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1、第三章第三章 数据采集系统数据采集系统l第一节概述l第二节接口技术l第三节数据采集系统l第四节数据采集系统实例第一节第一节 概概 述述对生产过程的参数集中检测、数字显示、越限报警和打印记录，这种装置就叫数据采集装置。将数据送至微机中进行显示、处理和记录，相应地称之为微机数据采集系统。微机数据采集系统优点微处理器的基本知识数据采集系统的典型结构数据采集中的一些问题微机数据采集系统优点 测试过程由程序来实现,灵活性和通用性更强；硬件软件化，进一步提高了系统的可靠性；具有数据处理能力；利用自校和重复测试求均值等方法进一步减小系统误差和随机误差，提高测试精度；利用微机的随机存贮器大量存贮测试结果和中间
2、结果，有利于实现快速多路测量；只要配备相应的接口与外围设备，其它计算机相连；可实现多种形式的数据存贮和显示虚拟仪器也可定义为这样一种仪器，它的全部功能都可由软件来完成(配以一定的硬件)，用户只要提出所需要的系统框图、仪器面板控制和希望在计算机屏幕上实现的输出显示等即可。这个概念首先由美国NI公司于1990年推出LABVIEW软件包开始。这个软件包能使用户开发一套方框流程，用来表示测试系统的功能和测试过程后，就可组建他们自己的虚拟仪器。适当的仪器面板可调用计算机内的控制器、指示器和显示器部件库组合而成。当然，虚拟仪器要连接到现实世界以完全测量任务，仍需要通过信号采集卡或通过其它特殊功能模块。微处
3、理器的基本知识l微处理器是在一片芯片一片芯片上集成具有计算机中央处理单元功能的大规模集成电路。计算机是以微处理器为核心，并加上由大规模集成电路实现的存贮器和输入、输出接口等组装成的计算机。以微型计算机为基础，再配备输入、输出设备电源等就构成微机系统。l微处理器具有运算器和控制器的功能。运算器直接进行各种操作，控制器统一指挥和控制计算机的各个部分。它按照程序的给出的顺序顺序依次取出指令，分析执行这些指令所规定的基本操作。l微处理器是计算机的核心部分，计算机的特点、功能主要由它决定。l二进制、十进制和十六进制数对照表8位并行处理器,集成度和速度较高，基本指令周期执行时间约1.32微秒。它一次处理的
4、数据为8位二进制数（1字节），相当于十进制数256。用8位微处理器组成的微机称为8位机，8位微处理器的典型产品有：Z80、M6800和M6502等。16位并行微处理器,集成度和速度比8位机高的多，基本指令执行时间可小于0.5微秒。其典型产品有：INTEL8086，8088；M68000；Z8000；以及更先进的INTEL80286等。目前已是64位数据采集系统的典型结构数据采集系统的典型结构计算机数据采集系统的测量，依赖于各种类型的传感器。传感器的输出 信号信号 可分为三类：开关信号：两个状态的信号。如电机的运转与停车；开关的合与断；以及各种开关型传感器的输出信号等。开关信号只用一位二进制表示
5、。因此8位机可以同时处理8个开关信号。数字信号：用二进制数形式表示的数。数字信号可以是数字电压表、键盘、数字输出的装置输出的信息，也可以是频率输出型传感器的输出信息。微机可以直接接收数字信号。8位微机一次只能接收8位二进制表示的数字量，超过8位时，必须分几次来接收。模拟信号，指在连续时间内，对信号的幅值可以在某范围内连续任意取值。我们所讨论的微机数据采集系统主要处理的即是这一类信号。模拟信号微机不能直接接收和处理，常要通过模数转换器（A/D）将模拟量转换成微机能处理的数字信号。数据采集系统的典型结构数据采集系统的典型结构系统由四部分组成：数据采集器，包括多路开关MUX，测量放大器IA，取样保持
