1、汽車與交通工程學院動力機械及工程系賈和坤據采集與處理技術l數據采集數據采集是信息科學信息科學的一個重要分支，是以傳感器、信號的測量與處理等先進技術為基礎形成的一門綜合應用技術綜合應用技術。人們可以通過對信號的測量（數據獲取）和處理，實現對生產過程的自動化或者智能化控制及管理。因此，數據采集與處理技術在國民經濟的各個領域得到了廣泛的應用，有著非常重要的地位。l由于本課程是一門應用科學應用科學，需要綜合運用多種學科知識，涉及到的知識面相當廣泛、要求學生具備較扎實的高等數學、普通物理學等方面的基礎課知的同時，而且還要求具備足夠的技術基礎課和一定的專業課程知識，例如電工學、電

2、子技術、微機原理、BASIC語言等課程 教材及主要參考資料教材及主要參考資料馬明建編著馬明建編著. 數據采集與處理技術數據采集與處理技術(第第3版）版）. 西安交西安交通大學出版社通大學出版社,2008.祝常紅. 數據采集與處理技術. 電子工業出版社.2008李念強 數據采集技術與系統設計. 機械工業出版社2005任家富等.數據采集與總線技術 .北京航空航天大學出版社. 2008總學時：總學時：30 學分：學分：2.0 序 號 理 論 授 課 內 容 提 要學 時1第1章 緒 論22第2章 模擬信號的數字化處理43第3章 模擬多路開關24第4章 測量放大器25第5章 采樣/保持器46第6章 模

3、/數轉換器48第7章 數/模轉換器29第9章 數字信號的采集211復試考試2共 計 24 1. 數據采集的定義數據采集的定義 將溫度、壓力、流量、將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集、轉位移等模擬量采集、轉換成數字量后，再由計換成數字量后，再由計算機進行存儲、處理、算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程。顯示或打印的過程。 相應系統稱為數據采集系統。相應系統稱為數據采集系統。數據采集數據采集 1.1 數據采集的發展史和應用 數據采集的發展史數據采集的發展史 蒸汽機離心式調速系統蒸汽機離心式調速系統 1788年年，英國機英國機械師械師 J.瓦特瓦特(Watt)在改進蒸汽機的同在改進蒸汽機的同時，發

4、明了離心式時，發明了離心式調速器，如左圖。調速器，如左圖。 這是機械式蒸這是機械式蒸汽機轉速的閉環自汽機轉速的閉環自動調速系統。動調速系統。 當蒸汽機輸出當蒸汽機輸出軸轉速發生變化軸轉速發生變化時，離心調速器自時，離心調速器自動調節進汽閥門的動調節進汽閥門的開度，從而控制蒸開度，從而控制蒸汽機的轉速。汽機的轉速。數據數據采集采集 81.1 數據采集的發展史和應用離心式調節器形成的蒸汽機調速系統，見下圖。離心式調節器形成的蒸汽機調速系統，見下圖。 瓦特的這項發明對第一次工業革命的發展有重要瓦特的這項發明對第一次工業革命的發展有重要影響。影響。數數據據采采集集進汽閥進汽閥轉速轉速+- 離心式調節器

5、形成的調速系統離心式調節器形成的調速系統蒸汽源蒸汽源蒸汽機蒸汽機負載負載離心式離心式調速器調速器反反饋饋 瓦特蒸汽機瓦特蒸汽機轉速不穩問題轉速不穩問題也引發了自動化科學的也引發了自動化科學的發展。發展。1.1 數據采集的發展史和應用水溫的手動控制水溫的手動控制 圖中，水溫操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度，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）。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

6、）。轉閥門（打開或關閉）；旋轉多大的角度）。數據采集在自動控制中的位置數據采集在自動控制中的位置 水溫的自動控制水溫的自動控制 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、執行器來代替。種傳感器、儀表、執行器來代替。傳感器傳感器 測溫計：感測水的溫度；測溫計：感測水的溫度；執行器執行器 調節閥：打開或關閉蒸汽閥；調節閥：打開或關閉蒸汽閥；控制器控制器 調節記錄儀：采集、比較、判斷水溫，驅調節記錄儀：采集、比較、判斷水溫，驅 動調節閥。動調節閥。1.1 數據采集的發展史和應用 數據采集的工程應用實例數據采集的工程應用實例 石油化工生產過程數

