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第七章计算机测控系统的基本特性与设计,7.1测控系统的基本特性7.2计算机测控系统的设计7.3数据采集系统设计7.4实际测控系统举例,7.1测控系统的基本特性,7.1.1概述测控系统既指由众多环节组成的对被测物理量进行检测、调理、变换显示或记录的完整系统，如含有传感器、调理电路、数据采集、微处理器微计算机或测试仪器，又指组成完整测控系统中的某一环节或单元，如传感器、调理电路、数据采集卡板、测试仪器，甚至可以是更简单的环节，如放大器、电阻分压器、RC滤波器等等。,测控系统的基本特性主要表现为测控系统与其输入、输出的关系。这主要应用于三个方面第一，已知测控系统的特性，输出可测，那么通过该特性和输出来推断导致该输出的输入量。这就是通常应用测控系统来测未知物理量的测量过程。第二，已知测控系统特性和输入，推断和估计系统的输出量。通常应用于根据对被测量即输入量的测量要求组建多个环节的测控系统。,第三，由已知或观测系统的输入、输出，推断系统的特性。通常应用于系统的研究、设计与制作，一般用数学表达式数学模型或数表来表示测控系统的基本特性。对于连续时间系统，也即模拟测控系统如图7－1所示，它的输入xt与其输出yt在时域中的关系由微分方程确立。对于图7－2所示的时间系统，如具有采样/保持的计算机系统，它的输入xnT与输出ynT都是只在时刻nTn0，1，2，才存在的时间序列，当时间间隔T很小时，xnT与ynT的关系由差分方程描述。这里只讨论连续时间系统。在工程上，常见的系统的输入xt和输出yt之间的关系可用下述常系数线性微分方程来描述,7-1,图7-1连续时间测控系统,图7-2离散时间测控系统,7.1.2测控系统的静态特性测控系统的静态特性又称“刻度特性”、“标准曲线”或“校准曲线”。当被测对象处于静态，也就是测控系统的输入不随时间变化时，测控系统输入与输出之间呈现的关系就是静态特性。这时公式7-1中各阶导数为零，于是微分方程就变为,或简写为,ySx,（7-2）,公式7-2就是理想的定常线性测控系统的静态特性的表达式，其中Sb0/a0。,对于实际的测控系统，其输入与输出往往不是理想直线，故而静态特性由多项式来表示,（7-3）,式中，S0，S1，S2，Sn为常量；y为输出量；x为输入量。,1.静态特性的获得对于一个测控系统，必须在使用前进行鉴定或定期进行校验。即在规定的标准工作条件下规定的温度范围、大气压力、湿度等，由高精度信号发生器作为输入量或标准信号源给出一系列已知的、准确的、不随时间变化的输入量xjj1，2，3，，m，用高精度测量仪器测定被校测控系统对应的输出量yjj1，2，3，，m，从而可以获得由yj，xj数值，并列出的数表、曲线或数学表达式，以表征的被校测控系统的输出与输入的关系，这称之为静态特性。如果实际测试时的现场工作条件偏离了标定时的标准工作条件，则将产生附加误差，必要时需对读数进行修正。各个标定点输出量的数值yi，又称为刻度值、校准值或标定值。,2.静态特性的基本参数测控系统的静态特性的基本参数如下1零位点。当输入量为零时，x0，测控系统的输出量,7-4,对零位值应从测量结果中设法扣除。零位值也可以“设置”或“迁移”为非零的数值。如变送器是输出标准信号的传感器，输出直流电流值4mA零位值，表示输入量为零。,2灵敏度。是描述测控系统对输入量变化反应的能力。通常由测控系统的输出变化量Δy与引起该输出量变化的输入变化量Δx之比值S来表征,7-5,当输出量与输入量采用相对变化量Δy/y,Δx/x形式表示时，灵敏度还有,当静态特性为一直线时，直线的斜率即为灵敏度，且为一常数。它就是公式7－3中的S1，或式7-2中的S。当静态特性是非线性特性时，灵敏度不是常数。如果输入与输出量量纲相同，则灵敏度无量纲，常用“放大倍数”一词代替绝对灵敏度。若测控系统是由灵敏度分别为S1，S2，S3等多个相互独立的环节组成的如图7-3所示，则测控系统的总灵敏度S为,7-6,图7-3多级测控系统,3分辨力又称“灵敏度阈”，它表征测控系统有效辨别输入量最小变化量的能力。一般为最小分度值的1/51/2。具有数字显示器的测控系统，其分辨力是当最小有效数字增加一个字时相应示值的改变量，也即相当于一个分度值。4量程又称“满度值”，表征测控系统能够承受最大输入量的能力。其数值是测控系统示值范围上、下限之差的模。