6、放大器SHA，模数转换器ADC等，可将多个现场模拟信号逐个采样，再量化成为数字信号后送往微型计算机。微机接口电路，用来传送数据采集系统运行所需要的数据、状态信息及控制信号。数模转换器，将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以实现系统要求的显示、记录与控制任务。应用软件，包括接口软件与数据处理软件。接口软件一般由采集系统的设计者完成，用来进行接口信息与计算机的内部信息的交换，包含采样数码转换、自检、自校和数字滤波等工作。数据处理软件一般按使用者要求编制，对编制者来说外部采集的数据已经与键盘输入的数据没有区别了。l数字信号处理系统框图l采样与数字转换过程返回孔径 数据采集中的一些问题数据采集中的一
7、些问题v量化噪声v采样频率的选取v孔径时间v模数转换器的精度与特性l数据采集系统在把模拟信号转变成数字信号的过程中产生了量化噪声。所谓数字信号，是指在时间上和幅值上经过采样和量化的信号。数字信号可用一序列的数来表示，而每一个数又是由有限个数码来表示的。l在实际数据采集系统中，数字信号的码位扩展是有限的，因此就必须允许有一定的误差，即量化过程必然要引入这种不定因素。这种不定因素的引入所带来的误差，通常称为量化噪声。1)量 化 噪 声l模拟信号Xd的量化过程l量化噪声的概率密度P（X）为：l量化噪声的均值l量化噪声e的方差2l量化噪声的概率分布v在很多情况下，量化噪声的方差要比噪声的峰值更为重要，
8、因为方差与噪声的平均功率成正比。v对量化和量化噪声可进一步说明：用一基本量（现为量化电平Q）对与基本量具有同一量纲的一个摸拟量进行比较的过程称为量化。显然，比较的结果为两部分：v整数部分量化电平Q的整数倍，这个数就是数字量Xd。v余下部分不足一个基本单位Q，此即是量化噪声（量化误差）。2)模数转换器的精度与特性模数转换器ADC的位数（也就是其二进制代码的个数）代表了ADC的动态范围。一定的位数具有一定的量化精度。值得注意的是，大信号时量化误差小，小信号时量化误差大。这是因为量化电平Q是恒定的，当输入信号不是满量程时，量化误差会相对加大。一般使用时要求的输入信号动态范围必须与模数转换器相适应。满
9、度Q总数=2n(n位数）与基本误差相似l模数转换器的精度与特性l为了保证信号质量，选用的采样频率经常大于采样定理指出的最小采样频率。3)采样频率的选取l例如当模拟信号所含最高频率为5KHz，理论上最低采样频率为10KHz，即至少每秒内采样1万个值，实际上数据采集系统采样频率可能达到20KHz以上。采样频率l采样定理指出:信号本身的频带是有限的，而采样频率又大于等于两倍信号所包含的最高频率，则在理论上可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。称采样频率的一半为奈魁斯特频率fn=fs/2。1）如果要采集的信号中，包含的频率分量高于奈魁斯特频率时，则这些高出的频率分量将混入低于奈魁斯特频率的分量中，这
10、称为“频率混叠”现象。l2）只要被测信号波形中大多数频率分量都低于奈魁斯特频率，并且不使高于奈魁斯特频率的那些频率分量进入采集器，那么数据采样所受的影响就可以降到较低的限度。滤波预处理通常为免除输入信号中杂散分量频率过高对采样的影响，在采样处理前，先使用截止频率为奈魁斯特频率的低通滤波器，使高于奈魁斯特频率的信号不进入系统。l正弦波产生混叠的说明特殊误差：高频变低频4)孔 径 时 间l在数据采集器应考虑到任何一种模数转换器都要一段时间完成量化与编码工作，模数转换器的转换时间决定于采用的器件和接口的软件。如果在转换时间内，输入模拟信号仍在变化，此时进行量化显然会产生一定的误差。l将“窗孔”开启瞬
11、间内的模拟信号量化记录。此“窗孔”称为“孔径时间”TA，TA一般远小于转换时间TCONV。如果在孔径时间内，输入模拟信号仍在变化，也会引起误差。l在数据采集器的模数转换器ADC前再加一个取样保持器SHA（它的任务是把要转换的信号快速采样后保持一段时间，以备转换），这相当于在ADC转换时间内开了一个“窗孔”。采样l孔径时间与孔径误差要一段时间完成采样工作变化量=误差限l例：根据给定的正弦信号频率与ADC的分辨率确定要求的孔径时间。l数字化的最大正弦信号频率(M为模数转换器的分辨位数,f为输入信号的正弦信号频率)l数据采集时在模数转换器ADC前采用SHA，就解决了ADC转换时间长与分辨率要求较短的