7、據采集與控制系統石油化工生產過程數據采集與控制系統控制量控制量輸出信號輸出信號擾動擾動生產過程生產過程傳感器傳感器數據采集數據采集控制信號控制信號1.1 數據采集的發展史和應用 鋼鐵熱連軋數據采集與自動控制鋼鐵熱連軋數據采集與自動控制1.1 數據采集的發展史和應用 數控車床數控車床控制面板控制面板 防護罩防護罩排屑機排屑機冷卻液箱冷卻液箱1.1 數據采集的發展史和應用 自動駕駛汽車自動駕駛汽車1.1 數據采集的發展史和應用 自動控制溫室自動控制溫室1.1 數據采集的發展史和應用 2. 數據采集的意義數據采集的意義 u 在生產過程中，對工藝參數進行在生產過程中，對工藝參數進行采集、監測，為提高質

8、量，降低采集、監測，為提高質量，降低成本，提供信息和手段。成本，提供信息和手段。u 在科學研究中，用來獲取微觀、在科學研究中，用來獲取微觀、動靜態信息。動靜態信息。解決靠人不能解決或不好解決的問題。解決靠人不能解決或不好解決的問題。作用作用：意義：意義： 無論在哪個應用領域，數據采集與處理越及時，無論在哪個應用領域，數據采集與處理越及時，工作效率就越高，取得的經濟效益就越大。工作效率就越高，取得的經濟效益就越大。例如：例如：運動數據記錄、運動數據記錄、處理。處理。提高工作精確性、提高工作精確性、效率，完成了靠人效率，完成了靠人很難完成的工作。很難完成的工作。結果：結果：2. 數據采集的意義數據

9、采集的意義 3. 數據采集系統的任務數據采集系統的任務u 采集傳感器輸出的模擬信號，并轉換成數字采集傳感器輸出的模擬信號，并轉換成數字信號，然后送入計算機。信號，然后送入計算機。u 系統計算機對數字信號進行處理，得到所需系統計算機對數字信號進行處理，得到所需的數據。的數據。 5. 構成數據采集系統的依據構成數據采集系統的依據 保證系統具備保證系統具備采樣精度采樣精度的條件下，有盡可能的條件下，有盡可能高的高的采樣速度采樣速度，以滿足實時處理、控制的要求。，以滿足實時處理、控制的要求。4. 評價數據采集系統性能優劣的標準評價數據采集系統性能優劣的標準 u 采樣精度采樣精度: : 精度越高，系統性

10、能越好精度越高，系統性能越好u 采樣速度采樣速度: : 速度越快，系統性能越好速度越快，系統性能越好 成本也是一個必須考慮的因素成本也是一個必須考慮的因素數據采集系統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 1. 采集數據采集數據按照采樣周期，對模擬、數字、開關信號采樣。按照采樣周期，對模擬、數字、開關信號采樣。 2. 模擬信號處理模擬信號處理模擬信號模擬信號：指信號幅值隨時間連續變化的信號。：指信號幅值隨時間連續變化的信號。 例子例子：正弦信號：正弦信號)sin()(wtAtx數據采集系統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 2. 模擬信號處理模擬信號處理優點：優點：便于傳送。便于傳送。缺點：缺

11、點：易受干擾。易受干擾。特點：特點：在規定的一段連續時間內，其幅值為連續在規定的一段連續時間內，其幅值為連續值，即從一個量變到下一個量時中間沒有值，即從一個量變到下一個量時中間沒有間斷。間斷。數據采集系統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 2. 模擬信號處理模擬信號處理信號處理：信號處理：信號類型：信號類型：u 由傳感器輸出的電壓信號由傳感器輸出的電壓信號u 由儀表、變送器輸出的電流信號由儀表、變送器輸出的電流信號u 經由采樣、經由采樣、A/DA/D轉換，變成數字轉換，變成數字信號；信號；u 將轉換的數字信號作標度變換、將轉換的數字信號作標度變換、線性化處理線性化處理3. 數字信號處理數字信

