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1、本讲内容1传感器、变送器的实际应用。2了解模拟量采集程序和数字量采集程序 的编程方法。3 采样数据的数字滤波、采样数据中奇 异项的剔除及采样数据的平滑处理。第1页/共47页数据采集（Data acquisition）是以传感器、信号的测量与处理、微型计算机等先进技术为基础而形成的一门综合应用技术，实用型很强。数据采集不仅涉及到采样基本理论的应用，还涉及各种芯片的使用、数据采集系统的组成、系统的抗干扰、程序的编制调试等工程应用问题。4.1 数据采集与处理技术概述第2页/共47页传感器的组成 敏感元件直接感受被测物理量(力)，并对被测量进行转换输出(应变)；转换元件将敏感元件的输出转换成便于传输和
2、测量的电参量(电阻)或电信号；调理电路则对转换元件输出的信号进行放大、滤波、运算、调制等，以便于实现远距离传输、显示、记录和控制；辅助电源为调理电路和转换元件提供稳定的工作电源。传感器概述第3页/共47页 有些传感器由敏感元件和转换元件组成。如电感式压力传感器由膜盒和电感线圈组成，膜盒是敏感元件，电感线圈是转换元件。有些传感器不只一个敏感元件。如应变式密度传感器，浮子先将被测液体的密度转换成浮力变化，浮力作用在悬臂梁上使梁产生变形，粘贴在悬臂梁上的电阻应变片再将梁的变形转换成电阻量变化。敏感元件与转换元件之间并无严格的界限。如热电偶传感器直接将被测温度转换成热电势输出，热电偶既是敏感元件，又是
3、转换元件，也不需要信号调理电路和辅助电源。传感器概述第4页/共47页按能量关系(被测量与输出电信号的关系)分类能量转换型：直接将被测量转换为电信号(电压等)。(发电型)例如：热电偶传感器，压电式传感器。能量控制型：先将被测量转换为电参量(电阻等)，在(电参量型)外部辅助电源作用下才能输出电信号。例如：应变式传感器，电容式传感器。传感器的分类传感器概述第5页/共47页传感器检测原理 举例：测量压力的电位器式压力传感器 1-弹簧管 2-电位器结合上述工作原理，能否将上图方框图中的内容具体化？电位器式压力传感器原理框图传感器概述第6页/共47页弹簧管放大图 当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带
4、动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。传感器概述第7页/共47页压力传感器的外形及内部结构传感器概述第8页/共47页多数情况下都要利用多数情况下都要利用多数情况下都要利用多数情况下都要利用变送器变送器变送器变送器来把传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字来把传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字来把传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字来把传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号，量输出信号，量输出信号，量输出信号，送到送到送到送到显示装置显示装置显示装置显示装置以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到以指针、数字、曲线等形式把被测量
5、显示出来，或者同时送到以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到控制器控制器控制器控制器再再再再通过通过通过通过执行器执行器执行器执行器对其实现控制。对其实现控制。对其实现控制。对其实现控制。国际电工委员会（IEC）规定：过程控制系统的模拟电流信号是4mA-20mA，电压为1VDC-5VDC。仪表所在区域现场区域 一次仪表、执行机构所在地二次仪表、安全栅所在地控制室区域 变送器概述传感器传感器传感器传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转化为一个与之成对应的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变
6、量转化为一个与之成对应的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转化为一个与之成对应的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。但传感器的输出信号种类很多、信号微弱并伴有非线性，因此，除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外，但传感器的输出信号种类很多、信号微弱并伴有非线性，因此，除了部分单纯以
7、显示为目的的检测系统之外，第9页/共47页位移位移力矩力矩HzAmV被测被测变量变量被测对象被测对象Pam3传感器传感器变送器变送器显示、控制显示、控制仪表仪表(装置装置)420mA010mA15VDC数字通信微弱信号微弱信号非线性非线性参数检测的基本过程传感器、变送器可以是一体的（多数），也可以使分离的传感器、变送器一体的检测仪表通常统称为*变送器参数检测时，传感器是必须的，变送器是不一定的什么时候不需要变送器什么时候不需要变送器你认为变送器应该具备哪些特征？你认为变送器应该具备哪些特征？稳定单值对应线性变送器概述第10页/共47页一、一、一、一、变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和
