼容式總線結構等。）簡單、成本低、可靠性高、開放式組態、兼容式總線結構等。2）可支持多種可支持多種8位、位、16位、位、32位的微處理機，尤其是可支持多處理機系統，實現位的微處理機，尤其是可支持多處理機系統，實現分布式、主從式及多處理機系統，最多允許分布式、主從式及多處理機系統，最多允許16個多主個多主CPU模板在一塊模板在一塊STD總總線底板上運行。線底板上運行。3）為國際上流行的主要標準總

46、線。）為國際上流行的主要標準總線。4）可適用較惡劣的工作）可適用較惡劣的工作環境中、小規模的測量控制系統。環境中、小規模的測量控制系統。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統(a)(b)3、GPIB (General Purpose Interface Bus)標準總線系統標準總線系統 優點：優點： 1）一個接口可連接多達一個接口可連接多達14個設備（包括計算機為個設備（包括計算機為15個設備），在個設備），在20m內使內使用，能滿足實驗室和一般的生產環境測量的需要。一般接口系統是用，能滿足實驗室和一般的生產環境測量的需要。一般接口系統是

47、“點對點點對點”傳送，而傳送，而GPIB則是則是1對對N傳送傳送。 2）通用性和靈活性。符合標準接口要求的儀器設備都可以互相連接起來，通用性和靈活性。符合標準接口要求的儀器設備都可以互相連接起來，組成一個自動測量系統。操作時只需設備和插拔電纜插頭，無需接口硬件設組成一個自動測量系統。操作時只需設備和插拔電纜插頭，無需接口硬件設計計 3）允許系統內被連接的儀器之間，即可在控制器（計算機）的控制下傳輸允許系統內被連接的儀器之間，即可在控制器（計算機）的控制下傳輸數據，也可以在無控制器的條件下自動進行數據傳輸。數據，也可以在無控制器的條件下自動進行數據傳輸。 4）數據傳輸是雙向異步的。數據傳輸速率能

48、在較大的范圍內變化，可滿足數據傳輸是雙向異步的。數據傳輸速率能在較大的范圍內變化，可滿足不同工作速度的儀器的要求。一般最高速率為不同工作速度的儀器的要求。一般最高速率為250kB/s，如果采用三態門發送，如果采用三態門發送器，則最高速率可達器，則最高速率可達1MB/s。 5）成本較低，使用方便。成本較低，使用方便。 青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統4、VXI 標準總線系統標準總線系統 VXI總線是總線是VME（VersaModule Eurocard）總線在儀器領域的擴展）總線在儀器領域的擴展（VMEbus EXTENSIONS F

49、OR INSTRUMENTATION），是繼），是繼GPIB之后，之后，為適應測量儀器從分立的臺式和機架式結構發展為更緊湊的模塊式結構的需為適應測量儀器從分立的臺式和機架式結構發展為更緊湊的模塊式結構的需要，于要，于1987年推出。它對所有廠家和用戶都是公開的，允許用戶將不同廠家年推出。它對所有廠家和用戶都是公開的，允許用戶將不同廠家的模塊用于一個系統的同一機箱內。的模塊用于一個系統的同一機箱內。 采用采用VXIVXI總線的測量系統最多可包含總線的測量系統最多可包含256256個器個器件。與件。與GPIBGPIB系統的主要區別在于，它的全部器件系統的主要區別在于，它的全部器件都是插件式的，并且

50、對插件和主機架的尺寸要求都是插件式的，并且對插件和主機架的尺寸要求嚴格。此外，嚴格。此外，VXIVXI總線為器件提供了數據傳輸、總線為器件提供了數據傳輸、中斷、時鐘、模擬信號線、多種電源線等多種總中斷、時鐘、模擬信號線、多種電源線等多種總線，因而它適用于數字器件，也適用于模擬器件，線，因而它適用于數字器件，也適用于模擬器件，還便于傳輸還便于傳輸8 8位、位、1616位、位、3232位等多種數據位等多種數據 優點：優點：1）開放性，多廠家共用標準使其更）開放性，多廠家共用標準使其更加靈活；加靈活；2）規范化的）規范化的VXI軟件使系統的配置、軟件使系統的配置、編程和集成更簡單；編程和集成更簡單；

