第七章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

1、北郵信息理論北郵信息理論與技術(shù)教研中心與技術(shù)教研中心 BUPT Information Theory & Technology Center 第七章第七章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中中的的關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)BUPT Information Theory & Technology Center 本章內(nèi)容 抗干擾技術(shù) 分析與處理技術(shù) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù) 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)2BUPT Information Theory & Technology Center 3BUPT Information Theory & Technology Center 7.1 抗干擾技術(shù)干擾：是指有用信號(hào)以外的“噪聲” 影響系統(tǒng)的準(zhǔn)

2、確度 降低系統(tǒng)的可靠性 形成三要素：干擾源、傳播途徑和敏感器件4BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.1 干擾源的分類 按照干擾的來(lái)源劃分5干擾外部干擾天電干擾天體干擾電器設(shè)備干擾內(nèi)部干擾耦合感應(yīng)多點(diǎn)接地電位差寄生振蕩各種噪聲BUPT Information Theory & Technology Center 按照干擾出現(xiàn)的規(guī)律劃分6干擾固定干擾固定的電氣設(shè)備半固定干擾偶然使用的電氣設(shè)備隨機(jī)干擾偶發(fā)性的干擾7.1.1 干擾源的分類BUPT Information Theory & Technology Center 按照干擾產(chǎn)生和傳播

3、的方式劃分7干擾靜電干擾磁場(chǎng)耦合干擾電磁輻射干擾電導(dǎo)通路耦合干擾漏電耦合干擾7.1.1 干擾源的分類BUPT Information Theory & Technology Center 按照干擾與輸入信號(hào)的關(guān)系劃分8干擾差模干擾共模干擾7.1.1 干擾源的分類BUPT Information Theory & Technology Center 軟件方面造成的干擾源采用不正確的算法計(jì)算機(jī)精度引起的誤差累積計(jì)算機(jī)處理器受到電磁干擾造成的軟件錯(cuò)誤97.1.1 干擾源的分類BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.2 干擾的傳播途徑傳播途徑磁場(chǎng)

4、耦合公共阻抗 耦合靜電耦合10BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.2 干擾的傳播途徑 靜電耦合：由于分布電容的存在，電場(chǎng)通過(guò)電容耦合的途徑進(jìn)入到其它線路中。 磁場(chǎng)耦合：由于任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而交變磁場(chǎng)對(duì)其周圍閉合電路會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)所導(dǎo)致的現(xiàn)象。 公共阻抗耦合：兩個(gè)電路存在一個(gè)公共阻抗，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路，從而產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象。11BUPT Information Theory & Technology Center 1、抑制干擾源 （1）交流電源的干擾 采用隔離變壓器127.1.3 硬件抗干擾

5、措施由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電網(wǎng)分別有各自的地線，如果把兩者直接相連，由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電網(wǎng)分別有各自的地線，如果把兩者直接相連，則它們的地線之間存在電位差，會(huì)形成環(huán)流造成共模干擾。則它們的地線之間存在電位差，會(huì)形成環(huán)流造成共模干擾。采用隔離變壓器將兩者隔離，使電網(wǎng)地線的干擾不能進(jìn)入系統(tǒng)，提高采用隔離變壓器將兩者隔離，使電網(wǎng)地線的干擾不能進(jìn)入系統(tǒng)，提高抗共模抑制能力，從而保證系統(tǒng)的可靠工作，抗共模抑制能力，從而保證系統(tǒng)的可靠工作， BUPT Information Theory & Technology Center 采用電源低通濾波器消除大于50Hz的高次諧波 采用交流穩(wěn)壓源把輸出波形畸變控制在5

6、%以內(nèi)還可以對(duì)負(fù)載短路起限流保護(hù)作用137.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center （2）直流電源的干擾 采用集成穩(wěn)壓塊單獨(dú)供電如采用DC-DC電源模塊、三端穩(wěn)壓模塊等147.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center （3）印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì)15合理布線合理布局合理接地7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.3 硬件抗干擾措施 （3）印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì) 合理布線

7、： 合理布局： 合理接地：16避免長(zhǎng)距離的平行走線信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉 各部件間的引線要短，電源線要寬。模擬信號(hào)、高速數(shù)字電路和噪聲源這 三部分合理地分開(kāi)。易受干擾的元器件不能相互挨的太近輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離所有器件的數(shù)字地和模擬地分別相連數(shù)字地和模擬地僅在一點(diǎn)上相連。 BUPT Information Theory & Technology Center 2、切斷干擾傳播途徑 （1）采用隔離的方法17光電隔離電磁隔離7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 光電隔離 利用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電路上的隔離 目前