当输入量在量程范围以内时，测控系统正常工作，并保证预定的性能。,5响应时间是反映测控系统对被测控对象进行测量和控制的速度量度。它在实时测控系统中尤为重要。一个测控系统的实时性是指它对输入信号即时作出响应的能力，可以用响应时间对实时性进行定量描述，它应是信息采集、数据处理和决策控制三个操作过程的总时间。,3.静态特性的质量指标1迟滞亦称“滞后量”、“滞后”或“滞环”，表征测控系统在全量程范围内，输入量由小到大正行程或由大到小反行程两者静态特性不一致的程度。如图7-4所示其值用引用误差形式表示为,（7-7）,式中,|ΔHm|为同一输入量对应正、反行程输出量的最大差值；YF.S为测控系统的满度值。,图7-4滞环,2重复性。表征测控系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度。用引用误差形式表示,7-8,其中，ΔR为同一输入量对应多次循环的同向行程输出量的绝对误差。重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，可以根据标准偏差来计算ΔR,7-9,其中,S为子样标准偏差；K为置信因子；K2时，置信度为95；K3时，置信度为99.73；n为重复测量次数。,标准偏差S的计算方法有两种①标准法。按贝塞尔公式计算子样的标准偏差S,7-10,7-11,②极差法。极差w是测量结果数据最大值与最小值之差，按极差法计算标准偏差的公式为,7-12,其中,w为正、反行程标定值极差wD，wI的平均值；dn为极差系数。,7-13,式中，wjD为第j个标定点正行程标定值的极差j1,2,3,,m；wjI为第j个标定点反行程标定值的极差j1,2,3,,m。,极差系数的大小与标定点次数或测量次数n有关，其对应关系如表7.1所示。,表7.1极差系数dn与测量次数n的关系,3线性度又称“直线性”。它表示测控系统静态特性对选定拟合直线y＝b＋kx的接近程度。它用非线性引用误差形式来表示,（7-14）,式中，|ΔLm|为静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差。,①最小二乘法线性度拟合直线方程的确定。设拟合直线方程通式为,ybkx,则第j个标定点的标定值yj与拟合直线上相应值的偏差为,ΔLjbkxj-yj,最小二乘法拟合直线的拟合原则是使N个标定点的均方差,为最小值，由一阶偏导等于零，即,可得两个方程式，并解得两个未知量b,k的表达式如下,②理论线性度又称“绝对线性度”。拟合直线的起始点为坐标原点x0，y0，终止点为满量程XF.S，YF.S两点所决定的直线。如图7-5中的直线2。,图7-5最小二乘法线性度与理论线性度的按惯例直线,4.准确度测控系统的准确度，俗称精度，其定量描述有下述几种方式。1用准确度等级指数来表征。准确度等级指数a的百分数a所表示的相对值是代表允许误差的大小，它不是测控系统实际出现的误差。a值越小表示准确度越高。凡国家标准规定有准确度等级指数的正式产品都应有准确度等级指数的标志。,2用不确定度来表征。测控系统或测量装置的不确定度为测控系统或测量装置在规定条件下使用于测量时的不确定度，即在规定条件下系统或装置用于测量时所得测量结果的不确定度。不确定度的计算通常按以下8个步骤进行①测量方法简述测量方法和过程。②数学模型建立被测量和各影响量的数学关系。③方差和传播系数建立合成标准不确定度uCy与各方差u2Ai及其传播系数的关系式。,④标准不确定度一览表将各分量标准不确定度符号、来源、数值、传播系数、合成不确定度分量、自由度列成表。⑤计算分量标准不确定度计算并说明获得每个分量数值所使用的方法、依据。⑥合成标准不确定度。⑦计算有效自由度Ueff并确定复盖因子k值。⑧计算扩展不确定度UkuC。,3简化表示。在一些国家标准未规定准确度等级指数的产品说明书中，常用“精度”作为一项技术指标来表征该产品的准确程度。通常精度A由线性度δL、迟滞δH与重复性δR之和得出,A＝δL＋δH＋δR,用式7-16来表征准确度是不完善的，只是一种粗略的简化表示。,7-16,5.可靠性一个系统的可靠性是指该系统在规定的时期内及在保持其运行指标不超限的情况下执行其功能的性能。这个性能对于参与生产过程进行监测的仪表是极为重要的，可靠性指标有1平均无故障时间MTBFMeanTimeBetweenFailure。在标准工作条件下不间断地工作，直到发生故障而失去工作能力的时间称为无故障时间。