計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)概述；1.1、 數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)處理的對象是數(shù)字量，而外部世界的大部分信息是連續(xù)變化的物理量，例如溫度、壓力、位移、速度，要將這些信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，就必須先把這些連續(xù)的物理量離散化，即進(jìn)行量化編碼，變成數(shù)字量才能實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集就是將被測對象的各種參量通過傳感器做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，由非電量變換成電量， 再經(jīng)過信號調(diào)理、采樣、量化、編碼和傳輸?shù)炔襟E，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理或存儲(chǔ)記錄的過程。1.2、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，完成對整個(gè)采集過程的控制、對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的任務(wù)。1.3、 數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)的任

2、務(wù)主要有三項(xiàng)：把模擬信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號，送入計(jì)算機(jī)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理，得到有用的信息實(shí)現(xiàn)對過程或目標(biāo)（某些物理量）的監(jiān)視與控制2、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隨著新型傳感技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而得到迅速發(fā)展。由于目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有叫做計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為模擬部分和數(shù)字部分。圖 2.1是硬件基本組成示意圖。下面簡單介紹一下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)圖1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件基本組成1 .傳感器傳感器的作用是把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量 （如電壓、電流或頻率），

3、例如使用熱電 偶、熱電阻可以獲得隨溫度變化的電壓， 轉(zhuǎn)速傳感器常把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖等。 通常把傳感 器輸出到A/ D轉(zhuǎn)換器輸出的這一段信號通道稱為模擬通道。2 .放大器放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小， 例如常用的熱電偶輸出變化，往往在幾毫伏到兒十毫伏之間；電阻應(yīng)變片輸出電壓變化只有幾個(gè)毫伏；人體生物電信號僅是微伏量級。 因此，需要加以放大.以滿足大多數(shù) A/ D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入 5 10 V 的要求。傳感器和電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種捅合渠道使信號通道感染上噪聲.例如工頻傳號可以成為一種人為的干擾頓。這種噪聲可以用濾波器來衰減. 以提高校擬輸

4、入信號的信噪比。4 .多路模擬開關(guān)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 往往要對多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即所謂多路巡回檢測， 這可通過多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。 多路模擬開關(guān)可以分時(shí)選通來自多個(gè)輸入通道的某一路信號，因此、在多路開關(guān)后的單元電路.如采樣/保持電路、A/ D及處理器電路等，只需一套即可.這樣節(jié)省成本和體積。但這僅僅在物理且變化比較緩慢、變化周朗在數(shù)十至數(shù)百毫秒之間的情況下較合適。因?yàn)檫@時(shí)可以使用普通的數(shù)十微秒A/D轉(zhuǎn)換器從容地分時(shí)處理這些信號。但當(dāng)分時(shí)通道較多時(shí).必須注意泄漏及邏輯安排等問題；當(dāng)信號頻率較高時(shí)，使用多路分路開關(guān)后，對A/D的轉(zhuǎn)換速率要求也隨之上升。模擬多路開關(guān)有時(shí)也可以安排在放大器之前，但

5、當(dāng)輸入的信號電平較低時(shí)，涌注意選擇多路模擬開關(guān)的類型。若選用集成電路的模擬多路開關(guān)，由于它比干黃或繼電器組成的多路開關(guān)導(dǎo)通電阻大.泄漏電流大.因而有較大的誤差產(chǎn)生。所以要根據(jù)具體情況來選擇多路模擬開關(guān)的類型。5 .采樣/保持器模擬開關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分，它包括采樣/保持和A/ D轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取模擬多路開關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/ D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，如果把采樣/保持電路放在模擬多路開關(guān)之前（每道一個(gè)）.還可實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)信號進(jìn)行同時(shí)采樣。6 . A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器輸出的信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號變化速

6、度不同，系統(tǒng)對分辨力、精度、轉(zhuǎn)換速率及成本的要求也不同，所以A/D轉(zhuǎn)換器的種類也較多， 早期的采樣/保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員自行 設(shè)計(jì).目前普遍采用單片集成電路，有的單片A/ D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還包含有采樣/保持電路、基準(zhǔn)電源和接口電路。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較大方便。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸出給計(jì)算機(jī)。3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及舉例3.1、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟.3.1.1、分析問題和確定任務(wù)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須對要解決的問題進(jìn)行調(diào)查研究、分析論證。如產(chǎn)品的應(yīng)用場合、面向的客戶類型等。 在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的問題提出具體的要求，確定系統(tǒng)所 要完成的數(shù)據(jù)采集任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)，確定調(diào)試系統(tǒng)和