8、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法。 187.1.3 硬件抗干擾措施系統(tǒng)和外界之間的隔離 系統(tǒng)電路之間的隔離 BUPT Information Theory & Technology Center 電磁隔離 利用隔離放大器的電磁耦合作用，將外界的模擬信號(hào)與系統(tǒng)進(jìn)行隔離傳送。 197.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center （2）其他方法20傳輸線的使用浮置措施濾波技術(shù)系統(tǒng)分別供電7.1.3 硬件抗干擾措施采用雙絞線、屏蔽線和扁平帶狀電纜進(jìn)行傳輸，提高抗干擾能力 數(shù)據(jù)采集電路的模擬信號(hào)地不接機(jī)殼或大地，以阻斷干擾電流的通

9、路 使用濾波器只允許某一頻帶的信號(hào)通過(guò)，以抑制其他頻帶的信號(hào) 將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電感設(shè)備的供電系統(tǒng)分開(kāi)，以避免在供電線路之間出現(xiàn)相互干擾 BUPT Information Theory & Technology Center 3、選擇良好的單片機(jī)與元器件 運(yùn)算放大器：溫漂低、差分性能優(yōu)良 電源芯片：高精度、低紋波、低溫漂 其他元器件（譯碼器、RAM等）：漏電流小、噪聲低、性能好 單片機(jī)：盡可能選擇頻率低的單片機(jī) 217.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 22 4、接地問(wèn)題 （1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中地線的類型 信號(hào)地：包括模擬

10、信號(hào)地、數(shù)字信號(hào)地和信號(hào)源地。模擬信號(hào)地是指模擬電路的零電位基準(zhǔn)，數(shù)字信號(hào)地是指數(shù)字電路的零電位基準(zhǔn)，信號(hào)源地是指信號(hào)源的零電位基準(zhǔn)。 功率地：是指大電流網(wǎng)絡(luò)部件的零電位基準(zhǔn)。 屏蔽地：又稱為機(jī)殼地，為了防止靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)而設(shè)計(jì)的。 交流地：交流50Hz電源的地線。 直流地：直流電源的地線。 7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 4、接地問(wèn)題 （2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的接地原則 需要消除各電路電流流經(jīng)一個(gè)公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓 避免形成接地環(huán)路引進(jìn)共模干擾。 一點(diǎn)接地：如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在兩點(diǎn)接地，由于大地各地電

11、位的不一致，造成它們之間會(huì)有電位差，形成地環(huán)路電流，從而對(duì)兩點(diǎn)接地的電路產(chǎn)生干擾。該干擾是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入端共模干擾的主要來(lái)源。237.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 一點(diǎn)接地原則 串聯(lián)一點(diǎn)接地24低頻電路7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.3 硬件抗干擾措施串聯(lián)一點(diǎn)接地 缺點(diǎn)：存在著各個(gè)接地點(diǎn)電位不同的問(wèn)題，這將造成子系統(tǒng)之間的相互干擾。 優(yōu)點(diǎn)：該方式布線簡(jiǎn)單，目前仍在使用。 使用注意事項(xiàng)：25 各個(gè)子系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)電位不能相差太大，

12、否則高地電位的子系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生很大的地電流，經(jīng)過(guò)共接的地線阻抗對(duì)低地電位子系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾。 應(yīng)該把對(duì)地電位最敏感的放在距離接地點(diǎn)最近的地方。 BUPT Information Theory & Technology Center 一點(diǎn)接地原則 并聯(lián)一點(diǎn)接地：各個(gè)子系統(tǒng)的地電流之間不會(huì)形成耦合，沒(méi)有共接地線阻抗所造成的干擾影響。 26低頻電路7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.3 硬件抗干擾措施 多點(diǎn)接地原則 一點(diǎn)接地方式僅適用于低頻電路，不能適用于高頻電路。 許多相互靠近又很長(zhǎng)的地線，對(duì)于高頻信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出電

13、感而使地線阻抗增大，造成各地線之間的磁場(chǎng)耦合。 在高頻電路（高于10MHz）中，應(yīng)該采用多點(diǎn)接地方式 27BUPT Information Theory & Technology Center 多點(diǎn)接地原則 接地線越短越好，以降低其阻抗，因此每個(gè)電路應(yīng)就近接地。 阻抗低可以防止高頻時(shí)地線向外輻射噪聲，并且地線之間互相遠(yuǎn)離可以大大降低噪聲的磁場(chǎng)耦合和電場(chǎng)耦合。 28高頻電路7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 接地方式選擇的一般準(zhǔn)則 工作頻率小于1MHz時(shí)采用單點(diǎn)接地方式； 工作頻率高于10MHz時(shí)采用多點(diǎn)接地方式； 工

