數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)參考書(shū)目：1.2.3.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)馬明建周長(zhǎng)城西安交通大學(xué)出版社數(shù)據(jù)采集技術(shù)沈蘭蓀中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用沈蘭蓀人民郵電出版社第一章1.2.3.數(shù)據(jù)采集技術(shù)(DataAcquisition)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存貯、處理以及控制等作業(yè)。在智能儀器、信號(hào)處理以及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測(cè)量與控制問(wèn)題。將外部世界存在的溫度、壓力、流量、位移以及角度等模擬量(AnalogSignal)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(DigitalSignal),在收集到計(jì)算機(jī)并進(jìn)一步予以顯示、處理、傳輸與記錄這一過(guò)程，即稱(chēng)為“數(shù)據(jù)采集”。相應(yīng)的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem,簡(jiǎn)稱(chēng)DAS)數(shù)據(jù)采集技術(shù)以在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、震動(dòng)工程、無(wú)損檢測(cè)、語(yǔ)聲處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。1?1數(shù)據(jù)采集的意義和任務(wù)數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集、轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過(guò)程。相應(yīng)的系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)：采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來(lái)控制某些物理量。1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能數(shù)據(jù)采集：采樣周期模擬信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理開(kāi)關(guān)信號(hào)處理：來(lái)自開(kāi)關(guān)器件二次數(shù)據(jù)計(jì)算：平均、累積、變化率、差值、最大值、最小值屏幕顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)打印輸出人機(jī)聯(lián)系1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式硬件和軟件組成。從硬件方面來(lái)看，有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、另一種是集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1.3.1微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：由傳感器、模擬多路開(kāi)關(guān)、程控放大器、采櫛保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成。多路聯(lián)ai.i微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)睡一個(gè)工作周期圖1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作時(shí)序圖微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。（2）對(duì)環(huán)境的要求不高。（3）成本低。（4）微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部分。（5）微型計(jì)算機(jī)的各種I/O模塊及軟件都比較齊全，很容易構(gòu)成系統(tǒng)，便于使用和維護(hù)。1.3.2集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由若干個(gè)數(shù)據(jù)采理和一臺(tái)上位機(jī)及通信線路組成。.上位機(jī)通信接口11I數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)敗據(jù)數(shù)據(jù)棗集站采集站采集站采集站tt--IIf?…111?1H?一1模擬館號(hào)和數(shù)字信號(hào)圖1.3集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站：由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成。上位機(jī)：為微型計(jì)算機(jī)，配置有打印機(jī)和繪圖機(jī)。集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。（1）系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)。不同的規(guī)模都適用。（2）系統(tǒng)的可靠性高。（3）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性好。（4）對(duì)系統(tǒng)硬件的要求不高。（5）數(shù)字信號(hào)傳輸，可靠性高。1.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件一般包括：模擬信號(hào)采集與處理程序、數(shù)字信號(hào)采集與處理、脈沖信號(hào)采集與處理、開(kāi)關(guān)信號(hào)采集與處理、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置程序：采樣通道號(hào)，采樣點(diǎn)數(shù)，采樣周期，信號(hào)量程范圍，放大器增益系數(shù)，工程單位等系統(tǒng)管理程序：主控程序通信程序1.5數(shù)據(jù)處理的類(lèi)型和任務(wù)1.5.1數(shù)據(jù)處理的類(lèi)型按處理的方式劃分：實(shí)時(shí)處理和事后處理.按處理的性質(zhì)劃分：預(yù)處理和二次處理1.5.2數(shù)據(jù)處理的任務(wù)對(duì)采集到的電信號(hào)做物理量解釋。消除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)分析計(jì)算數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征

第二章模擬信號(hào)的數(shù)字化處理2.1概述連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷了兩個(gè)斷續(xù)過(guò)程：時(shí)間斷續(xù)：采樣X(jué)(t)Xs(nTs)數(shù)值斷續(xù)：量化，即把采樣信號(hào)Xs(nTs)以最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來(lái)度量.信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖所示SSX（n）TOC\o"1-5"\h\zIIiQO。iS5SSSI???■■圖2.1信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程2.2采樣過(guò)程JTU)圖2.2圖2.2采樣過(guò)程采樣過(guò)程可以看作脈沖調(diào)制過(guò)程.氣(nTs)=x(t)%(t)xs(nTs)=x(t)n=H5(t-nTs)n=—sx(nTs)=(nTs)5(t-nT)2.3采樣定理圖2.3黜調(diào)制過(guò)程采樣周期Ts決定采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量:Ts太小，X(nT)數(shù)量劇增，占用內(nèi)存；Ts太大，模擬信號(hào)的某些信息被丟失.2.3.1采樣定理TOC\o"1-5"\h\z設(shè)有連續(xù)信號(hào)x(t),其頻譜為X(f),以采樣周期Ts采得的離散信號(hào)為xs(nTs).如果頻譜x(f)和采樣周期滿(mǎn)足下列條件：ss.頻譜X(f)為有限頻譜，即當(dāng)F1的絕對(duì)值大于等于fc(截止頻率)時(shí),x(f)=0;.Ts<i2fc則連續(xù)信號(hào)兀rsin[(t一nTs)]尤(t)=Z吒(nT)S^-(t-nTs)*亍唯一確定.Fc稱(chēng)為截止頻率，又稱(chēng)為奈奎斯特頻率。采樣定理給出無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)的條件。2.3.2采樣定理中兩個(gè)條件的物理意義連續(xù)模擬信號(hào)x(t)的頻率范圍是有限的，即信號(hào)的頻率f在0<f<fc采樣周期Ts不能大于信號(hào)周期Tc的一半。2.3.3采樣定理不適用的情況采樣定理在fc=1/(2Ts)時(shí)是不適應(yīng)的。例如，設(shè)連續(xù)信號(hào)為：x(t)=Asin(2訴+中);0<^<2兀其采樣值為：xs(nTs)=Asin(2訴nTs+中)當(dāng)fc=1/(2Ts)有x(nTs)=Asin(2耐cnTs+甲)=A(-1)nsin甲則當(dāng)中=0時(shí),采樣信號(hào)為零，無(wú)法恢復(fù)原模擬信號(hào).當(dāng)0<|sin中|<1時(shí)，采樣信號(hào)幅值小于原模擬信號(hào)當(dāng)|sin中|=1時(shí)，采樣信號(hào)幅值等于原模擬信號(hào).2.4頻率混淆及消除措施2.4?1頻率混淆如果Ts取的過(guò)大，使Ts>1/(2fc)時(shí),將會(huì)出現(xiàn)x(t)中的高頻成分被疊加到低頻成分上去的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為頻率混淆.例如:

XU)4=900Hz500Hzxtn￡=400Hz命500Hz信號(hào)能相互混淆的頻率為:定時(shí)，不發(fā)生f1=±f2+kfs;(kXU)4=900Hz500Hzxtn￡=400Hz命500Hz信號(hào)能相互混淆的頻率為:定時(shí)，不發(fā)生f1=±f2+kfs;(k二柜E1/100s2.4.2消除頻率混淆的措施：對(duì)于頻域衰減較快的信號(hào)，可用提高采樣頻率的方法來(lái)解決。對(duì)于頻域衰減較慢的信號(hào)，可用消除頻