12、孔径时间的矛盾。其实质是把模拟信号的离散化与量化分两步进行。SHA先完成模拟信号的离散化，ADC接着进行离散信号的量化，最终获得所需要的数字信号。l正弦波的转换时间与孔径时间的关系第二节 接口技术l接口的作用是把外围设备（这里指数据采集器）传送给微机的信息转换成微机能接受的格式，并把微机传给外围设备的信息转换成外围设备所需要的格式。接口还常把外围设备的状态信息提供给微机，并协调微机与外围设备之间的同步工作。l寻址方式l微机与外部设备的接口信息l输入输出的控制方式1 寻址方式v微机对接口的寻址方式就是微机采用什么样的方式寻找接口，由硬件决定的，其选择直接影响微处理器控制信号（接口信号）的使用以及
13、接口的结构，从而影响内存的分配、程序的编制、微处理器的时间负荷以及微机外围设备的处理能力。v微机寻址外设有两种方式：1）内存映射I/O（又可称存贮器布局的输入/输出Memorymapped）；2）I/O独立（IndependentI/O）(又可称为按输入输出布局的输入/输出)。vRAM寻址方式的优点:1)可以使用大量的功能很强的访内指令;2)对外设中的数据可以直接进行操作（如进行算术或逻辑运算、循环或移位等），提高程序运行效率和编写效率。v缺点:1)影响了存贮空间；2)结构复杂；所编写的程序不易区分是输入输出操作还是正常的访内操作，从而使程序较困难阅读。2 接口信息l数据信息:即前面已说过的开
14、关信号、数字信号和脉冲信号。但模拟信号不属于接口信息，因为模拟信号不能直接送给微机，要经过模数转换器转变为接口的数据信息。l状态信息:外设与微机一般不是同步工作的，为了协调两者的工作节奏，需要使用标志工作状态的工作信息。l外设在数据传输给微机前，先发出输入装置准备好的状态信息，微机接到该信息之后就读入数据接口。同样，外设接收微机数据前，先给出输出装置空的信息，若输出装置正在输出，则给出忙的状态信息，以保证信息不冲突。控制信息:控制装置启动或停止的信号。状态信息和控制信息与数据是不同性质的信息，必须区别。1）在微机中只有通用的输入输出指令，所以状态信息和控制信息相互区别，必须有自己不同的端口地址
15、。这样数据需要至少一个端口；外设状态需一个端口，微机才能读入外设状态，了解外设运行情况；微机控制信号也需要至少一个输出端口，以控制外设的工作节奏。因此一个外部设备往往要几个端口地址，而微机寻址的仅是端口，而不是笼统的外设。2）微机一个数据端口是8位二进制，而一个外设的状态与控制信息只有1位或2位二进制数，故不同的外设状态或控制信息可能共用一个端口，指定端口中的不同的位来区别。输入输出的控制方式v微机与外部信息（数据、状态与控制信息）的交换是通过总线进行的。v如果整个信息传输过程在程序控制下进行，系统总线的控制权属于微处理器，称为程序控制方式；直接存储存取（DMA)。v再分为程序定时传送方式，程
16、序询问传送方式和程序中断传送方式。v(1)程序定时传送方式，又称同步传送或无条件传送。对外部设备的输入和输出直接进行读出或写入数据的操作，其时间完全由程序安排决定。不需外设的状态和控制。这样要求的硬件和软件都很简单。要求微处理器与外设同步工作，使用时不是很灵活。v(2)程序询问传送方式，又称异步传送或条件传送方式，微型机系统中使用最多的输入输出控制方式。v外设与微处理器传输数据的时间是随机的，当外设备好发或接受数据时，则建立一个状态标志。微处理器则不断判读状态信息，询问外设是否要求服务。微处理器判断外设准备好则进行数据传送。优点:硬件、软件不复杂，容易与外设协调。询问与执行程序同步，能确知为该