51、3）數據傳輸速率最高可達）數據傳輸速率最高可達33MB/s；4）更精確的定時和同步提高了測量準）更精確的定時和同步提高了測量準確度。確度。5）系統組建靈活，易與其他總線接口。）系統組建靈活，易與其他總線接口。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統5、CAMAC總線系統總線系統 CAMAC(Computer Automatic Measurement And Control)是是一種典型的自動測量控制系統，它的各種儀器、功能組件、計算一種典型的自動測量控制系統，它的各種儀器、功能組件、計算機等通過標準機箱連成系統，由總線實現信息相互通信機等

52、通過標準機箱連成系統，由總線實現信息相互通信 CAMAC系統中，機箱是基本單位。系統中，機箱是基本單位。有多種標準化與非標準化的功能組件，大有多種標準化與非標準化的功能組件，大體可分為：體可分為：1）一般用途組件，包括計時器、）一般用途組件，包括計時器、寄存器、時鐘發生器等；寄存器、時鐘發生器等；2）數據采集轉換）數據采集轉換組件組件 例如多路模擬數據采集、例如多路模擬數據采集、S/H、A/D、D/A、積分器等；、積分器等；3）外設接口組件）外設接口組件 如打如打印機印機/磁盤驅動器磁盤驅動器/顯示器顯示器/繪圖議接口等；繪圖議接口等；4）機箱控制器組件機箱控制器組件 用于各類計算機的并行和用

53、于各類計算機的并行和串行控制器；串行控制器；5）分布驅動器。）分布驅動器。 CAMAC標準接口系統一般由測量控標準接口系統一般由測量控制組件、機箱控制器、機箱插件、數據總制組件、機箱控制器、機箱插件、數據總線、接口驅動及其外設組成，如圖。線、接口驅動及其外設組成，如圖。青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統 CAMAC總線共有總線共有兩級二種兩級二種。兩級：第一級是機箱內用的平行總線，稱。兩級：第一級是機箱內用的平行總線，稱為數據通道為數據通道(Data way)；第二級是機箱間連接的總線。兩種：一種是并行的稱；第二級是機箱間連接的總線。

54、兩種：一種是并行的稱為分支通道為分支通道(Branch Highway)，適用于信息量大，傳輸速率高時；另一種是，適用于信息量大，傳輸速率高時；另一種是串行的，稱為串行通道串行的，稱為串行通道(Serial Highway)，適用于機箱間距離較遠時。，適用于機箱間距離較遠時。 用用CAMAC機箱、組件、驅動器、總線，計算機可靈活地組成各種規模和結機箱、組件、驅動器、總線，計算機可靈活地組成各種規模和結構的計算機控制系統。典型的有以下幾種：構的計算機控制系統。典型的有以下幾種： 1）無計算機系統無計算機系統 是指無機箱外接的計算機。是指無機箱外接的計算機。 2）單機箱系統單機箱系統 其結構規定以

55、一個機箱為限。微計算機通過機箱控制器控制其結構規定以一個機箱為限。微計算機通過機箱控制器控制全部插件的工作，有較好的性能價格比。全部插件的工作，有較好的性能價格比。具體結構形式有：具體結構形式有： 3）并行多機箱系統并行多機箱系統 各機箱并行連接，信息傳輸速率高，適用于數據量大的各機箱并行連接，信息傳輸速率高，適用于數據量大的集中系統。集中系統。 4）串行多機箱系統串行多機箱系統 計算機通過串行驅動器與機箱相連，機箱連成環形。各計算機通過串行驅動器與機箱相連，機箱連成環形。各機箱之間可用專用電纜相連，也可用電話電纜相連。機箱之間距離可達機箱之間可用專用電纜相連，也可用電話電纜相連。機箱之間距離