8、构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的输入输出特性通常是指变送器的输入输出特性通常是指变送器的输入输出特性通常是指变送器的输入输出特性通常是指包括敏感元件和变送环节的整体特性包括敏感元件和变送环节的整体特性包括敏感元件和变送环节的整体特性包括敏感元件和变送环节的整体特性 变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性 x xmaxmax和和和和x xminmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值分别为变送器测量范围的上限值和下限值分别为变送器测量范围的上限值和下限值分别为变送器测量范围的上限值和下限值y ymax
9、max和和和和y yminmin分别为变送器输出信号的上限值和下限值分别为变送器输出信号的上限值和下限值分别为变送器输出信号的上限值和下限值分别为变送器输出信号的上限值和下限值模拟式变送器：模拟式变送器：模拟式变送器：模拟式变送器：y ymaxmax和和和和y yminmin为统为统一一一一标标准信号的上限准信号的上限准信号的上限准信号的上限值值和下限和下限和下限和下限值值智能式变送器：智能式变送器：智能式变送器：智能式变送器：y ymaxmax和和和和y yminmin为输为输出数字信号的上限出数字信号的上限出数字信号的上限出数字信号的上限值值和下限和下限和下限和下限值值 变送器基本的输入输
10、出特性变送器基本的输入输出特性变送器基本的输入输出特性变送器基本的输入输出特性yminymax0(xmin)xmaxyx输出输出输出输出输入输入输入输入变送器概述第11页/共47页一、一、一、一、变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理 模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理x测量部分测量部分Kizi放大器放大器Koy反馈部分反馈部分Kfzf+零点调整零点调整零点迁移零点迁移+z0测量部分测量部分测量部分测量部分放大器放大器放大器放大器 反馈部分反馈部分反馈部分反馈部分 模拟式变送
11、器的组成模拟式变送器的组成模拟式变送器的组成模拟式变送器的组成：关键环节关键环节关键环节关键环节：变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系：变送器概述第12页/共47页一、一、一、一、变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理当满足当满足当满足当满足K Ko oK Kf f 11的条件时：的条件时：的条件时：的条件时：xKiziKoyKfzf+z0变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系：模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理
12、模拟式变送器的构成原理变送器概述第13页/共47页一、一、一、一、变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系：xKiziKoyKfzf+z0 模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理变送器概述第14页/共47页一、一、一、一、变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系
13、：xKiziKoyKfzf+z0如果已有如果已有如果已有如果已有 y yminmin，y ymax max 与与与与 x xminmin，x xmax max ，如何调整？，如何调整？，如何调整？，如何调整？调整调整调整调整K Ki i、K Kf f可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点调整调整调整调整z z0 0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移 模拟式变
14、送器的构成原理模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理变送器概述第15页/共47页一、一、一、一、变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理 数字式变送器的构成原理数字式变送器的构成原理数字式变送器的构成原理数字式变送器的构成原理x检测元件检测元件A/D转换转换CPU通信电路通信电路数字信号数字信号存储器存储器一般形式一般形式一般形式一般形式x检测元件检测元件A/D转换转换CPU通信电路通信电路FSK信号信号存储器存储器D/A转换转换采用采用采用采用HARTHART协议协议协议协议通信方式通信方式通信方式通
15、信方式 在一条电缆上同在一条电缆上同在一条电缆上同在一条电缆上同 时传输两种信号：时传输两种信号：时传输两种信号：时传输两种信号：4 420mADC20mADC模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 数字信号数字信号数字信号数字信号HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议变送器概述第16页/共47页一、一、一、一、变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理变送器的基本特性和构成原理 数字式变送器的构成原理数字式变送器的构成原理数字式变送器的构成原理数字式变送器的构成原理数字式变送