14、作頻率介于1MHz10MHz的電路采用混合接地式。當(dāng)接地線的長(zhǎng)度小于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，采用單點(diǎn)接地式，否則采用多點(diǎn)接地式。 根據(jù)系統(tǒng)的需求和電路的需要進(jìn)行合理的安排。29BUPT Information Theory & Technology Center 不同性質(zhì)接地線的連線原則 弱信號(hào)模擬電路、數(shù)字電路和大功率驅(qū)動(dòng)地線分開(kāi) 模擬地與數(shù)字地分開(kāi) 高電平數(shù)字地與低電平信號(hào)分開(kāi) 各個(gè)子系統(tǒng)的地只在電源供電處才相接成一點(diǎn)入地 交流電源地線應(yīng)和保護(hù)地線相連。307.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 接地線應(yīng)盡量加粗原

15、則接地線越細(xì)，其阻抗越高，接地電位隨電流的變化越大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的抗干擾能力下降317.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.4 軟件抗干擾措施軟件抗干擾技術(shù)數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)中值法算術(shù)平均法加權(quán)平均濾波法程序正常運(yùn)行技術(shù)掉電保護(hù)軟件陷阱和指令冗余使用看門(mén)狗處理程序跑飛重要數(shù)據(jù)進(jìn)行備份32BUPT Information Theory & Technology Center 33BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換 采樣數(shù)據(jù)

16、的數(shù)字濾波 采樣數(shù)據(jù)剔除奇異項(xiàng) 采樣數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)去除和提取 采樣數(shù)據(jù)的平滑處理34BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 1、標(biāo)度變換 各種物理量有不同的單位和數(shù)值 例如：壓力的單位為Pa，溫度的單位為oC 物理量經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后變成一系列無(wú)單位的數(shù)字量 直接把AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量顯示在屏幕上，操作者不好理解35BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 1、標(biāo)度變換 將無(wú)單位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成有單位的物理量（1）線性參數(shù)的標(biāo)度變換若被測(cè)物理量與傳感器或儀器輸出

17、呈線性關(guān)系360000()uuYYYYXNNN Y0：被測(cè)量量程的下限； Yu：被測(cè)量量程的上限； Y：標(biāo)度變換后的數(shù)值； N0：Y0對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量； Nu：Yu對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量； X：Y 所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 1、標(biāo)度變換 將無(wú)單位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成有單位的物理量（1）線性參數(shù)的標(biāo)度變換37若Yu100，Y0=50，Nu255，N0=51，X153，則有 Y 501005025551(15351) 75BUPT Information Theory & T

18、echnology Center （2）非線性參數(shù)的標(biāo)度變換 當(dāng)被測(cè)物理量與傳感器或儀器的輸出關(guān)系為非線性關(guān)系時(shí)，需要采用非線性變換。 公式變換法 多項(xiàng)式變換法 表格法387.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center （2）非線性參數(shù)的標(biāo)度變換 公式變換法：如果傳感器或變送器的輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系可以用解析式表達(dá)，則可以通過(guò)解析式來(lái)推導(dǎo)出所需要的參量 在流量監(jiān)測(cè)中，變送器的輸出信號(hào)P與實(shí)際流量Q有以下關(guān)系 則標(biāo)度變換公式為397.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 QKDP0000mmKXKNYQQQKNKNBUPT Informatio

19、n Theory & Technology Center （2）非線性參數(shù)的標(biāo)度變換 多項(xiàng)式變換法：找到一個(gè)能夠較準(zhǔn)確地反映傳感器輸出信號(hào)與被測(cè)量之間關(guān)系的多項(xiàng)式 被測(cè)量與傳感器的輸出值x的關(guān)系式為 需要確定多項(xiàng)式系數(shù)：最小二乘法、代數(shù)插值法 407.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）非線性參數(shù)的標(biāo)度變換 多項(xiàng)式變換法41溫度 t(oC) 阻值 R(k) 溫度 t(oC) 阻值 R(k) 溫度 t(oC) 阻值 R(k) 10 8.0000 21 6.5574 31 5.6337 11 7.84

20、31 22 6.4516 32 5.5554 12 7.6923 23 6.3491 33 5.4793 13 7.5471 24 6.2500 34 5.4053 14 7.4074 25 6.1538 35 5.3332 15 7.2727 26 6.0606 36 5.2630 16 7.1428 27 5.9701 37 5.1946 17 7.0174 28 5.8823 38 5.1281 18 6.8965 29 5.7970 39 5.0631 19 6.7796 30 5.7142 40 5.0000 20 6.6670 BUPT Information Theory & T