17、外设备服务需要的时间。缺点:软件询问常浪费微处理器的时间，外设处于完全被动的地位。即使外设需要紧急服务时也不能得到及时响应，只能等待微处理器的顺序询问。v（）程序中断传送方式。v外设通过微处理器上的中断申请向微处理器要求服务，微处理器就暂停原执行的程序（即实现中断），转去执行服务程序（中断服务），运行完毕回到原执行的程序被中断处继续执行。优点：免去程序查询外设的任务，提高了工作效率，而且有利于编程的结构化。需要硬件支持,软件成本低，这种传送方式是最值得优先采用的方式。第三节 数据采集系统数模转换器DAC模数转换器ADC模拟多路开关采样保持电路SHA数模转换器DACv数模转换器的功能是将一个数字
18、量转化为一个模拟电压，电流值。DAC的指标很多，其中关键的有：v分辨率，用满度信号可以分的级数，满度值的百分数（%FSR）等多种方式表示。仅采用二进制位数（也即满度信号可以分的级数）来说明DAC的分辨率是不够准确的。DAC的分辨率应指输入相邻两个数码时，所对应的两个输出模拟量之差。即分辨率应是电压值。例如8位DAC可分辨级数为256，相当于分辨满度值的0.392%。因此DAC的分辨率在给出二进制位数时还给出典型满度值。v精度，这一概念易与分辨率混淆。指DAC实际输出值与理论计算输出值之差，DAC器件精度由生产厂家给出，通常在+Q/2和+Q（Q为量化电平）范围内。v建立时间，由输入数字量变化至输
19、出模拟量稳定到最终值的+LSB/2（LSB指最底有效位）内的时间。当DAC的输入数码由全0变为全1时，是要求建立时间最长的一种情况。DAC在电流输出时建立时间为50500s，电压输出时建立时间110s，主要受输出放大器限制。lDAC的原理电路加法器，输入为虚地模数转换器ADCvADC的任务是将一个模拟输入信号电压转换为数字信号，能接受的一个n位二进制数。ADC的特性参数与DAC特性参数类似，不同点在于ADC输出的是数字码，因此分辨率，精度等参数均应随之改变。v并行（快速）ADC，目前应用的单片并行ADC的分辨率一般为6位，8位或10位，其有效转换率以达110千万次/秒。v双斜积分式ADC，此种
20、转换器的转换周期由两个单独的积分阶段组成。该种ADC属于积分ADC类，测量信号的平均值，对常态噪声提供了很强的抑制能力。通过对积分特性的组合的精心设计，可以获得分辨率超过20位的精确转换。但这种ADC转换速率较低，一般只有几十万次/秒。v并行（快速）ADC，目前应用的单片并行ADC的分辨率一般为6位，8位或10位，其有效转换率以达110千万次/秒。l逐次逼近ADCl逐次逼近原理l双斜积分式积分器比较器开关积输入量积标准量v逐次逼近式ADC，此种ADC采用对分法对输入电压比较，只需n次就能完成n位转换。速率较快，10位ADC的转换时间可小于10S。v做为ADC使用的Vf转换器在输入电压满度时一般
21、不超过几十KC。采用测频方式做为ADC时，达到12位精度的测量每秒只能进行十几次。因此是慢速的转换器。vVf转换器，它是一种特殊类似的转换器。可以认为是双斜积分式ADC电路的变形。适用于输入动态范围达数十分贝或输入信号需要远距离传输的场合，其基本原理是电荷平衡。电荷平衡时有下述关系：（fout即为对输入信号VX的输出频率）lVf转换原理l偏置误差和增益误差模拟多路开关 在数据采集系统中，同时使用多个传感器的场合中，常使用公共的模数转换器。即采用分时占用模数转换器，利用模拟多路开关，轮流切换各被采集的传感器信号与模数转换器的通路。开关特性：a、可靠性高、平均寿命长；b、开关特性好，接通时电阻Ro
22、n,断开电阻Roff比值大；c、可承受高电压冲击。电磁开关：如继电器、步进开关等，便于遥控，开关驱动一接点完全隔离，可承受高电压，较大电流。使用最多的是干簧管继电器，它的优点是：a、可靠性高、平均寿命107次；b、开关特性好，接通时电阻0.1左右,断开电阻1010以上；c、可承受上百伏电压冲击。电子式模拟开关：分为双极性晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关。电子式模拟开关特点是采样速度高。1)双极型晶体管开关速度最快，导通电阻最小，但只能单方向通电流；2)结型场效应管开关速度稍低（100ns左右），可双向导电；3)最常用的是集成化CMOS场效应管开关，开关速度1S以下，导通电阻300以下，关