56、可達510km。對于更遠的距離，可增設專用接口，采用遠距離通訊手段，如微波、。對于更遠的距離，可增設專用接口，采用遠距離通訊手段，如微波、無線電等。無線電等。 5）混合多機箱系統混合多機箱系統青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統二、專用數據采集系統二、專用數據采集系統 通用標準接口系統的最大優點是組織靈活、方便，但它們的功通用標準接口系統的最大優點是組織靈活、方便，但它們的功能比較簡單，沒有功能強大的專用數據采集和處理軟件。此外，能比較簡單，沒有功能強大的專用數據采集和處理軟件。此外，其精確度、采集速度等都不如目前先進的專用數據采集系統

57、。其精確度、采集速度等都不如目前先進的專用數據采集系統。現在宇航及航天領域的地面實驗測量中都是采用性能優良的大現在宇航及航天領域的地面實驗測量中都是采用性能優良的大型專用數據采集系統。下面介紹兩種在宇航測試中所是用的測型專用數據采集系統。下面介紹兩種在宇航測試中所是用的測量系統。量系統。 1、多通道采集記錄分析儀、多通道采集記錄分析儀 2、太平洋、太平洋600數據采集系統數據采集系統青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統第四節第四節 虛擬儀器（虛擬儀器（Virtual Instrument) 虛擬儀器是通過軟件將計算機與有關儀器硬件結合起

58、來，虛擬儀器是通過軟件將計算機與有關儀器硬件結合起來，用戶通過圖形界面用戶通過圖形界面(通常稱為虛擬前面板通常稱為虛擬前面板)進行操作的一種儀器。進行操作的一種儀器。 虛擬儀器的開發和應用起源于虛擬儀器的開發和應用起源于1986年年NI(National Instruments)公司推出的公司推出的LabVIEW軟件，并提出了虛擬儀器概念軟件，并提出了虛擬儀器概念一、虛擬儀器的組成一、虛擬儀器的組成 虛擬儀器的基本部件包括虛擬儀器的基本部件包括計算機計算機、儀器硬件儀器硬件、軟件軟件以及將計算以及將計算機與儀器硬件相連接的機與儀器硬件相連接的總線結構總線結構。 計算機計算機GUI對計算機的速度

59、、內存、顯卡等均有要求對計算機的速度、內存、顯卡等均有要求 儀器硬件儀器硬件傳感器、信號調理電路、數據采集卡等傳感器、信號調理電路、數據采集卡等 軟件軟件設備驅動軟件設備驅動軟件（主要是完成各種硬件接口功能的控制程序，實（主要是完成各種硬件接口功能的控制程序，實現與真實儀器系統的通信）、現與真實儀器系統的通信）、監控系統軟件監控系統軟件(通過儀器驅動程序和通過儀器驅動程序和I/O接口軟件接口軟件實現對硬件的操作，進行數據采集，同時完成諸如數據處理、數據存儲、報實現對硬件的操作，進行數據采集，同時完成諸如數據處理、數據存儲、報表打印、趨勢曲線、報警和記錄查詢等功能表打印、趨勢曲線、報警和記錄查詢

60、等功能)。 當前流行的虛擬儀器軟件是當前流行的虛擬儀器軟件是圖形軟件開發環境圖形軟件開發環境，代表產品，代表產品LabVIEW和和HP公司的公司的VEE。 青島大學機電工程學院青島大學機電工程學院第十二章第十二章 計算機控制測試系統計算機控制測試系統二、虛擬儀器的分類與應用二、虛擬儀器的分類與應用根據所采用的總線方式的不同，虛擬儀器分如下四種類型：根據所采用的總線方式的不同，虛擬儀器分如下四種類型：1、PC總線總線插卡型虛擬儀器插卡型虛擬儀器 借助于插入借助于插入PC機中的數據采集卡和專用軟件（如機中的數據采集卡和專用軟件（如LabVIEW）相結合，完）相結合，完成數據采集和處理的任務。成數據