7、開發(fā)軟件的手段等。另外，還要對系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中可能遇到的技術(shù)難點(diǎn)做到心中有數(shù)，初步定出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。3.1.2、 確定采樣周期Ts采樣周期Ts決定了采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。利用采樣定理和系統(tǒng)設(shè)指標(biāo)來確定采樣周 期。3.1.3、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)階段，一般應(yīng)做以下幾項(xiàng)工作。3.1.3.1 進(jìn)行硬件和軟件的功能分配一般來說，多采用硬件，可以簡化軟件設(shè)計(jì)工作，并使系統(tǒng)的速度性能得到改善，但成本會(huì)增加，同時(shí)，也因接點(diǎn)數(shù)增加而增加不可靠因素。若用軟件代替硬件功能，可以增加系 統(tǒng)的靈活性，降低成本，但系統(tǒng)的工作速度也降低。要根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，在確定系統(tǒng)總體方案時(shí)進(jìn)行合理的功能分配。3.1.3

8、.2 確定微型計(jì)算機(jī)的配置方案可以根據(jù)具體情況，采用微處理器芯片、單片微型機(jī)芯片、單板機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)功能模板或個(gè) 人微型計(jì)算機(jī)等作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制處理機(jī)。選擇何種機(jī)型，對整個(gè)系統(tǒng)的性能、成本和設(shè)計(jì)進(jìn)度等均有重要的影響。3.1.3.3 操作面板的設(shè)計(jì)(1)輸人和修改源程序；(2)顯示和打印各種參數(shù)；(3)工作方式的選擇；(4)啟動(dòng)和停止系統(tǒng)的運(yùn)行。為了完成上述功能，操作面板一般由數(shù)字鍵、功能鍵、開關(guān)、顯示器件以及打印機(jī)等組 成。3.1.3.4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 其抗干擾能力要求一般都比較高。因此，抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程，要在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一考慮。3.2、 硬件和軟件的

9、設(shè)計(jì)3.2.2、 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是以所選擇的微型機(jī)為中心，設(shè)計(jì)出與其相配套的電路部分，經(jīng)調(diào)試后組成硬件系統(tǒng)。采用單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)過程。(1)明確硬件設(shè)計(jì)任務(wù)為了使以后的工作能順利進(jìn)行，不造成大的返工，在硬件正式設(shè)計(jì)之前，應(yīng)細(xì)致地制定 設(shè)計(jì)的指標(biāo)和要求，并對硬件系統(tǒng)各組成部分之間的控制關(guān)系、時(shí)間關(guān)系等作出詳細(xì)的規(guī)定。(2)盡可能詳細(xì)地繪制出邏輯圖、電路圖當(dāng)然，在以后的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試中還要不斷地對 電路圖進(jìn)行修改，逐步達(dá)到完善。(3)制作電路和調(diào)試電路。按所繪制的電路圖在實(shí)驗(yàn)板上連接出電路并進(jìn)行調(diào)試，通過調(diào)試，找出硬件設(shè)計(jì)中的毛病并予以排除，使硬件設(shè)計(jì)盡可能達(dá)到完善。調(diào)試好之后，再設(shè)計(jì)成正式的

10、印刷電路板。3.2.2軟件設(shè)計(jì)(1)明確軟件設(shè)計(jì)任務(wù)在軟件正式設(shè)計(jì)之前，首先必須要明確設(shè)計(jì)任務(wù)。然后，再把設(shè)計(jì)任務(wù)加以細(xì)致化和具 體化，即把一個(gè)大的設(shè)計(jì)任務(wù)， 細(xì)分成若干個(gè)相對獨(dú)立的小任務(wù)，這就是軟件工程學(xué)中的自頂向下細(xì)分”的原則。(2)按功能劃分程序模塊并繪出流程圖將程序按小任務(wù)組織成若干個(gè)模塊程序，如初始化程序、自檢程序、采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、打印和顯示程序、打印報(bào)警程序等，這些模塊既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，低一級模塊可以被高一級模塊重復(fù)調(diào)用，這種模塊化、結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的程序設(shè)計(jì)技術(shù)既提高了程序的可 擴(kuò)充性，又便于程序的調(diào)試及維護(hù)。(3)程序設(shè)計(jì)語言的選擇選用何種語言與硬件選擇有關(guān)。(4)調(diào)試