23、断时泄露电流1mA左右，使用方便，在一个芯片上通常有8个或16个模拟开关，可直接与微机接口；4)光电耦合速度最低，约20S左右，但信号传输的线性度赶不上前面四种，但其开关与驱动隔离度高。模拟多路开关的控制：模拟多路开关的基本配置方式：单端式；伪差动配置；差动配置。l模拟多路开关配置及典型SHA采样保持电路SHA实际的模数转换器模拟量化的过程需要一定的时间，在这个转换时间内保持采样点的数值不变才能保证转换精度，对于动态信号要做到采样值不变，需要使用采样保持电路SHA，特别是逐次比较式ADC。SHA最主要的参数SHA的孔径时间。即SHA实际从采样到转入保持状态所需要的时间。SHA主要用在ADC的前
24、端，使ADC在捕捉瞬间像SHA的孔径时间一样快。因此SHA的捕孔径时间就是数据采集系统的孔径时间。SHA的另一个重要参数是输出电压的下降率，这个参数描述了SHA的保持性能。要求孔径时间小，保持性能就必然下降。SHA在数据采集系统中的配置方法要根据设计指标选择。采集速度低的时候，将SHA放在模拟开关与ADC中间成为公用，这种方法最经济。每个通道采集时间由多路开关的开关时间，SHA的采集时间、放大器建立时间和ADC转换时间决定。采集速度要求高时可考虑每个模拟信号使用一个SHA，速度更高时还可一个模拟信号使用一个ADC。第四节 数据采集系统实例本节通过一个例子介绍数据采集系统的设计和编程，并进一步分
25、析系统性能。系统设计编程系 统 设 计l设计任务l分辨率与精度l采样速率的计算l共模干扰抑制能力l系统的结构l系统的组成v设计任务，设计一个温度场测量系统、输入16支热电偶信号。温度范围为02000C，温度测量精度为0.10C，要求每秒至少测一次。要求能绘制各点温度分布图，温度随时间的变化曲线，至少能存贮一个小时的数据。v分辨率与精度，数据采集系统常常要求高分辨率与高精度。本系统要求精度为0.10C相当1/2000。从热电势来看，镍铬镍硅热电偶从02000C的电热为0.0008.137mV，因此系统需有4V左右的测量精度，分辨率应至少有2V，即约1/4000的分辨率，一个12位ADC具有1/4
26、096的分辨率，因此ADC的分辨率至少应为12位。由于输入单极性，采用单极性ADC。v采样速率的计算，采集速度选择直接影响接口部分和微机的硬软件设计。整个系统要求的采样速率为每秒16次，即采样间隔为62.5ms，可以选择逐次逼近式ADC（有SHA）或双斜率积分ADC（无SHA）。采样速率的计算v当输入模拟信号变化相当缓慢，一般可以不用SHA。工程上一般可用下式做为SHA选用依据：v式中：v输入模拟信号最大变化速率；T变换ADC转换时间；UPADC满度输入电压（或被测物理量）nADC变换位数，本例中n=12。假设本系统ADC的转换时间为60S，则由上式可计v即不用SHA允许输入温度以每秒6500
27、C变化不引起测量误差。本温度系统不可能有这样的变化速率，故不需有SHA。v采集速度选择直接影响接口部分和微机的硬软件设计。在本例中ADC为12位，则每次转换产生2字节数据，每秒就有2字节数据，每秒就有32字节数据送给微机，需要采集1小时数据，则共有112.5K字节要存在微机内，这样大量的数据对一般微机都是较大的负担。v共模干扰是相对于公共基准点，在测量装置的两个输入端加有同样的电压。从理论上讲共模电压是不会影响测量的。实际上，在一定的条件下（如输入回路两端的不对称性）会将共模电压转变为两输入端的电位差（差模信号），成为仪表输入信号的一部分，影响测试结果。v可以认为共模干扰在测量系统中总是存在的
28、。造成共模干扰的原因很多，图中给出了几个例子。共模干扰抑制能力l产生共模干扰的几个例子v图（a）所示的热电偶测温系统，测量装置与热电偶分别接地，Ecm为两接地点之间的地电位差（由三相动力电网负荷不平衡时的零线电流或大功率电气设备因绝缘不良而漏电等原因引起），它对仪表输入端产生共模干扰。v图（b）表示因绝缘不良造成热电偶与仪表两端电阻性接地。由于耐火材料的绝缘电阻随温度升高而降低，在高温下几乎变成导体，当用热电偶作传感器测量炉温时，会因绝缘不良而通过杂散漏电阻形成两点接地，造成地电位差对测量装置输入端的共模干扰。v图（c）表示地电位差通过杂散电容耦合形成共模干扰。输入端同时加上相同的输入v图（d