21、echnology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）非線性參數(shù)的標(biāo)度變換 多項(xiàng)式變換法 采用三階多項(xiàng)式 取t=10, 17, 27, 39這四個(gè)點(diǎn)作為插值點(diǎn)，得到 解得42 P3(x) a3x3a2x2a1x1a0 a38.0003a28.0002a18.0001a010 a37.01743a27.01742a17.01741a017 a35.97013a25.97012a15.97011a0 27 a35.06313a25.06312a15.06311a0 39 a3 0.2346989,a2 6.120273a1 59.280430,a0 212.7118BUPT Informa

22、tion Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）非線性參數(shù)的標(biāo)度變換 多項(xiàng)式變換法 得到變換多項(xiàng)式為將采樣得到的電阻值代入上式，即可求出被測(cè)溫度t43 P3(R) 0.2346989R36.120273R259.280430R1212.7118注意：在函數(shù)曲線上曲率比較大的地方應(yīng)適當(dāng)加密插值點(diǎn)，以此提高精度BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）非線性參數(shù)的標(biāo)度變換 表格法 在已知的被測(cè)量和傳感器輸出關(guān)系曲線上，選取若干個(gè)樣點(diǎn)，并以表格形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。 對(duì)每一個(gè)需要做標(biāo)度

23、變換的數(shù)據(jù)y分別查表一次，找到數(shù)據(jù)y所在的區(qū)間，然后采用該區(qū)間的線性插值公式 44線性插值公式 yyiki(xxi)kiyi1yixi1xiBUPT Information Theory & Technology Center 2、數(shù)字濾波 工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，干擾源較多。為減少對(duì)采樣數(shù)據(jù)的干擾，提高系統(tǒng)性能，一般在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，先要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波 數(shù)字濾波：用計(jì)算機(jī)程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例。 優(yōu)點(diǎn)：457.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理用程序?qū)崿F(xiàn)，不需硬件可靠性高，穩(wěn)定性好容易更換濾波方法BUPT Information Theory & Tec

24、hnology Center 2、數(shù)字濾波方法 中值濾波法 算術(shù)平均值濾波法 加權(quán)平均濾波法 一階滯后濾波法（慣性濾波法） 防脈沖干擾復(fù)合濾波法467.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 2、數(shù)字濾波方法 中值濾波法 連續(xù)采樣n次，從小到大排序，取中值作為本次采樣值 不適用于快速變化的過(guò)程參數(shù)477.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 2、數(shù)字濾波方法 算術(shù)平均值濾波法 尋找一個(gè)Y作為N次采樣的平均值，使該值與本次各采樣值間誤差的平方和最小。 應(yīng)用場(chǎng)合：信

25、號(hào)在某一數(shù)值（平均值）范圍上下波動(dòng)，如壓力、流量等，做平滑處理 N變大，平滑度變高，但靈敏度變低 N變小，平滑度變低，但靈敏度變高487.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 2、數(shù)字濾波方法 加權(quán)平均濾波法 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)不同采樣時(shí)間得到的采樣值分別給予不同的權(quán)系數(shù)，以便能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度 缺點(diǎn)：計(jì)算量大，降低了系統(tǒng)的處理速度497.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 2、數(shù)字濾波方法 一階滯后濾波法（慣性濾波法） 模擬

26、量輸入通道中，常用一階RC濾波器消弱干擾。但測(cè)量回路中通常伴隨著電源干擾及工業(yè)干擾，這些干擾頻率很低，大時(shí)間常數(shù)和高精度的RC網(wǎng)絡(luò)不易制作。 慣性濾波法：以數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)低通濾波的動(dòng)態(tài)濾波方法，可以克服上述缺點(diǎn)50BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 2、數(shù)字濾波方法 一階滯后濾波法（慣性濾波法）51應(yīng)用場(chǎng)合：低頻信號(hào)，波動(dòng)頻繁的信號(hào)缺點(diǎn)：引入相位滯后的問(wèn)題，滯后值與大小有關(guān)BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 2、數(shù)字濾波方法 防脈沖干擾復(fù)合濾波法