16、器软件部分包括数字式变送器软件部分包括数字式变送器软件部分包括数字式变送器软件部分包括:A/DA/D采样程序采样程序采样程序采样程序 量程转换程序量程转换程序量程转换程序量程转换程序 工程量变换程序工程量变换程序工程量变换程序工程量变换程序 滤波程序滤波程序滤波程序滤波程序 误差校正程序误差校正程序误差校正程序误差校正程序 D/AD/A输出程序输出程序输出程序输出程序 通讯程序通讯程序通讯程序通讯程序 辅助功能程序辅助功能程序辅助功能程序辅助功能程序x检测元件检测元件A/D转换转换CPU通信电路通信电路FSK信号信号存储器存储器D/A转换转换采用采用采用采用HARTHART协议协议协议协议通信
17、方式通信方式通信方式通信方式 在一条电缆上同在一条电缆上同在一条电缆上同在一条电缆上同 时传输两种信号：时传输两种信号：时传输两种信号：时传输两种信号：4 420mADC20mADC模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 数字信号数字信号数字信号数字信号变送器概述第17页/共47页二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题 量程调整量程调整量程调整量程调整 变送器的调整变送器的调整变送器的调整变送器的调整使变送器输出信号上限值使变送器输出信号上限值使变送器输出信号上限值使变送器输出信号上限值y ymaxmax与测量范围上限值与测量范围上限值与测量范围上限值与测量
18、范围上限值x xmaxmax相对应相对应相对应相对应 xyxminxmaxyminymax也就是改变变送器也就是改变变送器 输出信号输出信号y与输入信号与输入信号x 之间的比例系数之间的比例系数 量程调整相当于量程调整相当于 改变变送器的改变变送器的 输入输出特性的斜率，输入输出特性的斜率，变送器概述第18页/共47页二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题 量程调整量程调整量程调整量程调整 变送器的调整变送器的调整变送器的调整变送器的调整使变送器输出信号上限值使变送器输出信号上限值使变送器输出信号上限值使变送器输出信号上限值y ymaxmax与测量范围
19、上限值与测量范围上限值与测量范围上限值与测量范围上限值x xmaxmax相对应相对应相对应相对应 xyxminxmaxyminymax改变反馈部分的改变反馈部分的改变反馈部分的改变反馈部分的反馈系数反馈系数反馈系数反馈系数KKf f 改变测量部分的改变测量部分的改变测量部分的改变测量部分的转换系数转换系数转换系数转换系数KKi i 模拟式变送器的量程调整方法：模拟式变送器的量程调整方法：模拟式变送器的量程调整方法：模拟式变送器的量程调整方法：Kf 量程量程 Ki 量程量程 数字式变送器数字式变送器数字式变送器数字式变送器量程调整方法：量程调整方法：量程调整方法：量程调整方法：软件实现软件实现软
20、件实现软件实现 变送器概述第19页/共47页二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题 零点调整零点调整零点调整零点调整 变送器的调整变送器的调整变送器的调整变送器的调整xy0 xmaxyminymax零点调整的方法：零点调整的方法：零点调整的方法：零点调整的方法：模拟变送器：调模拟变送器：调模拟变送器：调模拟变送器：调Z Z0 0数字变送器：软件数字变送器：软件数字变送器：软件数字变送器：软件使变送器输出信号下限值使变送器输出信号下限值使变送器输出信号下限值使变送器输出信号下限值y yminmin与测量范围下限值与测量范围下限值与测量范围下限值与测量范围
21、下限值x xminmin=0=0相对应相对应相对应相对应 变送器概述第20页/共47页二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题 零点迁移零点迁移零点迁移零点迁移 变送器的调整变送器的调整变送器的调整变送器的调整使变送器输出信号下限值使变送器输出信号下限值使变送器输出信号下限值使变送器输出信号下限值y yminmin与测量范围下限值与测量范围下限值与测量范围下限值与测量范围下限值x xminmin相对应，相对应，相对应，相对应，在在在在x xminmin=0=0时，称为零点调整；在时，称为零点调整；在时，称为零点调整；在时，称为零点调整；在x xminmi
22、n00时，称为零点迁移。时，称为零点迁移。时，称为零点迁移。时，称为零点迁移。xyxmaxyminymax0 xminxmaxxminxmax当当当当测测量的起始点量的起始点量的起始点量的起始点 由零由零由零由零变为变为某一某一某一某一负值负值，称称称称为为负迁移负迁移负迁移负迁移。零点迁移的方法：零点迁移的方法：零点迁移的方法：零点迁移的方法：模拟变送器：调模拟变送器：调模拟变送器：调模拟变送器：调Z Z0 0 数字变送器：软件数字变送器：软件数字变送器：软件数字变送器：软件当当当当测测量的起始点量的起始点量的起始点量的起始点 由零由零由零由零变为变为某一正某一正某一正某一正值值，称称称称为