12、號處理 數字信號：數字信號：在有限的離散瞬時上取值間斷的信號在有限的離散瞬時上取值間斷的信號特點：特點：時間和幅值都不連續的信號。時間和幅值都不連續的信號。 數據采集系統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 優點：優點：抗干擾能力強。抗干擾能力強。 數字信號對傳送線路上的不完善性（畸變、噪聲）數字信號對傳送線路上的不完善性（畸變、噪聲）不敏感，只需檢測脈沖的有無來獲取信息。不敏感，只需檢測脈沖的有無來獲取信息。缺點：缺點：需要一套轉換電路，增加成本。需要一套轉換電路，增加成本。傳送方式：傳送方式：u 并行方式傳送并行方式傳送u 串行方式傳送串行方式傳送3. 數字信號處理數字信號處理 數據采集系

13、統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 信號處理：信號處理：將數字信號采入計算機后，進行碼將數字信號采入計算機后，進行碼制轉換。如制轉換。如BCD轉換為轉換為ASCII，便，便于在屏幕上顯示。于在屏幕上顯示。4. 開關信號的處理開關信號的處理 信號處理：信號處理：根據開關的狀態執行相應的操作。根據開關的狀態執行相應的操作。 數據采集系統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 開關信號：開關信號：由按鈕、行程開關等器件觸點產生由按鈕、行程開關等器件觸點產生的信號。的信號。5. 二次數據計算二次數據計算 數據采集系統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 一次數據：一次數據：從傳感器采集的數據。從傳感

14、器采集的數據。二次數據：二次數據：對一次數據作計算得到的數據。對一次數據作計算得到的數據。二次數據二次數據計算包括計算包括:u 平均、累計平均、累計u 傅里葉變換、積分變換傅里葉變換、積分變換u 變化率、差值變化率、差值u 最大值、最小值最大值、最小值6. 屏幕顯示屏幕顯示 將數字、圖形、圖表等顯示在屏幕上。將數字、圖形、圖表等顯示在屏幕上。 數據采集系統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 7. 數據存儲數據存儲 按時間間隔，將數據存儲在外部存儲器。按時間間隔，將數據存儲在外部存儲器。數據采集系統具有的功能：數據采集系統具有的功能： 8. 打印輸出打印輸出按時間間隔，打印輸出數字、圖形。按時

15、間間隔，打印輸出數字、圖形。 9. 人機聯系人機聯系操作人員用鍵盤或鼠標與系統對話，完成操作人員用鍵盤或鼠標與系統對話，完成運行方式、采樣周期等參數的設置。運行方式、采樣周期等參數的設置。 系統組成：系統組成：結構形式：結構形式：u 微型計算機數據采集系統微型計算機數據采集系統u 集散型數據采集系統集散型數據采集系統u軟件軟件u 硬件硬件1. 微型計算機數據采集系統微型計算機數據采集系統傳感器傳感器微型計算機數據微型計算機數據采集系統框圖采集系統框圖放大放大器器采采樣樣/保保持持器器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器A/D轉轉換換器器計計算算機機顯示器顯示器打印機打印機繪圖機繪圖機定時與邏輯

16、控制定時與邏輯控制傳感器傳感器傳感器傳感器接接口口被被測測物物理理量量數字信號數字信號開關信號開關信號多路開關多路開關系統組成系統組成:u傳感器傳感器：將非電量轉換為電信號。：將非電量轉換為電信號。 u多路開關多路開關：分時切換各路模擬量與采樣保持器的通路。：分時切換各路模擬量與采樣保持器的通路。 u程控放大器程控放大器：對模擬信號進行放大。：對模擬信號進行放大。 u采樣采樣/保持器保持器：保持模擬信號電壓。：保持模擬信號電壓。uA/D轉換器轉換器：將模擬信號轉換為數字信號。：將模擬信號轉換為數字信號。 u接口電路接口電路：將數字信號進行整形或電平調整。：將數字信號進行整形或電平調整。1. 微