27、 解決算術(shù)平均值法和中值濾波法的缺陷 算術(shù)平均值法：無(wú)法消除脈沖干擾，引起采樣偏差 中值濾波法：采樣點(diǎn)的限制，使其應(yīng)用范圍縮小 方法：先中值濾波消除由于脈沖干擾而有偏差的采樣值，再對(duì)濾波后的采樣值做算術(shù)平均。52BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 2、數(shù)字濾波方法 防脈沖干擾復(fù)合濾波法 若 則 當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)為3時(shí)，變?yōu)橹兄禐V波法。53BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng) 奇異項(xiàng)：采樣數(shù)據(jù)中有明顯錯(cuò)誤的個(gè)別數(shù)據(jù) 剔除方法：

28、54一階差分法多項(xiàng)式逼近法最小二乘法BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng) 一階差分法 預(yù)測(cè)值的確定 誤差限W的確定：采樣速率、物理量變化特性等55奇異項(xiàng)的判斷準(zhǔn)則：給定誤差限W，若t時(shí)刻的采樣值為 ，預(yù)測(cè)值為 ，當(dāng) 時(shí)，則 為奇異項(xiàng)，應(yīng)剔除，并以預(yù)測(cè)值 來(lái)取代采樣值 。 xt xt | xtxt|W xt xt xt xtxt1(xt1xt2)BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng) 一階差分法

29、在實(shí)際測(cè)量中，常會(huì)發(fā)生連續(xù)兩個(gè)以上的點(diǎn)均為干擾的點(diǎn)，會(huì)造成所選的 本身就不是正確值，從而所得到的預(yù)測(cè)值 也是錯(cuò)誤的。 此時(shí) ，并不能表明 是奇異項(xiàng) 判斷準(zhǔn)則56 xt1,xt2 W| xtxt|W xtBUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng) 一階差分法 在實(shí)際應(yīng)用中存在一種可能，起始點(diǎn)恰恰是被干擾產(chǎn)生的奇異點(diǎn)。此時(shí)需要一開(kāi)始就去尋找滿足一階差分預(yù)測(cè)關(guān)系的三個(gè)連續(xù)點(diǎn)，即滿足下式 這時(shí)找到的三個(gè)點(diǎn) ，可以作為正確的起始點(diǎn)。57 |xtxt1(xt1xt2)|W xt2,xt1,xtBUPT Info

30、rmation Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng) 一階差分法 例子：一采集系統(tǒng)采集到9個(gè)點(diǎn)， （1）起始點(diǎn)的確定 將 代入，不滿足 將 代入，滿足 則 為所要的起始點(diǎn)58 |xtxt1(xt1xt2)|W x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9 x1,x2,x3 x4,x5,x6 x4,x5,x6BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng) 一階差分法 （2）確定完起始點(diǎn)后，分別往x1和xn方向剔除干擾點(diǎn)59BUPT

31、 Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 4、去除或提取采樣數(shù)據(jù)的趨勢(shì)項(xiàng) 等待處理的數(shù)據(jù)中，通常包含兩種分量 趨勢(shì)項(xiàng)：周期大于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分 交變分量：周期小于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分 在許多應(yīng)用場(chǎng)合，只對(duì)交變分量感興趣。通過(guò)去除或提取趨勢(shì)項(xiàng)，能夠消除數(shù)據(jù)處理中有可能出現(xiàn)的畸變。 去除或提取趨勢(shì)項(xiàng)的方法 平均斜率法 最小二乘法60BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 4、去除或提取采樣數(shù)據(jù)的趨勢(shì)項(xiàng) 最小二乘法：尋找一個(gè)函數(shù) ，使該函數(shù)與 的誤差平方和最小

32、，即用 去逼近或擬合 一般 可以用一個(gè)多項(xiàng)式去表示 例如：設(shè)采集到一個(gè)數(shù)據(jù)序列，它是由一個(gè)直線斜升分量和一個(gè)正弦分量疊加而成。通過(guò)上述程序處理，就可以把直線斜升分量提取出來(lái)。61 x(t) x(t) x(t) x(t) x(t)BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 5、采樣數(shù)據(jù)的平滑處理 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)往往疊加噪聲 周期性的：典型代表為50Hz的工頻干擾 不規(guī)則的：代表為隨機(jī)信號(hào) 離散數(shù)據(jù)繪成的曲線呈現(xiàn)折線形狀，很不光滑，即高頻成分豐富 為消弱干擾影響，提高曲線光滑度，需要進(jìn)行平滑處理 原則：既要消弱干擾成分，

33、又要保持原有曲線的變化特性 常用方法：平均法、五點(diǎn)三次平滑法、樣條函數(shù)法62BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 5、采樣數(shù)據(jù)的平滑處理 平均法 簡(jiǎn)單平均法：求算術(shù)平均 加權(quán)平均法63BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 5、采樣數(shù)據(jù)的平滑處理 平均法 直線滑動(dòng)平均法 例如三點(diǎn)滑動(dòng)平均64第一點(diǎn)結(jié)束點(diǎn)其他點(diǎn) ym16ym22ym15ym()BUPT Information Theory & Technology Center 數(shù)據(jù)二次處理 典型的操