23、为正迁移正迁移正迁移正迁移；变送器概述第21页/共47页 零点迁移零点迁移零点迁移零点迁移 变送器的调整变送器的调整变送器的调整变送器的调整xyxmaxyminymax0 xminxmaxxminxmax 量程调整量程调整量程调整量程调整二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题xy0 xmaxyminymaxxyxminxmaxyminymax 零点调整零点调整零点调整零点调整变送器概述第22页/共47页二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题 变送器的线性化变送器的线性化变送器的线性化变送器的线性化 模拟式变送器
24、模拟式变送器模拟式变送器模拟式变送器非线性补偿方法非线性补偿方法非线性补偿方法非线性补偿方法使反馈部分与使反馈部分与使反馈部分与使反馈部分与 传感器组件具有传感器组件具有传感器组件具有传感器组件具有 相同的非线性特性相同的非线性特性相同的非线性特性相同的非线性特性 使测量部分与使测量部分与使测量部分与使测量部分与 传感器组件具有传感器组件具有传感器组件具有传感器组件具有 相反的非线性特性相反的非线性特性相反的非线性特性相反的非线性特性 数字式变送器数字式变送器数字式变送器数字式变送器非线性补偿方法非线性补偿方法非线性补偿方法非线性补偿方法:软件实现软件实现软件实现软件实现 变送器概述第23页/
25、共47页二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题 变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式 气气气气动变动变送器：送器：送器：送器：两根气两根气两根气两根气动动管管管管线线（气源和信号）（气源和信号）（气源和信号）（气源和信号）电动模拟式变送器：电动模拟式变送器：电动模拟式变送器：电动模拟式变送器：二线制二线制二线制二线制 四线制四线制四线制四线制 数字式变送器：数字式变送器：数字式变送器：数字式变送器：双向全数字量传输信号双向全数字量传输信号双向全数字量传输信号双向全数字量传输信号 HARTHART通讯协议方式通
26、讯协议方式通讯协议方式通讯协议方式变送器概述第24页/共47页RLErrIo+VT二线制二线制变送器变送器(250-2r)24V420mA二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题 变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式 四线制四线制四线制四线制：供供供供电电电电源和源和源和源和输输出出出出电电流信号分流信号分流信号分流信号分别别用二根用二根用二根用二根导线传输导线传输 二线制二线制二线制二线制：
27、供供供供电电电电源和源和源和源和输输出出出出电电流信号同流信号同流信号同流信号同时时用二根用二根用二根用二根导线传输导线传输RLIo电源源四线制四线制变送器变送器25024VDC420mADC变送器概述第25页/共47页二、二、二、二、变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题变送器的共性问题 变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式二线制的优点：二线制的优点：二线制的优点：二线制的优点：节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰节省连
28、接电缆、有利于安全防爆和抗干扰节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰二线制变送器的使用条件：二线制变送器的使用条件：二线制变送器的使用条件：二线制变送器的使用条件：工作电流：工作电流：工作电流：工作电流：工作电压：工作电压：工作电压：工作电压：二二二二次次次次仪仪仪仪表表表表2 2 2 2二二二二次次次次仪仪仪仪表表表表1 1 1 1+目前大多数变送器目前大多数变送器目前大多数变送器目前大多数变送器均为二线制变送器均为二线制变送器均为二线制变送器均为二线制变送器RLErrIo+VT二线制二线制变送器变送器(250-2r)24V420mA两线制变送器由于信号起点
29、电流为4mA.DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA.DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。而且两线制还便于使用安全栅,利于安全防爆。变送器概述第26页/共47页 27数控车床数控车床数控车床数控车床控制面板控制面板控制面板控制面板 防护罩防护罩防护罩防护罩排屑机排屑机排屑机排屑机冷却液箱冷却液箱冷却液箱冷却液箱 数据采集的工程应用实例数据采集的工程应用实例 第27页/共47页 28自动驾驶汽车自动驾驶汽车自动驾驶汽车自动驾驶汽车 数据采集的工程应用实例数据采集的工程应用实例 第28页/共47页 29图图图图4.1-1 4.1-1 微型计算机数据
30、采集系统微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统放大放大放大放大 器器器器采采采采样样样样/保保保保持持持持器器器器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器A A/D D转转换换器器器器计计计计算算算算机机机机显示器显示器显示器显示器打印机打印机打印机打印机绘图机绘图机绘图机绘图机定时与逻辑控制定时与逻辑控制定时与逻辑控制定时与逻辑控制接接接接口口口口被被被被测测测测物物物物理理理理量量量量数字信号数字信号数字信号数字信号开关信号开关信号开关信号开关信号多路开关多路开关多路开关多路开关传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感