29、）表示动力电源通过漏电阻对测量装置的共模干扰。v共模干扰在测量系统中总是存在的。v共模干扰只有变成差模信号才能对测量形成干扰，“共模抑制比”CMRR是衡量这种能力的指标。CMRR=20lg(Ucm/Ucd)(dB)vUcm是作用于测量系统的共模干扰电压；vUcd是系统产生同样输出所需的差模电压。共模与等效差模之比v通常的放大器中数据放大器共模抑制比最高，可达130dB，相当于3106倍。系统要求共模噪声引入的误差应比信号分辨率小的多，即Vcm/CMRR1.9V。v在系统设计要求中未提出共模干扰指标，说明没有特殊共模干扰存在，只有通常的地线或漏电共模干扰存在，故使用一般数据放大器即可。v如果实际
30、系统要求大于130dB的CMRR，就需要采用“浮动电容”隔离技术。图3.23给出了“浮动电容”的多路结构。或者使用隔离放大器将带有大共模干扰的微小信号放大后送入多路开关；还有采用光电隔离的技术。系 统 的 结 构v根据前面对系统精度的估计，要求系统能检测微伏信号，这就要求多路开关可以精确地通过微伏信号。这对现在的各种多路开关都是一个比较高的指标，为了避免使用高精度低电平多路开关，可以采用每个通道一个放大器的结构，这样模拟多路开关处理的是高电平模拟信号，开关引起的误差就小得多。由于要求设计的系统信号速度较低，可不使用SHA。若需要SHA时，可把SHA放在多路开关后或多路开关前。选择微机。可选择的
31、微机有两大类，一类是仅有机器语言和汇编语言系统的专用单板机，另一类是有高级语言系统的通用微机。前者价廉功能少，使用困难；后者相反。由于本例中的系统要求存贮数据量大，是供科学实验用的系统，数据处理任务多变，宜采用通用微机。我们选择的是APPLE机适用的有16模入通道的12位模数转换板。考虑输入满量程正好适合用做本例使用的模数转换板是没有的，因此可考虑采用输入高电平的转换板，再自己加上一个带有16路数据放大器的放大板，组成数据采集系统。系统的组成编 程l系统定时l采样l工程量转换l数字滤波采集程序的功能是定时启动定时启动模数转换板，将所需转换的结果正确地取出和存放。由此可以看出采集程序的特点是面对
32、硬件和实时性。所谓面对硬件面对硬件是相对于在普通计算机操作时，人们面对的是计算机的操作系统一抽象的计算机，使用时不用管计算机内存的分配，硬件工作的具体细节。所谓实时性实时性就是要在规定的时间内完成必须做好的工作：切换通道开关，启动ADC，读出转换结果，以及显示、数据存放、数字滤波、工程量转换等。为了保证在限定时间内完成所有的工作，一般情况下采集程序都由汇编语言编制，仅在时间非常充裕的情况下才用高级语言来编写。编制程序之前首先要安排系统的工作时间。第一步接通开关由于本例中模数转换板上是集成CMOS通道开关，通断时间在1S以内。第二步是放大器在输入信号接入之后，输出达到并保持在给定误差范围所占用的
33、时间称为放大器建立时间，第三步为A/D转换，根据转换板说明知需要70S。第四步就是读数据，滤波、存贮、工程量转换和显示等初步处理。系统定时开关选择2放大器建立100A/D时间70usv62.5ms=1/16second数据处理时间采 样-与硬件对话本节选用的模数转换板没有使用价格相当高的12位模数转换集成块。而是用12位数模转换块、运算放大器和逐位逼近寄存器，在软件控制下进行逐次逼近模数转换的。其操作如下：l输出通道数到指定地址，接通多路开关；l向指定地址读操作。这是使逐位逼近寄存器恢复初始状态；l分别完成12位的高6位转换和低6位转换。这是通过向两个不同的指定存贮单元连续操作7次完成。l从两