34、作包括：65積分微分卷積相關(guān)分析門(mén)限檢測(cè)尖峰捕獲數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)插值傅里葉變換7.2.2 數(shù)據(jù)二次處理BUPT Information Theory & Technology Center 66BUPT Information Theory & Technology Center 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求n數(shù)據(jù)存儲(chǔ)概念n 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是針對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有序的存放、保管，以便有效使用的過(guò)程。n 三層含義:n 將所采集的數(shù)據(jù)，按照一定規(guī)則，記錄在相應(yīng)的載體上；n 將這些數(shù)據(jù)載體，按照一定的特征和內(nèi)容性質(zhì)組成系統(tǒng)有序的、可供自己或他人檢索的集合體；n 應(yīng)用計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的技術(shù)和手段，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率和利用水平

35、。67BUPT Information Theory & Technology Center 68 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類 按存取方式分類： 隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（Random access memory） 只讀存儲(chǔ)器ROM（read-only memory） 串行訪問(wèn)存儲(chǔ)器BUPT Information Theory & Technology Center 69 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類 RAM 存儲(chǔ)器中任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能隨機(jī)存取，且存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān) 分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM：靜態(tài)RAM（Static random access memory）：以觸發(fā)器原理寄存信息主要應(yīng)用于需

36、要緩存比較小，但需要快速訪問(wèn)的系統(tǒng)訪問(wèn)速度快，無(wú)需刷新，成本高動(dòng)態(tài)RAM（Dynamic random access memory）以電容充放電原理寄存信息主要應(yīng)用于對(duì)功耗要求不太高、系統(tǒng)緩存要求容量比較大、速度要求比較快的系統(tǒng)BUPT Information Theory & Technology Center 存儲(chǔ)器分類l目前，動(dòng)態(tài)RAM比靜態(tài)RAM要廣泛得多，其原因是 在同樣大小的芯片中，動(dòng)態(tài)RAM的集成度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜態(tài)RAM 動(dòng)態(tài)RAM的功耗僅為靜態(tài)RAM的1/6 動(dòng)態(tài)RAM的行列地址按先后順序輸送，減少了芯片引腳，封裝尺寸也減少了 動(dòng)態(tài)RAM的價(jià)格僅為靜態(tài)RAM的1/4l動(dòng)態(tài)RAM也有

37、缺點(diǎn) 由于使用動(dòng)態(tài)元件（電容），因此它的速度比靜態(tài)RAM低 動(dòng)態(tài)RAM需要再生，要配置再生電路，消耗一部分功率70BUPT Information Theory & Technology Center 存儲(chǔ)器分類71BUPT Information Theory & Technology Center 72 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類 ROM 只能對(duì)其存儲(chǔ)的內(nèi)容讀出，而不能對(duì)其重新寫(xiě)入的存儲(chǔ)器 包括MROM：Masked ROM，掩模型ROM，采用掩模工藝，將原始信息記錄在芯片中，一旦制成就無(wú)法更改PROM：Programmable ROM，可編程ROMEPROM：可擦除可編程ROMEEPROM：電

38、可擦除可編程ROMFlash Memory：快擦型存儲(chǔ)器 速度慢，有一定的讀寫(xiě)次數(shù)一般用在系統(tǒng)里面保存程序和數(shù)據(jù)用BUPT Information Theory & Technology Center 存儲(chǔ)器分類 Flash Memory 和通過(guò)紫外光線照射進(jìn)行擦除的EPROM及通過(guò)特定字節(jié)進(jìn)行擦除的EEPROM不同，閃存可以按塊進(jìn)行擦除和重寫(xiě) 在EPROM和EEPROM工藝基礎(chǔ)上產(chǎn)生 性能價(jià)格比更好、可靠性更高的可擦寫(xiě)非易失性存儲(chǔ)器 具備了RAM的功能，具有高速編程的特點(diǎn)，以及高速的存儲(chǔ)器訪問(wèn)周期，功耗很低，與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) 閃存在經(jīng)過(guò)10000次左右的擦除后，將失去存儲(chǔ)能力，而磁盤(pán)可