如果取若干次或若干台仪器无故障时间求其平均值，则为平均无故障时间，它表示相邻两次故障间隔时间的平均值。,2可信任概率P。这一统计概率表征由于元件参数的渐变而使仪表或系统的误差在给定时间内仍然保持在技术条件规定限度以内的概率。显然，概率P值越大，测量仪器或系统的可靠性越高，维持费用越节省，但这样势必会提高测量仪器的成本。大量研究工作表明，可信任概率P的最佳值为0.80.9。3故障率或失效率。它是平均无故障时间MTBF的倒数。若某测量系统的失效率为千小时0.03，就是说若有1万台这种系统工作1000小时后，在这段时间里只可能有3台会出现故障。,4有效度或可用度。对于可修复的产品，用MTTRMeanTimetoRepair代表平均修复时间，如果这段修复时间长则有效使用时间短，有效度,7-17,可靠性是一门内容丰富的重要学科，在工业产品设计与生产中具有深远的指导意义，越来越引起人们的关注与重视。,6.稳定性和影响系数1稳定性。测控系统或仪器的稳定性是指在规定工作条件范围之内，在规定时间内系统或仪器性能保持不变的能力。一般以重复性的数值和观测时间长短表示。时间间隔的选择根据使用要求的不同可以有很大的差别，如从几分钟到一年不等。有时也采用给出标定的有效期来表示其稳定性。这里给出两种稳定性表示方法8小时2.1mV；一个月不超过1满量程输出。,2影响系数。环境温度、大气压、振动等外部状态变化给予测控系统或仪器指示值的影响，以及电源电压、频率等工作条件变化给予指示值的影响，统称环境影响，用影响系数表示。一般仪器都有给定的标准工作条件，例如环境温度20℃、相对湿度65、大气压力101.33kPa、电源电压220V等。由于实际工作中难以完全达到这个要求，故又规定一个标准工作条件的允许变化范围环境温度205℃、相对湿度655、电源电压22010V等。系统或仪器实际工作条件偏离工作条件的标准值时，对仪器指示值的影响用影响系数表示。影响系数为指示值变化与影响量变化量的比值，如电源电压变化10引起指示值变化1相对误差；温度变化1℃引起指示值变化3.110-3引用误差，又可称为灵敏度温度系数为3.110-3/℃；温度变化1℃引起仪器零位值变化1.910-3引用误差，又称为零位温度系数为1.910-3/℃。,7.输入电阻与输出电阻输入电阻与输出电阻值对于组成测控系统的环节而言甚为重要。前一环节的输出电阻R01相当于后面环节的信号源内阻，后一环节的输入电阻Ri2相当于前面环节的负载。如果希望前级输出信号无损失地向后级传送，根据全电路欧姆定律可知信号源的内阻应为零，即前级环节对后级环节而言相当于理想电压源，其内阻即输出电阻R01应为0；后级输入电阻承接了全部电压信号，故而输入电阻理想值为Ri2＝∞。这样，前后环节则为相互独立的环节，公式7-6才能成立。为此，组成系统的环节之间都设有阻抗变换器。,7.1.3测控系统的动态特性在工程测量中，大量的被测信号是随时间变化的动态信号，即xt是时间t的函数，不为常量。测控系统的动态特性是反映其测量动态信号的能力,也反映了跟踪输入信号测量信号的能力。一个理想的测控系统，其输出量yt与输入量xt随时间变化的规律相同，即具有相同的时间函数。但实际上，输入量xt与输出量yt只能在一定频率范围内、对应一定动态误差的条件下保持所谓的一致。我们通过讨论频率范围、动态误差与测控系统动态特性的关系达到两个目的①根据信号频率范围及测量误差的要求确立测控系统；②已知测控系统的动态特性，估算可测量信号的频率范围与对应的动态误差。,测控系统的动态特性用数学模型来描述。主要有三种形式①时域中的微分方程；②复频域中的传递函数；③频率域中的频率特性。,,7.2计算机测控系统的设计,7.2.1系统设计的基本要求,系统的可靠性要高2.系统的可维护性要好3.系统的可扩充性要好,7.2.2系统设计的一般步骤1.确定系统任务在进行系统设计之前，必须针对被控对象的工作过程及工艺流程进行分析和归纳，明确具体要求，确定系统所要完成的任务。然后，按一定的规范、标准和格式，对测控任务和过程进行描述，形成设计任务说明书，作为整个测控系统设计的依据。,2.选择计算机及其外围设备1字长。要选择能满足测控系统精度的字长。字长越长，运算精度越高，但价格也相应提高。对于过程测控领域，一般选用8位、16位或32位字长就能满足测控的要求。2速度。运算速度的选择直接影响测控系统的快速性。若系统要求响应快，就必须选择高速的计算机。若系统本身响应慢，就不必追求过高的速度。