31、器传感器传感器传感器 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 微型微型微型微型计计算机数据采集系算机数据采集系算机数据采集系算机数据采集系统统第29页/共47页 30模拟量模拟量模拟量模拟量输入输入输入输入模拟量模拟量模拟量模拟量输入输入输入输入模拟量模拟量模拟量模拟量输入输入输入输入数字量数字量数字量数字量输入输入输入输入数字量数字量数字量数字量输入输入输入输入数字量数字量数字量数字量输入输入输入输入RS-485RS-485RS-485RS-485生生生生产产产产现现现现场场场场生生生生产产产产现现现现场场场场生生生生产产产产现现现现场场场场数据数据数据数据采集采集采集采集 站站站站数
32、据数据数据数据采集采集采集采集 站站站站数据数据数据数据采集采集采集采集 站站站站通信接口通信接口通信接口通信接口上位机上位机上位机上位机图图4.1-2 4.1-2 集散型数据采集系集散型数据采集系集散型数据采集系集散型数据采集系统统 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 第30页/共47页多路模多路模拟信号数据采集信号数据采集以8路模拟量采用AD574A为例CD4051口地址口地址：bff8HbfffHAD574A启动口地址启动口地址：7fffH读读AD574A高高8位口地址位口地址：7ffeH读读AD574A低低4位口地址位口地址：7fffH1、电路可以采用延时、查询、中断三种方式
33、4.2 模模拟数据采集技术拟数据采集技术第31页/共47页2、实现8路模拟量巡回检测程序unsigned int RAD8;main()unsigned char xdata*pCD4051，*pRH，*pRL ；IT0=1；EX0=1；EA=1；pCD4051=0 xbff8；pRL=0 x7fff；while(1)；AD574A()interrupt 0 unsigned char order=0;RADorder=*pRH*16+*pRL&15；if(order+=7)order=0;pCD4051=0 xbff8；pCD4051+；*pRL=0；/*8路转换结果数组*/*序次*/*8路
34、指针、读结果指针*/*INT0负跳变请求中断*/*允许INT0中断*/*指向0路*/*pCD4051=0；*pRL=0；/*等待*/*启动AD574A*/*接通0路*/*指向AD574A*/*开中断*/*pCD4051=0；/*获取并保存转换结果*/*指向下一路*/*若8路完毕，重新开始*/*接通下一路*/*启动AD574A*/pRH=0 x7ffe；4.2 模模拟数据采集技术拟数据采集技术第32页/共47页1、有效性检查模模拟量数据采集量数据采集软件的流程件的流程图（略）（略）检查被测量是否在信号标准的上下限值范围内。包括：有效性检查与数字滤波技术模模拟量数据采集的量数据采集的预处理方法理方
35、法第33页/共47页 所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。与模拟滤波器相比，有以下几个优点:(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。(2)数字滤波可以对频率很低(如0.01HZ)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。(3)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、加权平均滤波 2 数字滤波技术第34页/共47页 算
36、术平均值法是对输入的N个采样数据xi(i=1N)，寻找这样一个y，使y与各采样值间的偏差的平方和为最小，使由一元函数求极值原理可得：算术平均值法第35页/共47页例：某压力仪表采样数据如下：1234567891024252027246024252623序 号采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。采用算术平均值滤波后，其采样值为：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+26+23)/10=28干扰被平均到采样值中去了 第36页/共47页特点1）、N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N的增大，平滑度提高，灵敏度降低。应该视具体情况选择N，以便得到满意的滤波效果。2）、对每次采样
37、值给出相同的加权系数，即1/N。在不同采样时刻采集数据受到同样重视。实际上某些场合需要增加新采样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法加权平均值滤波法。滤波公式为：3）、平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。第37页/共47页中位值滤波法 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次(m3)且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数据。特点:中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干扰有良好的滤波效果。如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法。
