【正文】 它是一種非數(shù)值計(jì)算方法，利用這種方法可以完成數(shù)據(jù)的補(bǔ)償、計(jì)算、轉(zhuǎn)換等各種工作。 ② 分段線性插值法（分段線性化法） 上例 熱敏電阻溫度與電阻值的插值多項(xiàng)式，其計(jì)算量較大，程序也較復(fù)雜。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 舉例： 熱敏電阻具有靈敏度高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但是熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系是 如表所示 的非線性 關(guān)系。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 1．線性參數(shù)標(biāo)度變換 )( m i nm a xm i nm a xm i nm i n YYNNNNYY x ????? 為了使程序設(shè)計(jì)簡單，一般把一次測量儀表的下限 Ymin所對應(yīng)的 A/D轉(zhuǎn)換值置為 0，即 Nmin=0，則 )( m i nm a xm a xm i n YYNNYY x ???在許多測量系統(tǒng)中，儀表下限值 Ymin=0，此時(shí)，對應(yīng)的 Nmin=0，則 線性標(biāo)度變換公式 m a xm a xYNNY x? 【 例 】 某壓力測量儀表的測量范圍為 400～ 1200Pa，采用8位 A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)某采樣周期計(jì)算機(jī)經(jīng)采樣及數(shù)字濾波后的數(shù)字量為 ABH，求此時(shí)的壓力值。 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)采樣周期與截止頻率適當(dāng)選取 α 值，使得濾波器的輸出既無 明顯 波紋，又不太滯后。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 7．一階滯后濾波法 一階滯后濾波法是模擬硬件 RC低通濾波器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。 限速濾波就是限制變化率 ，即 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 6．限幅及限速濾波法 這種濾波方法，主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物位等。若參數(shù)變化比較緩慢，則采用中值濾波效果比較好，但對快速變化的參數(shù)，如流量，則不宜采用。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 )4()3()2()1()( 4321 xxxxky ???? ????Re ?? 31?? Re ?? 22?? Re ?? ??3 R14 ????? 321 ??? ???? eeeR例： 某純遲延較大的被控對象，采用四次采樣值加權(quán)平均的算式為 τ為被控對象的純遲延時(shí)間。 與 模擬濾波裝置相比，數(shù)字濾波有以下優(yōu)點(diǎn)： ⑴ 通過程序?qū)崿F(xiàn)，不需硬件設(shè)備，系統(tǒng)的可靠性較高； ⑵ 數(shù)字濾波子程序可多通道共用； ⑶ 可對極低頻率的信號（如 ）進(jìn)行濾波； ⑷ 采用不同的算法和參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)對不同信號的濾波，使用靈活、方便。 脈沖量輸入 /輸出板卡可以實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集 ， 并可以通過跳線器選擇計(jì)數(shù) 、 定時(shí) 、 測頻等不同工作方式 ， 計(jì)算機(jī)可以通過該板卡方便地讀取脈沖計(jì)數(shù)值 ， 也可測量脈沖的頻率或產(chǎn)生一定頻率的脈沖 。 在抗干擾方面 ， A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù) ， 實(shí)現(xiàn)信號的隔離 。 (4) 當(dāng)需要多通道采集或輸出時(shí)，根據(jù)工程的具體要求決定是否需要通道間的同步輸入或同步輸出。 由于輸出設(shè)備往往需要大電壓 (或電流 )來控制，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的開關(guān)量大都為 TTL(或 CMOS)電平，一般不能直接驅(qū)動外部設(shè)備開啟或關(guān)閉。 ⑵ 整形電路 將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號或其信號前后沿不符合要求的輸入信號整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波，而后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應(yīng)形狀的脈沖信號。所謂開關(guān)量控制就是通過控制設(shè)備的 “ 開 ”或 “ 關(guān) ” 狀態(tài)的時(shí)間來達(dá)到控制的目的。 含單個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器： 與計(jì)算機(jī)接口時(shí)可以不外加數(shù)據(jù)鎖存器。 ??? 12 10n 由于大多數(shù)執(zhí)行器只能接受模擬量，為了驅(qū)動執(zhí)行器，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)還必須再轉(zhuǎn)換成模擬量（即 D/A轉(zhuǎn)換）。 而且從轉(zhuǎn)換結(jié)束到下一次啟動轉(zhuǎn)換也需要一段休止時(shí)間 (或稱復(fù)位時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)間等).因此， A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)由轉(zhuǎn)換時(shí)間和休止時(shí)間二者共同決定。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) ⑵ A／ D轉(zhuǎn)換器的分類 (根據(jù)轉(zhuǎn)換原理分 ) ① 逐次比較式 ② 積分式 ③ 并行比較式 ④ 改進(jìn)型 轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在 μs 級，轉(zhuǎn)換精度一般在 ％左右，適于一般場合。 