,3内存容量。内存容量主要取决于控制算法的复杂程度及数据量的大小。若算法复杂、计算量大，所需处理的测试数据多，则需占内存多，就要选择内存容量大的计算机，反之亦然。4中断能力。中断能力不仅要解决主机与外设并行交换信息，而且要解决多道程序、故障处理、多机连接等，因而要选择中断功能强的计算机。,5外围接口。主要考虑A/D和D/A通道的转换精度，特别要注意选择好A/D、D/A转换器的位数及转换速度。同类产品转换位数越高，速度越快，价格也越贵。对于过程测控系统由于参数变化缓慢，可以采用双积分型的A/D转换器。其转换精度高，价格低廉。对于其它外围接口芯片，注意选用通用的，采购较方便的器件。6外部设备。在测控系统中对常规外部设备一般要求不高。对简易的应用系统，配有小键盘及LED显示器即可。对于较大规模的系统，应配置CRT供监视、显示之用，并配有硬拷贝打印机。一些特殊需要的系统则应专门配置相应的外设。,3.确定系统总体方案计算机和主要外围设备选定之后，还要进一步确定如下内容。1确定主要的控制算法。2估计内存容量，进行内存分配。3确定过程输入输出通道是总体设计的重要内容。4中断方式的确定对于测控系统的设计是不可缺少的。5系统总线的选择关系到系统的通用性。,4.硬件和软件的具体设计在设计一个测控系统时要考虑一些具体功能究竟用硬件实现好，还是用软件实现较为经济。用硬件实现一些功能的好处是可以加快处理速度，但要增加部件成本，而软件实现正好相反。一般的考虑原则是视测控系统的应用环境与今后的生产数量而定。对于今后能批量生产的系统，为了减低成本，提高产品竞争力，在满足指定功能的前提下，应尽量减少硬件，多用软件来完成相应的功能。虽然在研制时可能要化费较多的时间或经费，但大批量生产后就可降低成本。若软件规模不大，研制又合理的话，运行的可靠性就能保证。由于整个系统的部件数减少，相应系统的可靠性也能得以提高。如果软件实现很困难，而用硬件实现比较简单，且系统的批量又不大的话则用硬件实现功能比较妥当。,7.2.3测控系统的功能规范,系统的功能描述信号的处理功能。2控制功能。3管理功能。4报警功能。5打印功能。6操作方式。7显示功能。8系统的通信功能。9系统的冗余考虑包括主机和板级的冗余。10系统的电源情况。,2.系统的性能规范,1采样速率。在不同的应用场合，信号变化的周期是不同的，如温度信号的变化一般不会太快，在1～60s范围内变化；而流量信号就在1s左右的范围；有的电信号则在毫秒级内变化。一般计算机的采样通道数在8～16路范围内。处理多路信号时可采用扩展方式，这时的处理方式多为分时控制扫描方式，即从一路开始，逐路扫描处理，这样，采样速度必然降低。因此，必须根据具体信号变化周期确定部件的采样速率。,2信号的隔离方法。在有些应用环境中，测控系统存在较严重的电磁干扰，地电平的变化幅度也较大，故需采用信号隔离措施，以保证计算机设备不受意外损坏，同时也可避免造成人身电气伤害等事故。对于干扰源比较严重的应用项目，原则上应对各类信号进行隔离处理，但是还需要根据实际情况来决定采取何种隔离措施。常见的隔离方法有变压器隔离、专用隔离部件、光电隔离等。不同的方法导致不同的效果和成本，因此要统筹考虑各种因素，明确系统中有哪些信号需要隔离，并根据实际情况决定相应的隔离方法。,3信号处理精度。信号处理精度包括模拟输入和输出信号的处理精度。它与A/D，D/A转换器的位数和性能有关，如12位的转换器造成的误差是1/40960.000244，而16位的转换器的误差为0.000152，一个8位的A/D转换器的误差为0.0039。位数多则精度高，但成本也将直线上升。输入信号处理精度与A/D转换前的信号调理电路有很大关系，包括放大、滤波、隔离等电路。对于输出信号精度、误差的主要来源也在D/A转换后的信号放大或电压电流的转换部分。此外，信号处理精度与处理器的字节长度和算法也有一定的关系。,因此，在确定信号处理精度时，主要应根据实际应用的需要来确定精度指标。通常情况下，误差精度控制在0.1～1范围内已能满足要求,因此，选用12位的A/D、D/A转换板和一般的调理电路即可。这些电路板都有现成的产品，可供选用。对于精度要求较高的场合，应选择16位的A/D、D/A转换板，同时，放大、滤波、隔离等调理电路也要相应地特殊设计，包括线路布局，部件的相对位置等都要从提高精度的角度来考虑。对于配套的信号传感器，其本身的精度也要考虑。只有当相关的各部分的精度都得以提高，整个系统的精度提高才有可能。