38、第38页/共47页 中值滤波 FLT10：MOV A，R2 ；R2R3否?CLR C SUBB A，R3 JC FLT11；R2R3，交换 XCH A，R3 MOV R2，AFLT11：MOV A，R3；R3R4否?CLR C SUBB A，R4 JCFLT12 ；R3R4，交换 XCH A，R3 XCH A，R4 ；R3R2否?CLRC SUBB A，R2 JNC FLT12 ；R3R2，结束 MOV A，R2 ；否则R2为中值 MOV R3，A ；中值送入R3FLT12：RET中值滤波程序主要由数据排序和取中间值两部分组成。数据排序可采用几种常规的排序方法，如冒泡法、沉底法等。下面给出一个
39、中值滤波程序的实例。该中值滤波程序采样次数N选为3，三次采样后的数据分别存放在R2，R3，R4中，执行之后，中值放在R3。第39页/共47页抗脉冲干扰平均值滤波法 中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到m个滤波值，再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。第40页/共47页123456789242520272460242526例：某压力仪表采样数据如下：序 号采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25.33对1、2、3次采样中位值滤波后值：24对4、5、6次采样中位值滤波后值：27对
40、7、8、9次采样中位值滤波后值：25第41页/共47页123456789242520272460242526例：某压力仪表采样数据如下：序 号采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。剩下七个采样值用干扰平均值滤波，平均值为：25去掉最小值：20去掉最大值：60第42页/共47页滑动平均滤波滑动平均滤波法把n个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为n，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有n个“最新”的数据。然后把队列中的n个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。滑动平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现
41、的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差，因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。第43页/共47页上述各种平均上述各种平均滤波法中，每次采波法中，每次采样在平均在平均结果中的果中的比重是均等的。比重是均等的。为了增了增强最后一次（或某一次）在平均最后一次（或某一次）在平均结果中的比重，以增果中的比重，以增强实时性，可采用加性，可采用加权平均平均滤波波加权平均滤波 所谓加权平均的含义是指参加平均运算的各采样值按不同的比例进行相加求均。加权系数一般先小后大，以突出后若干次采样的作用，加强系统对参数变化趋势的辨识。N项加权平均滤波的算法为：式中 C0，C
42、1，CN1为常数，它们的选取有多种方法，但应满足 C0 C1 CN1 1 第44页/共47页WEIGHT:MOV R0，#DATA；清CLRA MOVR2，03HLOOP:MOV R0，A INC R0 DJNZ R2，LOOP MOV R5，#SAMP ；采样值首址送R5 MOV R6，#COEFF ；系数首址送R6 MOV R1，#PRODT ；乘积首址送R1 MOV R2，#N ；滤波数据项数送R2LOOP1:ACLL MULT21 ；计算CkYk，最低字节为小数部分设采样值已存于内部RAM中SAMP开始的单元中，采样值为双字节，加权系数Ck为二位小数，扩大256倍变成整数后，以二进制形
43、式存于COEFF开始的单元中。程序中调用双字节乘以单字节的乘法子程序MULT21，R5指出被乘数低位地址，R6指出乘数地址，乘积放在PRODT开始的三个单元中，由R1指出。运算结果去掉最低字节后即为滤波值，存于DATA开始的单元中。MOV R0，#DATA；累加 MOV R7，#03HCLR C LOOP2:MOV A，R0 ADDC A，R1 MOV R0，A INC R0 INC R1 DJNZ R7，LOOP2 INC R5 ；修正 INCR5 INCR6 DJNZR2，LOOP1 RET第45页/共47页开关量的软件抗干扰技术1.开关量(数字量)信号输入抗干扰措施 干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们在采集某一开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上结果完全一致方为有效。2.开关量(数字量)信号输出抗干扰措施 在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只要有可能，其重复周期尽可能短些。输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性相差较大。前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管此时数据是否有效。第46页/共47页感谢您的观看。第47页/共47页