数据采集与信号处理讲义全2013

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1、数据采集与信号处理讲义数据采集与信号处理讲义编者时献江哈尔滨理工大学机械电子工程教研室2012年3月1日数据采集与信号处理讲义第一章绪论1.1数据采集与信号处理系统的任务及要求1)数据的采集“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后行存储、处理、显示或打印的过程；相应的系统称为数据采集系统。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统能够获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段

2、之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。对数据采集与处理系统的要求较多，主要包括精度要求、速度要求和实时性要求。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速

3、度的要求。对数据采集与处理系统的要求较多，主要包括精度要求、速度要求和实时性要求。随着科学技术的飞速发展，对数据处理的实时性要求也越来越高。例如在实时控制系统中，必然要求对测量数据实时处理。又如在新型飞机试飞中．如能实现对某些关键数据的实时处理与监测，就能在这些数据发生异常变化时及时发现并采取措施，以避免机毁人亡的重大事故发生。可见实时处理数据意义是很大的。数据采集系统一般具有三个突出的优点：第一，价格低。由于大规模集成电路及计算机技术的飞速发展，使其硬件成本大大降低，因此配备计算机的数据采集系统成本也相应降低。第二，维修方便，故障自检，模块板标准化、系列化。第三，功能得到最大的扩展。由于数据

4、采集系统一般都配有A/D转换器，有时还配D/A转换器，这样计算机就可以处理模拟量和数字量。另外还有采样保持电路、放大调节电路和逻辑控制电路等等。在国外，技术先进的国家，数据采集技术已在军事、航空电子设备及宇航技术方面被广泛地采用。早在20世纪70年代后期，就出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统(DAS)。1983年美国已设计生产用于军事航空方面应用的完整的12位单片数据采集系统．体积非常小，耐温范围为-55~25℃，这是与计算机完全兼容的数据采集系统、目前有的系统产品精度已达24位，采集速度每秒达到几百万次．甚至更高，采集通道可达几百个。采用先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单地

5、增加和更改模块，就可扩展或修改系统，可以很迅速地组成一个新的系统。如美国Keitkl即公司的DAS00系列数据采集系统，就是用十个模块，根据功能不同的组合，迅速组成小型的数据采集系统。又如台湾研华公司生产的PCL系列多功能数据采集卡，广泛适用于工业和实验室数据采集系统，并配有各种高级语言驱动程序，适合Windows系统平台，能很好地完成效据采集与后续的分析处理任务。2)数据或信号的处理通常，所采集到的数据、是被测对象的某些物理量经过非电量到电量的转换，又经过放大或衰减、采样、编码、传输等环节之后所呈现出来的一种数据形式。显然．这种形式的数据(或信号)对数据使用者来说既不直观，又没有明确的物理意

6、义，因而也是不便使用的。必须把它们恢复成原来的物理量形式，并尽可能形象数据采集与信号处理讲义地给出它们的变化情况，以便用户能一目了然地就看出他们所要了解的东西，这是数据处理的一个首要的任务。另外，在上述各个环节中电子设备性能的不理想，以及外界干扰、噪声的影响，都或多或少地在采集到的数据中引入一定的误差，因而数据处理的另一重要任务就是要采取各种方法(例如，去除趋势项、平滑、滤波等)最大限度地消除这些误差，以尽可能把精确的数据提供给数据使用者。数据处理的另一项任务就是要对数据本身进行某些变换加工(例如，求均值或进行博里叶变换等)，或在有关联的数据之间进行某些相互的运算(例如，计算相关函数)，从而得

7、到某些更能表达该数据内在特征的二次数据。所以有时也称这种处理为二次处理。按处理的方式来划分，数据处理可分为联机处理(也可叫实时处理)和脱机处理(也可叫离线处理)两种。一般讲，联机处理(即在数据采集系统工作的同时，对数据进行某些处理)由于处理时间是受限制的，因而只能做一些简单的、粗略的、基本的处理，能处理的数据量也是有限的，主要是为了提供一些用以实时监测的数据，其通常的处理有校准、标度变换等。而脱机