11、程序首先，對子程序進(jìn)行調(diào)試， 不斷地修改出現(xiàn)的錯(cuò)誤， 直到把子程序調(diào)好為止，然后再將主程序與子程序連接成一個(gè)完整的程序進(jìn)行調(diào)試。其次，調(diào)試程序時(shí)，在程序中插人斷點(diǎn)， 分段運(yùn)行，逐段排除錯(cuò)誤。最后，將調(diào)試好的程序固化到EPRO (系統(tǒng)采用微處理器、單板機(jī)、單片機(jī)時(shí))或存入磁盤(系統(tǒng)采用個(gè)人微機(jī)時(shí))，供今后使用。3.3當(dāng)今電廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由分散處理單元、數(shù)據(jù)高當(dāng)今大型火電機(jī)組單元采用多級網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，速通道、操作員站、工程師站等人機(jī)接口構(gòu)成，如圖 5.2所示:圖5.2多級網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu) DAS總體示意分散處理單元具有數(shù)據(jù)采集和處理功能，可以通過過程通道從現(xiàn)場采集各種過程變量， 并將采

12、集到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理，然后送到數(shù)據(jù)高速通道。過程通道是一個(gè)在生產(chǎn)過程與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間進(jìn)行信心交換和傳輸?shù)碾娐?。過程通道按信息的傳輸方向可分為輸入通道和輸出通道。按信息類型可分為模擬量通道、數(shù)字量通道和脈沖量通道。模擬量是指隨事件連續(xù)變化的量， 如溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、 電流、電壓等，模擬量通常要按比例經(jīng)過量化和編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能輸入計(jì)算機(jī)；開關(guān)量是指只具有兩個(gè)狀態(tài)的過程量，如開關(guān)的“斷開”與“閉合”，信號的“有”與“無”等，開關(guān)量要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換并按計(jì)算機(jī)字長進(jìn)行分組才能輸入計(jì)算機(jī)；脈沖量是指隨著時(shí)間的推移周期性重復(fù)出現(xiàn)短暫起伏的過程量，如轉(zhuǎn)速表輸出的代表轉(zhuǎn)速的一定頻

13、率的脈沖信號等，計(jì)算機(jī)要對單位時(shí)間內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)才能知道該數(shù)值的大小。一般情況下，過程通道包括模擬量（ AI）通道、模擬量輸出（A。通道、數(shù)字 量輸入（DI）通道、數(shù)字量輸出（DO通道、脈沖量輸入（PI）通道、脈沖量輸出（P。通 道六種類型。高速數(shù)據(jù)通道負(fù)責(zé)分散處理單元和上一級計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)通信，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式發(fā)展的基礎(chǔ)。操作員站從高速數(shù)據(jù)通道上獲取全部 信息，經(jīng)復(fù)雜的數(shù)字處理后通過人機(jī)接口裝置一 CRT鍵盤（或鼠標(biāo)等其他光電輸入設(shè)備） 、記錄數(shù)據(jù)站、打印機(jī)等實(shí)現(xiàn)顯示、打印、備份等 功能，并建立數(shù)據(jù)庫。工程師站用于系統(tǒng)的組態(tài)和修改，也可作為操作員站的后備

14、。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是機(jī)組啟停、 正常運(yùn)行和事故處理工況下的主要監(jiān)視手段，通過CRT顯示和打印機(jī)等人機(jī)接口向操作員提供各種實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)及信息以指導(dǎo)運(yùn)行操作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能包括：數(shù)據(jù)采集與處理、屏幕顯示、打印記錄、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索、性能計(jì)算等。此外，針對火電廠的特點(diǎn) 和要求，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的壽命管理、能量損耗分析和運(yùn)行操作指導(dǎo)等高級處理功能。4、基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集LabVIEW是虛擬儀器開發(fā)過程中最具代表性的圖形化編程語言（G語言），它用圖標(biāo)、連線、框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，能形象地觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程。LabVIEW是目前國際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，它有十分強(qiáng)大的功