34、个不同的指定单元中分别读出转换结果的高4位和低8位，组合成12位数据。这里提到的各个指定单元与模数转换板在APPLE机中的插槽号数有关。用BASIC编成的子程序如下：lAD子程序l500BA=49280+SLOT*16lSLOT是模数转换板插入计算机的槽号.l510POKEBA，CHANNELl通道选择；CHANL是所要的输入通道号。l520A=PEEK（BA+3）l530FORI=1TO7：B=PEEK（BA+4）：NEXTI高6位转换；l540FORI=1TO7：B=PEEK（BA+5）：NEXTI低6位转换；l550C=PEEK（BA+2）l560H4BIT=（C/16INT（C/16）
35、*16l570L8BIT=PEEK（BA+1）l580AD=H4BIT*256+L8BITl590RETURN550读含高位数单元，560屏蔽高位（高位为）；570是读低位数；580句是将读数组合成最终12位转换结果。调用该子程序前需要给变量SLOT赋值。结果由变量AD带出。若采集数据量不多（几百个），对于APPLE机可用BASIC数组变量存贮采集结果。若数据多，则只能以原始的12位二进制数在指定存贮区域存贮。例如，加上两句程序：572POKEK，C574POKEK+1，L8BITl就把转换结果放以地址K开始的存贮单元中。采样结束后，被测量就转换为数值AD，以后的数据处理就与键盘输入的数或程序
36、中输入的数没有什么区别了。l若相对1号通道至10号通道的温度进行采集，数据放入数组，可用如下程序：l100FORJ=1TONl100FORM=1TO10l120CHANNEL=Ml130GOSUB500l140TI（J，M）=AD：PRINTAD：NEXTMl150MEXTJ：ENDv如果在数据采样之后需要进一步处理，若时间允许，可插入130至140名之间。如需工程量转换，假设工程量转换子程序在600句开始，数据转换为T。可加上：135GOSUB600v再把140句中的AD改为T即可v若在所有数据采集完毕后还需处理，则可将150句的END去掉，接上处理程序。工 程 量 转 换-数据处理1 l工
37、程量转换是把模数转换的结果（仅是一个数值）转换成所需的物理量（如本节要求的温度）。l在进行工程量转换之前，需要知道转换公式。通常使用的都是线性式：l式中AD为模数转换结果，K1和K0为标定的回归系数。通常转换结果为非线性，多使用分段线性拟合。式中Ki0,Ki1为分段的回归系数。通常为了使用方便，一般按测量值等分分段线性拟合。在这里就是按模数转换结果AD等分分段。l采作分段线性拟合系数的工作量转换程序如下：lCH模拟通道数；lAD模数转换结果；lT工程量转换结果；D1d2d3v线性拟合lD（I）第I段分段点的AD值；lK1（I，CH）第I段对应通道CH的斜率；lK0（I，CH）第I段对应通道CH
38、的截距。l设非线性转换结果分成5段线性，工程量转换程序：l600FORI=1TO4l610IFADD（I）THENGOTO650l620NEXTIl630I=5l650T=K1（I，CH）*AD+K0（I，CH）l660RETURNl注意程序中给每个模拟通道都配有拟合好的回归系数。这是因为每个模拟通道都有放大器。它们的放大倍数不会一样。通常情况下可对每个放大器给出一个转换系数，然后再用统一的分段线性拟合系数进行转换。l在温度采集中就是把各通道读数先转换成热电势，再按统一的分段线性拟合系数和系数转换成温度。l在实时程序中要考虑这种通常的方法要多进行一次乘法运算，系统是否有足够的时间进行这样的转换
39、。所以我们采用的程序运行时间将节省一些，这是用多占内存来节省时间的方法，这是实时程序的特点。在数据处理中，滤波的主要作用是平滑所要分析的数据。数字滤波器分为递归与非递归两类，递归适于实时处理，我们主要介绍简单的递归滤波器。“滤波”这一概念起源于模拟系统，他允许或阻止信号中的某些频率分量通过。数字滤波就是程序滤波，它通过一定的数字运算达到滤波的目的。低通滤波器的含义就是低于某一频率的所有信号分量都能通过。下式就是最简单的一阶低通递归数字滤波器：数数 字字 滤滤 波波-数据处理数据处理2 lYi=Yi1+(1)Xi01式中：Yi是滤波后的本次值，Yi1是滤波后的上次值；Xi是滤波后的本次值。l从上