由此可见，不必要的高精度性能指标，必将大幅度提高系统的成本。,4输出信号的要求。对于计算机测控系统的输出信号，一般要明确规定的内容包括输出信号的形式。计算机信号输出有的需要转换成模拟量信号输出，有的以开关量信号形式输出，还有的信号要用驱动报警装置和紧急拉动装置。因此，对这些信号的形式都要十分明确，既可作为设计依据，也可作为系统开发完成后进行系统测试、验收的一项内容。,3.对系统的其它要求,1环境要求，如①系统的湿度指标，主要指工作温度上下极限指标，有时也列出存储温度极限指标；②系统的温度指标，一般列出工作湿度环境指标，有时也列出存储湿度环境指标；③系统的抗振、冲击、防尘、防电磁干扰指标；④系统对电源电压、电源频率的允许波动范围；⑤系统的接口方式、电磁兼容性指标。,2系统的体系结构要求。内容包括①系统的物理结构，包括机架结构、走线方式、机箱尺寸、外机柜的尺寸；②系统的控制体系，如规定用二级控制方式中的上下位机的关系，各自的分工，故障发生时的切换、处理方式；③系统的通信方式，特别对多机站分布式测控系统，应明确各站点间的最大通信距离，数据传输的速率要求和最大的节点数量，进而明确规定选用何种通道方式和何种拓扑结构。,3系统的可靠性。系统的可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。一般用系统的平均无故障时间MTBF和平均维修时间MTTR来表示。前者反映了系统持续不出故障的能力，后者反映了当故障发生后系统恢复工作的能力，从两个侧面来说明系统可靠运行的能力。4系统的可维护性，包括系统扩充、修改、升级的能力。反映系统随使用环境的变化其功能可以变化及满足新的要求的难易程度。,,7.3数据采集系统设计,7.3.1系统设计考虑的因素1.输入信号的特性在输入信号的特性方面主要考虑以下间题信号的数量，信号的特点，是模拟量还是数字量，信号的强弱及动态范围，信号的输入方式如单端输入还是差动输入，单极性还是双极性，信号源接地还是浮地，信号的频带宽度，信号是周期信号还是瞬态信号，信号中的噪声及其共模电压大小，信号源的阻抗等。,2.对数据采集系统性能的要求数据采集系统的主要技术指标有1系统的通过速率。2系统的分辨率。3系统的精度。,3.接口特性接口特性包括采样数据的输出形式（是并行输出还是串行输出），数据的编码格式与什么数据总线相接等。,7.3.2系统设计的基本原则,确保性能指标的完全实现2.系统结构的合理选择3.对于较大型的应用软件，应参考软件工程学的方法进行设计4.安全可靠，有足够的抗干扰能力,7.3.3数据采集系统基本结构的确定,1.多通道共享采样/保持器和A/D转换器如图7-6所示，这种结构形式采用分时转换的工作方式，各路被测信号共用一个采样/保持器和一个A/D转换器。在某一时刻，多路开关只能选择其中某一路，把它接入到采样/保持器的输入端。当采样保持器的输出已充分逼近输入信号按给定精度时，在控制命令的作用下，采样保持器由采样状态进入保持状态，A/D转换器开始进行转换，转换完毕后输出数字信号。在转换期间，多路开关可以将下一路接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作，实现对多通道模拟信号的数据采集。对于采样方式可以按顺序或随机进行。,图7-6多通道共享采样/保持器和A/D转换器,2.多通道同步型数据采集系统图7-7所示结构虽然也是分时转换系统，各路信号共用一个A/D转换器，但每一路通道都有一个采样/保持器，可以在同一个指令控制下对各路信号同时进行采样，得到各路信号在同一时刻的瞬时值。模拟开关分时地将各路采样/保持器接到A/D转换器上进行模数转换。这些同步采样的数据可以描述各路信号的相位关系，这种结构被称为同步数据采集系统。例如，为了测量三相瞬时功率，数据采集系统必须对同一时刻的三相电压、电流进行采样，然后进行计算。由于各路信号必须串行地在共用的A/D转换器中进行转换，因此这种结构的速度仍然较慢。,图7-7多通道同步型数据采集系统,3.多通道并行数据采集系统在图7-8中，每个通道都有独自的采样/保持器和A/D转换器，各个通道的信号可以独立进行采样和A/D转换。转换的数据可经过接口电路直接送到计算机中。这种结构的数据采集系统速度最快，所用的硬件也最多，成本高。,图7-8多通道并行数据采集系统,以上介绍的三种结构形式中，系统各部件之间的空间距离较近，逻辑上的耦合程度较紧密，我们称之为集中式数据采集系统。