17、型計算機數據采集系統微型計算機數據采集系統u微機及外部設備微機及外部設備：管理和控制數據采集系統。：管理和控制數據采集系統。u定時與邏輯控制電路定時與邏輯控制電路：產生邏輯控制信號，控制時序。：產生邏輯控制信號，控制時序。1. 微型計算機數據采集系統微型計算機數據采集系統器件的執行順序：器件的執行順序：1.1. 模擬多路開關開始切換；模擬多路開關開始切換；2.2. 程控放大器放大倍數開始切換；程控放大器放大倍數開始切換；3.3. 采樣采樣/ /保持器開始保持；保持器開始保持；4.4. A/DA/D轉換器開始轉換；轉換器開始轉換；5.5. A/DA/D轉換完成。轉換完成。一個具體的數據采集系統的

18、工作時序圖一個具體的數據采集系統的工作時序圖(1)(2)(3)(4)(5)一個工作周期一個工作周期多路開關多路開關放大器放大器采樣保持采樣保持AD轉換轉換數據總線數據總線1.2 s6 stAD啟動脈沖啟動脈沖1. 微型計算機數據采集系統微型計算機數據采集系統系統特點系統特點u 結構簡單，易實現結構簡單，易實現u 對環境要求不高對環境要求不高u 系統成本低系統成本低u 集散型的基本單元集散型的基本單元u 模板齊全，易組成系統模板齊全，易組成系統 1. 微型計算機數據采集系統微型計算機數據采集系統模擬量模擬量輸入輸入模擬量模擬量輸入輸入模擬量模擬量輸入輸入數字量數字量輸入輸入數字量數字量輸入輸入數

19、字量數字量輸入輸入RS-485RS-485生生產產現現場場生生產產現現場場生生產產現現場場數據數據采集采集 站站數據數據采集采集 站站數據數據采集采集 站站通信接口通信接口 上位機上位機2. 集散型數集散型數據采集系統據采集系統 系統結構圖系統結構圖: :u 數據采集站一般是由單片機數據采集裝置組成，數據采集站一般是由單片機數據采集裝置組成，位于生產設備附近，可獨立完成數據采集和預位于生產設備附近，可獨立完成數據采集和預處理任務，還可將數據以數字信號的形式傳送處理任務，還可將數據以數字信號的形式傳送給上位機。給上位機。 u 數據采集站與上位機之間通常采用異步串行傳數據采集站與上位機之間通常采用

20、異步串行傳送數據。數據通信通常采用主從方式，由上位送數據。數據通信通常采用主從方式，由上位機確定與哪一個數據采集站進行數據傳送。機確定與哪一個數據采集站進行數據傳送。 u 它由若干個它由若干個“數據采集站數據采集站”和一臺上位機及通和一臺上位機及通信線路組成。信線路組成。 2. 集散型數據采集系統集散型數據采集系統 系統組成系統組成:2. 集散型數據采集系統集散型數據采集系統 RS-232RS-232：屬于單端信號傳輸，存在共地噪聲和不能抑：屬于單端信號傳輸，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于制共模干擾等問題，因此一般用于20m20m以內的以內的通信，傳輸速率一般也小于通信，傳

21、輸速率一般也小于20k20k。RS-485RS-485：采用差分方式接受，對共模干擾抑制能力強，采用差分方式接受，對共模干擾抑制能力強，傳輸距離可以達到千米以上，傳輸速度可以傳輸距離可以達到千米以上，傳輸速度可以達到幾百達到幾百k k。 微機要實現微機要實現RS-485協議通訊，可采用：協議通訊，可采用：1. 采用采用RS-232與與RS-485轉接口；轉接口；2. 采用采用RS-485通訊卡，接在微機擴展槽上。通訊卡，接在微機擴展槽上。系統特點系統特點u 適應能力強適應能力強u 可靠性高可靠性高u 實時性好實時性好u 對硬件要求不高對硬件要求不高2. 集散型數據采集系統集散型數據采集系統 u 模擬信號采集與處理程序模擬信號采集與處理程序u 數字信號采集與