39、以用上好幾年，不管擦寫(xiě)的頻率有多高73BUPT Information Theory & Technology Center 存儲(chǔ)器分類 Flash Memory FALSH存儲(chǔ)元是在EPROM存儲(chǔ)元基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái) FLASH存儲(chǔ)器也翻譯成閃速存儲(chǔ)器，它是高密度非失易失性的讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器。高密度意味著它具有巨大比特?cái)?shù)目的存儲(chǔ)容量 非易失性意味著存放的數(shù)據(jù)在沒(méi)有電源的情況下可以長(zhǎng)期保存 它既有RAM的優(yōu)點(diǎn)，又有ROM的優(yōu)點(diǎn)，稱得上是存儲(chǔ)技術(shù)劃時(shí)代的進(jìn)展 74BUPT Information Theory & Technology Center 75 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類 串行訪問(wèn)存儲(chǔ)器 對(duì)存儲(chǔ)單元

40、進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，需按其物理位置的先后順序?qū)ふ业刂?。也稱順序存取存儲(chǔ)器 如磁帶、磁盤(pán)BUPT Information Theory & Technology Center 76 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類 按在計(jì)算機(jī)中的作用分類 主存儲(chǔ)器：和CPU直接交換信息 輔助存儲(chǔ)器：主存的后援存儲(chǔ)器 主存速度快、容量小，價(jià)格高 輔存速度慢、容量大，價(jià)格低 緩沖存儲(chǔ)器：用于兩個(gè)速度不同的部件之間，起緩沖作用BUPT Information Theory & Technology Center 存儲(chǔ)器分類77BUPT Information Theory & Technology Center 78 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)

41、器分類 按信息的可保存性分類 易失性存儲(chǔ)器 斷電后信息消失 SRAM，DRAM 非易失性存儲(chǔ)器 斷電后仍能保存信息 磁存儲(chǔ)器、激光存儲(chǔ)器等BUPT Information Theory & Technology Center 79 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 RAMROM靜態(tài)RAM動(dòng)態(tài)RAM掩模式MROM可編程式PROM可擦寫(xiě)式EPROM電擦寫(xiě)式EEPROMFlash Memory高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） 輔助存儲(chǔ)器 磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)BUPT Information Theory & Technology Center 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 衡量存儲(chǔ)器有三個(gè)指標(biāo)：容量,速度和價(jià)格/位

42、。 用單一的存儲(chǔ)器很難同時(shí)滿足三個(gè)指標(biāo)。 因?yàn)榇嫒r(shí)間越短，每位的價(jià)格就越高； 容量越大，每位的價(jià)格就越低； 容量越大，存取時(shí)間就越長(zhǎng)。 這必須用存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 存儲(chǔ)系統(tǒng)不是硬件的簡(jiǎn)單堆積，是硬件與軟件相結(jié)合的方法連接起來(lái)成為一個(gè)系統(tǒng)。 這個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看它是一個(gè)存儲(chǔ)器，這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器容量與容量最大的那個(gè)存儲(chǔ)器相等或接近，單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。80BUPT Information Theory & Technology Center 1) 由由多種不同的存儲(chǔ)器構(gòu)成多種不同的存儲(chǔ)器構(gòu)成2) 由硬件、軟件或者硬件由硬件

43、、軟件或者硬件+軟件相結(jié)合完成程序定位，使軟件相結(jié)合完成程序定位，使之成為一個(gè)整體。之成為一個(gè)整體。CPUM1M2Mn存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)價(jià)格價(jià)格Ci Ci+1速度速度Ti Ti+1 容量容量Si Si+1CCnTT1 SSn存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)81BUPT Information Theory & Technology Center 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)82BUPT Information Theory & Technology Center 83BUPT Information Theory & Technology Center 84BUPT Information Theor

44、y & Technology Center 85BUPT Information Theory & Technology Center 直接連接存儲(chǔ)模式存在諸多p存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備只能與一臺(tái)服務(wù)器直接連接，只由這只能與一臺(tái)服務(wù)器直接連接，只由這臺(tái)服務(wù)器使用。臺(tái)服務(wù)器使用。p用戶要備份數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，都要占用服務(wù)器用戶要備份數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，都要占用服務(wù)器CPU的時(shí)間，從而降低了服務(wù)器的管理效能。的時(shí)間，從而降低了服務(wù)器的管理效能。p隨著服務(wù)器的增多，數(shù)據(jù)管理會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，隨著服務(wù)器的增多，數(shù)據(jù)管理會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，工作量不斷增加。工作量不斷增加。p如果增加存儲(chǔ)設(shè)備，擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，需要對(duì)服如果增加存儲(chǔ)設(shè)