这类系统的主要优点是1结构简单，容易实现，能满足中、小规模数据采集的要求。2系统的体积和设备量较小，造价较低。,这类系统的主要不足之处有1因为系统结构不灵活，不适合较大规模的数据采集。2由于各通道共用同一个A/D转换器，采样速度将受到限制。所以这种结构不适合于高速数据采集。3抗干扰能力差，尤其对于被测对象分布范围较大时，传感器输出的微弱模拟信号要长距离传输，因此，所受的干扰是不容忽视的。4可靠性较差，系统某一个部件出现故障就有可能导致整个系统瘫痪。5由于各部件之间的耦合程度较紧密，导致系统扩展的灵活性较差。,4.分布式数据采集系统分布式数据采集系统的结构如图7-9所示，它是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。,图7-9分布式数据采集系统,数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传送数据。数据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。分布式数据采集系统的主要特点是1系统的适应能力强。2系统的可靠性高。3系统的实时响应性好。4对系统硬件的要求不高。,7.3.4系统设计的一般步骤,分析问题和确定任务2.确定采样周期Ts3.系统总体设计确定数据采集系统的基本结构。2进行硬件和软件的功能分配。3系统A/D通道方案的确定。①模拟信号输入范围、被采集信号的分辨率；②完成一次转换所需的时间；,③模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少；④模拟信号传输所需的通道数；⑤多路通道切换率是多少，期望的采样/保持器的采集时间是多少；⑥在保持期间允许的电压下降是多少；⑦通过多路开关及信号源串联电阻的保持器旁路电流引起的偏差是多少；⑧所需精度包括线性度、相对精度、增益及偏置误差是多少；⑨当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围，在什么条件下允许有漏码；,10各通道模拟信号的采集是否要求同步；11所有的通道是否都使用同样的数据传输速率；12数据通道是串行操作还是并行操作；13数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作；14系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变化引起的误差是多少；15电源切断时是否可能损坏有关芯片对CMOS的多路开关是安全的，因为当电源切断时，多路开关是打开的；而对结型FET多路开关是接通的，因此有损坏芯片的可能。,4确定微型计算机的配置方案。5操作面板的设计。①输入和修改源程序；②显示和打印各种参数；③工作方式的选择；④启动和停止系统的运行。6系统抗干扰设计。,4.硬件和软件的设计1硬件设计。硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心，设计出与其相配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。不同的微型机，其硬件设计任务是不一样的，以下是采用单片机的硬件设计过程①明确硬件设计任务。②尽可能详细地绘制出逻辑图、电路图。③制作电路和调试电路。,2软件设计①明确软件设计任务。②按功能划分程序模块并给出流程图。③程序设计语言的选择。④调试程序。,④调试程序。1首先对子程序进行调试，不断地修改出现的错误，直到把子程序调好为止，然后再将主程序与子程序连接成一个完整的程序进行调试。2调试程序时，在程序中插入断点，分段运行，逐段排除错误。3将调试好的程序固化到EPROM系统采用微处理器、单板机、单片机时或存入磁盘系统采用个人微机时，供今后使用。,5.系统联调在硬件和软件分别调试通过以后，就要进行系统联调。系统联调通常分两步进行。首先,在实验室里，对已知的标准量进行采集和比较，以验证系统设计是否正确和合理。如果实验室试验通过，则到现场进行实际数据采集试验。在现场试验中，测试各项性能指标，必要时，还要修改和完善程序，直至系统能正常投入运行时为止。总之，数据采集系统的设计过程是一个不断完善的过程，设计一个实际系统往往很难一次就设计完善，常常需要经过多次修改补充，才能得到一个性能良好的数据采集系统。