40、式可以看出，越大，滤波作用越强。等于0，则输出数值等于输入值。将上式改定为：Yi=Xi(XiYi1)l可看出明显的几何意义：本次滤波值等于本次输入值减去与(XiYi1)之积，可根据此式直接在输入序列Xi图上做出滤波后的序列Yi。可以看到输入的波动经滤波后被平滑。低通滤波 a=1/2,a=2/3Yi=Xi(XiYi1)l低通滤波器的通频带可以半功率点为界。半功率点指这样一个频率，在该频率处输出幅值平方为0赫兹处数值的一半。上式的半功率点在fc处，有：l式中：t为数字信号采用周期。fc可称为截止频率。假若截止频率为50HZ，由上式可以算得=0.327，l可以获得类似的一阶高通滤波器：Yi=Yi1+
41、(1+)Xi10l而且可用高通、低通滤波器进行组合得到各种性能的滤波器。需要指出的是这里举出的两种滤波器性能不够理想，要想获得更高质量的数字滤波器，需要更多的数字信号处理的知识。l数字滤波中还有一类称为平滑处理的方法，它同样适用于去除信号中的噪声，一般不在实时程序中使用。这里仅介绍平滑处理中的移动平均法。平滑-移动平均平滑-移动平均平滑-叠加平均l把由n个（采集到的）点组成的离散信号用X（i），I=1,2,n表 示，W（j）表 示 由N=2m+1点组成的权函数，j=m，1，0，1，m。在点I的平滑值Y(i)，用下式表示：i=m+1,m+2,nml其中：l从上式看出这种平滑法是以第I点为中心两边
42、各取m个点乘上各自的权系数后平均。显然权系数的选择对于平滑效果影响很大。加权平滑l移动平均，其权函数W（j）=1。若观测曲线可以用某个多项式曲线来近似，权函数可以选择相应的多项式，这种方法称为多项式适合法。l多项式适合法又称为最小二乘方法。它是将观测波形按特定曲线（例如二次或三次曲线）拟合来取得平滑数据。如在点I作为中心的2m+1个点内，信号波形用二次多项式Y（i）来拟合。Y(j)=a(ji)2+b(ji)+c其中：j=m+i,1+i,i,1+i,m+i。l那么由实际测定值X(j)的最小二乘误差关系：l就能解出关系式中二次多项式的系数a、b、c。这时在中心点i的二次多项式适合值Y（i）就成为Y
43、（i）=C，下表就是为了求解系数C而形成的权系数。所以在2m+1个点的中心点i上的平均值，就是这个系数表的W(j)。因为适合这个二次多项式的权系数具有和三次多项式同一数值，所以称为二次、三次多项式适合的平滑法权系数。l二次、三次多项式平滑法权系数。l以7点平滑为例的平滑程序。l程序所用变量：lW(j)平滑权系数；lW,正规化定数；lm2m+1各点移动平滑，这里m=3；lT1(j)测量值；lT2(j)平滑值；lN共N个测量值；l程序：l700M=3；初始化程序l710FORj=1TOMl720READW(J)；NETJl730DATA2，3，6，7：W=12：RETURNl740FORI=MTO
44、NM；平滑程序l750T2（I）=W（0）*X（I）l760FORj=1TOMl770T2（I）=T2（I）+（X（I+J）+X（IJ）*W（J）l780NEXTJl790T2（I）=T2（I）/W：NEXTIl800RETURNl以上程序中初始化部分在程序中只调用一次，使权系数等赋值即可。平滑程序在需要时可多次调用。l这种方法能用于计算信号的微分波形。假设i点为中心的2m+1点，微分波形表为：Y(j)=2a(ji)+bl在中心点处，Y(i)=b。通过计算得微分的二次多项式平滑权系数表（如下）。此权为斜率为1的直线。使用较为方便。l对应的程序：l740FORI=MTONM；l750T2（I）=0l760FORj=1TOMl770T2（I）=T2（Z）+（X（I+J）X（IJ）*Jl780NEXTJl790T2（I）=T2（Z）/Wl800RETURNl以上程序中初始化部分在程序中只调用一次，使权系数等赋值即可。平滑程序在需要时可多次调用。Y(j)=2a(ji)+b平滑微分相关测速：利用相似性