45、備，擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，需要對(duì)服務(wù)器進(jìn)行重新配置，這樣做容易中斷業(yè)務(wù)連續(xù)務(wù)器進(jìn)行重新配置，這樣做容易中斷業(yè)務(wù)連續(xù)性，造成數(shù)據(jù)丟失。性，造成數(shù)據(jù)丟失。86BUPT Information Theory & Technology Center ApplicationServer 1diskdiskApplicationServer 2diskdiskApplicationServer 3diskdisk87BUPT Information Theory & Technology Center n自二十世紀(jì)末開(kāi)始，存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入 “存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)”(Storage Network)時(shí)代。它將存儲(chǔ)設(shè)備從應(yīng)用服

46、務(wù)器中分離出來(lái)，進(jìn)行集中管理。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：88BUPT Information Theory & Technology Center 89BUPT Information Theory & Technology Center 云存儲(chǔ) 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)與云計(jì)算相結(jié)合，構(gòu)成了云存儲(chǔ)技術(shù)。 將網(wǎng)絡(luò)中大量的各種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)應(yīng)用軟件集合起來(lái)協(xié)同工作，共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問(wèn)功能的服務(wù)系統(tǒng) 當(dāng)云計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)算和處理的核心是大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理時(shí)，云計(jì)算系統(tǒng)中需要配置大量的存儲(chǔ)設(shè)備，則云計(jì)算系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng) 云存儲(chǔ)：保證數(shù)據(jù)的安全性，節(jié)約存儲(chǔ)空間90BUPT Information

47、 Theory & Technology Center 91BUPT Information Theory & Technology Center 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 數(shù)據(jù)采集中的傳輸技術(shù)包括兩大部分： 本地?cái)?shù)據(jù)傳輸：接口、總線等。 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸：通信技術(shù)。 通信技術(shù) 傳輸網(wǎng) SDH同步數(shù)字傳輸體制 交換網(wǎng) IP 接入網(wǎng) 種類繁多92BUPT Information Theory & Technology Center 有線接入技術(shù) 光纖 PON無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)接入 五類纜、超五類纜 IEEE 802.3系列標(biāo)準(zhǔn) 同軸電纜 Cable Modem 雙絞線 xDSL 電力線93BUPT Informatio

48、n Theory & Technology Center 無(wú)線接入技術(shù) 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng) GSM/GPRS/EDGE CDMA 1X/CDMA2000/WCDMA/HSPA TD-SCDMA/HSPA/LTE/LTE-A 無(wú)線局域網(wǎng) IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn) 短距離無(wú)線通信 Zigbee 藍(lán)牙 UWB94BUPT Information Theory & Technology Center 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 針對(duì)供電不變、單個(gè)節(jié)點(diǎn)采集速度較低、節(jié)點(diǎn)數(shù)非常多的應(yīng)用場(chǎng)景； 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)直接帶有微控制器和通信節(jié)點(diǎn)； 能夠互為路由，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚； 節(jié)能是考慮的重點(diǎn)。 PHY/MAC以IEEE

49、 802.15.4為主； 網(wǎng)絡(luò)層以Zigbee聯(lián)盟定義的標(biāo)準(zhǔn)為主；95BUPT Information Theory & Technology Center WSN特點(diǎn)和結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模塊無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模塊 96BUPT Information Theory & Technology Center WSNWSN兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)：兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)： WSN通信體系平面結(jié)構(gòu)通信體系平面結(jié)構(gòu) 1 1，平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu): :所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于相同的平等地位所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于相同的平等地位, ,不存不存在任何的等級(jí)和層次差異在任何的等級(jí)和層次差異, ,所以也被稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。所以也被稱為

50、對(duì)等式結(jié)構(gòu)。 WSN特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)97BUPT Information Theory & Technology Center WSN特點(diǎn)和結(jié)構(gòu) WSN的的邏輯分層結(jié)構(gòu)邏輯分層結(jié)構(gòu) 2 2，邏輯分層結(jié)構(gòu)，邏輯分層結(jié)構(gòu): :網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照某種規(guī)則絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照某種規(guī)則（如地理位置、應(yīng)用（如地理位置、應(yīng)用需求）分成各個(gè)簇，需求）分成各個(gè)簇，每個(gè)簇由簇頭和成員每個(gè)簇由簇頭和成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。 98BUPT Information Theory & Technology Center WSN關(guān)鍵技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù) 內(nèi)容：滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)功率控制和節(jié)點(diǎn)選擇，生成高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 目的：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂颇軌蛱岣呗酚蓞f(xié)議和MAC協(xié)議效率,有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。 熱點(diǎn)：通過(guò)激活選定的節(jié)點(diǎn)集合，以能量有效的方式進(jìn)