,7.3.5系统A/D通道的确定1.模拟多路开关的选择模拟多路开关是多个模拟信号通道时分A/D转换器的器件。多路开关的主要参数是精度和速度。多路开关的精度以传输误差的大小来间接表示。多路开关的速度以信号通过多路开关的通过率来间接表示。,多路开关的传输误差包括两个方面1多路开关导通电阻加上信号源阻抗与负载阻抗构成了分压器。当要求精度为0.01时，负载阻抗就应至少是开关导通电阻与信号源阻抗之和的104倍。在数据采集系统中，多路开关的负载一般是采样/保持器。因为典型的多路开关的导通电阻为200Ω～2kΩ，所以，如果信号源阻抗在几百欧姆以下，则作为负载的采样/保持器，其输入阻抗应在108Ω以上。,2多路开关的漏电流在信号源阻抗上产生偏移电压，而漏电流与工作温度关系很大。因此，应该根据最高工作温度时的漏电流来计算偏移误差。通过率是衡量多路开关的一个指标，是多路开关从一个通道切换并使下一个通道建立到规定精度所能达到的最高切换率。它一方面取决于多路开关建立时间，并与规定的建立精度有关，另一方面为了避免两个通道同时接通，多路开关被设计为先断后通，这增加了断开到接通的延时，影响了通过率的提高。在确定多路开关的通过率时，要根据系统的采样速率来考虑。,2.采样/保持器的选择在选择时，一般优先考虑单片集成产品，因为它具有中等性能而价格较低。所谓中等性能，是指采集时间为4μs时，采集误差即处于输入值到终值0.1的误差带内；采集时间为5～25μs时，则采集误差约为0.01。单片集成采样，保持器大都需要外接保持电容。保持电容的质量直接关系到采样，保持器的精度，必须慎重选择。采样/保持器的误差分析最好是列出表格进行。假设工作温度范围为0℃～＋50℃，并已在25℃时调整偏移误差和增益误差至零，则可对单片集成采样，保持器做出如表7.2所示的误差和性能估算。,表7.2采样/保持器的误差估算,选择采样/保持器，除了考虑采集时间和精度外，还要考虑以下问题1输入信号的动态范围量程。2采样/保持器进入保持状态时，允许的孔径抖动是多大由于孔径抖动是随机的、不可补偿的，必定造成误差。例如，孔径抖动为5ns，假设信号的最大变化率为1V/s，则保持电压的不确定值将为1V/μs5ns5mV，这就有可能产生误差。因此要根据信号的最大变化率及允许的误差选择孔径抖动。,3保持时间多长允许多大降落这是选择保持电容容量的主要依据。4对电源的波动提出什么要求5采样/保持器的输入偏置电流流过多路开关的导通电阻和信号源内阻将会造成多大的偏移电压,3.A/D转换器的选择A/D转换器是数据采集系统的关键器件，选择A/D转换器时，要根据系统的采集对象选择其类型。下面用两个实例来说明不同采集对象对A/D转换器性能的不同要求。如地震勘探车周围布置有32个振动传感器，爆炸物被引爆后一秒钟，一切归于平静。要求在这一秒钟内每100ms对所有传感器采集一次数据。应选择何种类型的A/D转换器在这种情况下，速度是最突出的问题，每个模拟通道的转换时间约3μs，精度和价格均居次要地位。因此，选择高速8位逐次逼近型A/D转换器比较合适。,再如，对半导体扩散炉的温度进行控制。要求测量精度达到十分之几度，对应于热电偶输出变动值约几个微伏。扩散炉由市电降压经可控硅整流器加热炉丝。欲达到以上各项要求，应选择何种类型的A/D转换器信号传输中有电磁干扰，因此环境是恶劣的。由于炉体温度变化不可能很快，故采样速率只要每秒几次就足够了。价格也是要考虑的因素。对于这种情况，选择积分型A/D转换器比较合适，因为积分型A/D转换器除了有较佳的性能价格比外，还能够在电磁噪声环境下保持精度，并且有些产品有自动校零能力。,对于一个12位逐次逼近型A/D转换器，大体上可以对其各项误差做如下估算。设已知估算条件是在室温25℃时，偏移和增益误差已调整为零；器件的工作温度范围为0℃～＋50℃；电源电压由于时间和温度的影响而改变，可能为1；电源电压敏感度指电源电压每改变1时，对转换器误差的影响为0.002。A/D转换器的各项误差如表7.3所示。,由表7.3可以看出，所有误差都恰好在同一级的可能性极小，而静态误差则又可能过于乐观，因为毕竟误差源的数目较少。无论如何，A/D转换器的误差都在0.04～0.1135间。注意到12位A/D转换器的的1LSB是满量程值的0.024，当温度改变为25℃时，相对精度被降低1～2位是有实际可能的。,表7.3A/D转换器的各项误差,7.3.6微型计算机配置方案的选择,1.