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1、 计算机数据采集系统计算机数据采集系统教教 材：沈美明编著，材：沈美明编著，IBM-PC 汇编语言程序设计汇编语言程序设计（第（第2版）版），清华大学出版社，清华大学出版社，2001参考书目：马明建，周长城编著数据采集与处理技术参考书目：马明建，周长城编著数据采集与处理技术陕西：西安交通大学出版社，陕西：西安交通大学出版社，1998 第1章 计算机数据采集系统概述计算机数据采集系统主要内容主要内容1 1、计算机数据采集系统的基本概念、基本、计算机数据采集系统的基本概念、基本组成、发展现状组成、发展现状2 2、模拟信号的数字化处理、模拟信号的数字化处理1 数据采集技术数据采集技术数据采集技术数据
2、采集技术(Data Acquisition)(Data Acquisition)是信息科学的一个是信息科学的一个重要分支重要分支,它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题。等领域，都存在着数据的测量与控制问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度等模拟量（等模拟量（Analog SignalAnalog Signal）转换为数字信号转换为数字信号（Digital SignalD
3、igital Signal）,再收集到计算机并进一步予以再收集到计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录这一过程，即称为显示、处理、传输与记录这一过程，即称为“数据采数据采集集”。相应的系统即为。相应的系统即为数据采集系统数据采集系统（Data Data Acquisition System,Acquisition System,简称简称DASDAS）。）。1.11.1数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式数据采集系统主要由数据采集系统主要由硬件和软件组成。硬件和软件组成。从硬件方面来看，有两种结构形式：一种是微从硬件方面来看，有两种结构形式：一种是微型计算机数据采集系统，另一种是集散型
4、数据型计算机数据采集系统，另一种是集散型数据采集系统。采集系统。一、一、微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统由传感器、模拟多路开关、程控放大器、由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样采样/保持器、保持器、A/DA/D转换器、计算机及外转换器、计算机及外设等部分组成。设等部分组成。框图如下框图如下 图图1 1 微型计算机数据采集系统框图微型计算机数据采集系统框图二、集散型二、集散型数据采集系统数据采集系统由若干个数据采集站和一台上位机及通信线路组成。由若干个数据采集站和一台上位机及通信线路组成。图图2 2 集散型数据采集系统框图集散型数据采集系统框图三、数据采集系统的软件三、数据采集系
5、统的软件数据采集系统的软件一般包括：数据采集系统的软件一般包括：模拟信号采集与处理程序模拟信号采集与处理程序 数字信号采集与处理程序数字信号采集与处理程序 脉冲信号采集与处理程序脉冲信号采集与处理程序 开关信号采集与处理程序开关信号采集与处理程序 运行参数设置程序：采样通道号，采样点运行参数设置程序：采样通道号，采样点数，采样周期，信号量程范围，放大器增益系数，采样周期，信号量程范围，放大器增益系数，工程单位等数，工程单位等系统管理程序：主控程序系统管理程序：主控程序通信程序通信程序1.21.2应用领域应用领域几乎涉及到农业、国防、科研及民用工业等所几乎涉及到农业、国防、科研及民用工业等所有的
6、领域。有的领域。例如：在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、例如：在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、震动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、震动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用。泛的应用。1.31.3发展趋势发展趋势采集数据的速度超高速化采集数据的速度超高速化采集数据的点数海量化采集数据的点数海量化采集数据的存取网络化，与可通过采集数据的存取网络化，与可通过InternetInternet进进行存取，工作人员不需在待控过程或需采集数行存取，工作人员不需在待控过程或需采集数据的传感器附近工作。据的传感器附
7、近工作。2 2 模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理微机微机-计算机数据采集系统的核心计算机数据采集系统的核心2.1 2.1 概概 述述连续的模拟信号转换为离散的数字信号，连续的模拟信号转换为离散的数字信号，经历了两个断续过程：经历了两个断续过程：1.1.时间断续：采样时间断续：采样 X(t)Xs(nTs)2.2.数值断续：量化，即把采样信号数值断续：量化，即把采样信号Xs(nTsXs(nTs)以最小数量单位的整倍数来度量以最小数量单位的整倍数来度量.信号转换过程如图所示信号转换过程如图所示。2.2 2.2 采样过程采样过程 2.2 2.2 采样过程采样过程 采样过程可以看作脉冲调制过程
8、2.3.1 2.3.1 采样定理采样定理 采样周期采样周期TsTs决定采样信号的质量和数量决定采样信号的质量和数量:Ts Ts太小太小,Xs(nTsXs(nTs)数量剧增数量剧增,占用内存占用内存;Ts Ts 太大太大,模拟信号的某些信息被丢失模拟信号的某些信息被丢失.设有连续信号设有连续信号x(tx(t),),其频谱为其频谱为X(fX(f),),以采样周期以采样周期TsTs采得的采得的离散信号为离散信号为xs(nTsxs(nTs).).如果频谱如果频谱X(fX(f)和采样周期满足下列条件和采样周期满足下列条件:(1).(1).频谱频谱X(fX(f)为有限频谱为有限频谱,即当即当F1F1的绝对
9、值大于等于的绝对值大于等于fcfc(截止截止频率频率)时时,x(fx(f)=0;)=0;(2).则连续信号则连续信号 唯一确定唯一确定.FcFc称为截止频率，又称为奈奎斯特频率。称为截止频率，又称为奈奎斯特频率。采样定理给出无失真地恢复原信号的条件。采样定理给出无失真地恢复原信号的条件。2.3.22.3.2采样定理中两个条件的物理意义采样定理中两个条件的物理意义 1.连续模拟信号x(t)的频率范围是有限的，即信号的频率f在2.采样周期Ts不能大于信号周期Tc的一半。2.3.32.3.3 采样定理不适用的情况采样定理不适用的情况时是不适应的。时是不适应的。采样定理在采样定理在例如例如,设连续信号
10、为设连续信号为:其采样值为:当 有 则当=0时,采样信号为零,无法恢复原模拟信号.时,采样信号幅值小于原模拟信号时,采样信号幅值等于原模拟信号.2.42.4频率混淆及消除措施频率混淆及消除措施 如果Ts取的过大,使Ts1/(2fc)时,将会出现x(t)中的高频成分被叠加到低频成分上去的现象,这种现象称为频率混淆.2.4.1 频率混淆频率混淆 不产生频率混淆现象的临界条件是fs=1/Ts=2fc。或者说，当采样间隔一定时，不发生频率混淆的信号最高频率为fc=1/（2Ts）信号能相互混淆的频率为：(1)对于频域衰减较快的信号，可用提高采样频率的方法来解决。(2)对于频域衰减较慢的信号，可用消除频混滤波器来解决：低通滤波器。(3)既采用消除频混滤波器进行滤波，又将采样频率提高到3到5倍。2.4.22.4.2 消除频率混淆的措施消除频率混淆的措施：2.4 2.4 采样技术的讨论采样技术的讨论 解决不失真采样和大数据存储的问题。(1)常规采样：(2)间歇采样：以丢失模拟信号的部分信息为代价来解决数据存储空间不足的问题。(3)变频采样：采样频率可以变化，使测速精度近似不变。(4)下采样