15、能，例如數(shù)值運(yùn)算、信號處理、數(shù)據(jù)分析、 數(shù)據(jù)采集圖形獲取和傳輸?shù)?。LabVIEW程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的，主要組成有：前面板、框圖程序、圖標(biāo) /接線端口。 1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡、硬件驅(qū)動(dòng)程序接口、數(shù)據(jù)采集函數(shù)組成1。數(shù)據(jù)采集（DAQDataAcqusition ）系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號的產(chǎn)生和測量。要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測量物理信號，首先要用傳感器，把物理信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流等的電信號。通常不能把被測信號直接連接到DAa,須用信號調(diào)理輔助電路，先將信號進(jìn)行預(yù)處理?？傊?，數(shù)據(jù)集是借助軟件 來控制DAQ整個(gè)系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放及顯示等，用戶調(diào)用數(shù)據(jù)采集函數(shù)編寫數(shù)

16、據(jù)采集程序。 2數(shù)據(jù)采集流程 模塊中使用多通道輸入采樣函數(shù)，此函數(shù)完成對多通道模擬輸入量信號的采集。程序中實(shí)現(xiàn)對壓差和流量參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。具體采集過程中， 通過Case結(jié)構(gòu)（見圖1）實(shí)現(xiàn)幾個(gè)參數(shù)任意組合的采集。Case結(jié)構(gòu)是執(zhí)行條件語句的方法， 相似于If , Then, Else語句，它有多個(gè) 子框圖，但每次只能看到一個(gè)，具體執(zhí)行哪一個(gè)子框圖，是由輸入到選擇器端子上的數(shù)據(jù)來決定。采集完成后，使用索引數(shù)組函數(shù)來分離所采集的數(shù)據(jù)，函數(shù)會(huì)自動(dòng)調(diào)整大小來匹配連接的輸入數(shù)組維數(shù)。也就是說，如果將一維數(shù)組連接到 ArrayIndex 函數(shù)，那么將顯示1個(gè) 索引輸入；同樣，如果連接二維數(shù)組，那么它將顯示2

17、個(gè)索引輸入1行1列2。將采集到的數(shù)據(jù)分離后，將數(shù)值連接到控制器前面板上進(jìn)行直觀形象的顯示。在這個(gè)框圖中，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)循環(huán)采集的函數(shù)是 While函數(shù)，見圖2。此函數(shù)重復(fù)執(zhí)行代碼片段直到滿足某種 條件為止，類似于傳統(tǒng)語言中的 DoLoop循環(huán)。3信號的存儲(chǔ)和回放1）信號的存儲(chǔ)是將采集到信號參數(shù)進(jìn)行保存，便于今后隨時(shí)參考。本系統(tǒng)中采用LabVIEW自帶的存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)文件存儲(chǔ)程序，它可選擇所存儲(chǔ)文件的格式 （例如EXCEL HTM格式等）。根據(jù)實(shí)際工藝流程， 我們把壓差和流量等信號，分單元存儲(chǔ)。具體方法是：首先在最外層使用楨順序結(jié)構(gòu)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)文件路徑的數(shù)據(jù)流傳遞，用它控制節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行順序，節(jié)點(diǎn)間不用連線連接，將最先執(zhí)行的代碼放在楨0邊框內(nèi)3,依次類推。在保存采集次數(shù)、時(shí)間等參數(shù)時(shí)，因是以字符串保存的，所以就用函數(shù)將數(shù)字轉(zhuǎn)化為字符串。具體的結(jié)構(gòu)和循環(huán)，主要使用帶寄存器的While和Case結(jié)構(gòu)來完成。2）信號的回放是用戶在數(shù)據(jù)采集和分析完成之后，能夠隨時(shí)重新觀察4。數(shù)據(jù)回放是歷史信號追憶的前提，如果不能將用戶想要的信號數(shù)據(jù)從歷史文件中檢索到，記憶顯示就無從談起。查詢歷史數(shù)據(jù)時(shí)，首先要確定讀取哪一組保存的數(shù)據(jù)，然后再選擇是對哪一個(gè)幾個(gè)參數(shù)的讀取，最后以這幾個(gè)值為條件進(jìn)行查詢。本系統(tǒng)中