采用个人计算机系统构成系统2.采用单板机构成系统3.采用标准功能模块构成系统,3.采用标准功能模块构成系统1对系统设计人员的技术熟练程度要求较低；2构成系统灵活，配置比较合理，另外由于是专业厂家生产的板卡，可靠性较高；3检测、调试、开发比较容易；4故障查找和排除较方便；5有利于缩短研制周期；6可先用通用模块组成标准系统，然后再扩充专用模板，使通用性和专用性获得较合理的统一；7扩充方便。,4.采用微处理器或单片机构成系统这是一种用微处理器或单片机、ROM、RAM和各种接口器件，自己动手设计数据采集系统的方法。这种方法称为芯片级设计方法。这种方法的优点是成本较低，缺点是设计工作量较大；其次，由于是从头开始设计，因此对设计者的知识、能力等方面要求较高。微机是数据采集系统的核心，它的选择对数据采集系统的设计有较大的影响。无论采用哪种配置方案来构成系统，一般应从以下几个方面来考虑所选微机是否符合系统的要求1中断处理能力。2字长和速度。,7.3.7数据采集系统的误差分析,1.采样误差1采样频率引起的误差为了有效地恢复原来的信号，采样频率必须大于信号最高有效频率fH的2倍。如果不满足奈奎斯特采样定理，将产生混叠误差。为了避免输入信号中杂散频率分量的影响，在采样预处理之前，用截止频率为fH的低通滤波器，即抗混叠滤波器，进行滤波。另外，可以通过提高采样频率的方法消除混叠误差。在测控系统或自动化系统中，如有可能，往往选取高于信号最高频率10倍甚至几十倍的采样频率。,2系统的通过速率与采样误差多路数据采集系统在工作过程中，需要不断地切换模拟开关，采样/保持器也交替地工作在采样和保持状态下，采样是个动态过程。采样/保持器接收到采样命令后，保持电容从原来的保持状态进入跟踪输入信号状态，直到经过捕获时间tAC后，输出电压接近输入电压值。采样/保持器输出电压达到精度指标与被测电压的误差在0.1～0.01范围之内。,控制器发出保持命令后，保持开关需要延时一段时间tAP孔径时间才能真正断开，这时保持电容才开始起保持作用。如果在孔径时间内输入信号发生变化，则产生孔径误差。只要信号变化速率不太快，孔径时间不太长，孔径误差可以忽略。采样/保持器进入保持状态后，需要经过保持建立时间ts，输出才能达到稳定。可见，发出采样命令后，必须延迟捕获时间tAC再发保持命令，这样才可以使采样保持器捕获到输入信号。发出保持命令后，经过孔径时间时和保持建立时间ts延迟后再进行A/D转换，这样可以消除由于信号不稳定引起的误差。,多路模拟开关的切换也需要时间，即本路模拟开关的接通时间ton和前一路开关的断开时间toff。如果采样过程不满足这个时间要求，就会产生误差。另外，A/D转换需要时间，即信号的转换时间tc和数据输出时间tout。系统的通过速率的倒数为吞吐时间，它包括模拟开关切换时间接通时间ton和断开时间toff、采样/保持器的捕获时间tAC、孔径时间tAP、保持建立时间ts、A/D转换时间tc、数据输出时间tout。系统通过周期吞吐时间tTH可用下式表示,tTH＝ton＋toff＋tAC＋tAP＋ts＋tc＋tout,7-18,为了保证系统正常工作，消除系统在转换过程中的动态误差，模拟开关对N路信号顺序进行等速率切换时，采样周期至少为NtTH，每通道的吞吐率为,7-19,2.模拟电路的误差1模拟开关导通电阻Ron的误差模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。模拟开关的负载一般是采样/保持器或放大器。显然，开关的导通电阻Ron越大，信号在开关上的压降越大，产生的误差也越大。另外，导通电阻的平坦度Ron表明导通电阻的起伏。导通电阻的变化会使放大器或采样/保持器的输入信号波动，引起误差。误差的大小和开关的负载的输入阻抗有关。一般模拟开关的导通电阻为100～300Ω，放大器、采样/保持器的输入阻抗为109～1012Ω左右，导通电阻引起输入信号的误差为1/106～109左右，可以忽略不计。如果负载的输入阻抗较低，为了减少误差，可以选择低阻开关，有的模拟开关的电阻小于100Ω，如MAX312_314的导通电阻仅为10Ω。,2多路模拟开关泄漏电流Is引起的误差模拟开关断开的泄漏电流Is一般在1nA左右，当某一路接通时，其余各路均断开，它们的泄漏电流Is都经过导通的开关和这一路的信
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