其大小取決于 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，所以習(xí)慣上以數(shù)字量的位數(shù)來表示。 ?雙端輸入 : CD4052是雙 4通道 。它的核心部件是 A/D轉(zhuǎn)換器及其微處理機(jī)的接口。 模塊式 —— 主機(jī)模塊與模擬量輸入 /輸出模塊、數(shù)字量輸入 /輸出模塊通過總線連接。 總線 內(nèi)部總線 計(jì)算機(jī)內(nèi)部模板之間進(jìn)行通信的總線，也指組成系統(tǒng)各種機(jī)箱的底板總線。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) 模擬量輸入通道 模擬量輸入通道一般包括：信號調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器、 A/D轉(zhuǎn)換器等幾個(gè)組成部分。 ?多路輸入多路輸出 :CD8816等。 量化誤差 是由 A/D 轉(zhuǎn)換器有限字長數(shù)字量對輸入模擬量進(jìn)行離散取樣（量化）引起的誤差，其大小在理論上為一個(gè)單位（ 1LSB ）。 轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在 ms級或更長，但抗干擾性能強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度可達(dá) ％或更高。選擇時(shí)應(yīng)該注意。此外，在模擬量輸出通道中，為了實(shí)現(xiàn)多回路控制，需要通過多路開關(guān)將控制量分配到各條支路上。 含雙數(shù)據(jù)鎖存器： 可用于多個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)轉(zhuǎn)換的場合。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入數(shù)字信號來自于現(xiàn)場的傳感器，輸出數(shù)字信號又送回現(xiàn)場設(shè)備。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 過程輸入輸出通道技術(shù) ⑶ 電平變換電路 將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換為與 CPU兼容的邏輯電平。另 外 ，許多外部設(shè)備，如大功率直流電機(jī)、接觸器等在開關(guān)過程中會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號，如不加以隔離，可能會造成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)誤動作甚至損壞。 (5) 考慮價(jià)格因素、可靠性、耐用性、配套軟件等綜合因素。 板卡模擬信號采集的精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采用的 A/D轉(zhuǎn)換芯片決定 。 考慮到現(xiàn)場強(qiáng)電的干擾 ， 該類型板卡多采用光電隔離技術(shù) ， 使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場信號之間全部隔離 ， 來提高板卡測量的抗干擾能力 。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 把 N個(gè)采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次有效的采樣值 . 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 對 于 隨機(jī)干擾信號，多采用算術(shù)平均值濾波法加以抑制。 權(quán)系數(shù)為 先在 RAM中建立一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，依順序存放 N個(gè)采樣數(shù)據(jù)，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的數(shù)據(jù)丟掉，而后求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的 N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。 n值一般取 35即可。使用時(shí)，關(guān)鍵問題是 Δy 的選取，其大小取決于采樣周期 T和信號 y的正常變化率。常用的 RC低通濾波器的傳遞函數(shù)為 算術(shù)平均值濾波法屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化比較快的參數(shù)，如壓力、流量等。 該算法比較簡單，比起平均值濾波法要快，能很好地消除周期性干擾和較寬頻率的隨機(jī)干擾信號。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 解： 根據(jù)題意，已知 Ymin=400Pa， Ymax=1200Pa， Nx=ABH=171D，選 Nmax=FFH=255D， Nmin=0，則 由 公式 )(936)4001200(255171400)( m i nm a xm a xm i n PaYYNNYY x ???????答： 此時(shí)的壓力值 為 936Pa. 一般而言，非線性參數(shù)的變化規(guī)律各不相同，故標(biāo)度變換公式亦需根據(jù)各自的具體情況建立。 第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)構(gòu)造一個(gè)三階多項(xiàng)式 P3(x)來逼近這種函數(shù)關(guān)系。為了計(jì)算簡單，提高實(shí)時(shí)性，可采用分段線性插值公式或稱分段線性化法，即用多段折線代替曲線進(jìn)行計(jì)算。 ③ 查表法 使用查表法 一般 需要較大的存儲空間 ，要考慮硬件配置，此外還 要考慮查表速度。在本例中的線性化公式為 )( 1111 ???? ?????iiiiixix ttNNNNtt ixi NNN ??? 1第 11章 直接數(shù)字控制系統(tǒng)概述 數(shù)字濾波與數(shù)據(jù)處理 若采用 m段折線逼近傳感器非線性特性曲線，則其 線性化及標(biāo)度變換程序流程圖 為 線 性 化 及 標(biāo) 度 變 換 子 程 序讀 入 A / D 采 樣 值 N xN x = N1?N x = N2?N x = N