引言 ： n 在计算机控制系统中，数据采集是最基本的一 种模式。一般是通过传感器、变送器把生产过程的 各种物理参数转换成电信号，然后经A/D通道或DI通 道，把数字量送入计算机中。计算机在对这些数字 量进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相应 的数据处理。n 数据处理离不开数值计算，而最基本的数值计 算为四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不 同，采集的数据种类与数值范围不同，精度要求也 不一样，各种数据的输入方法及表示方法也各不相 同。因此，为了满足不同系统的需要，设计出了许 多有效的数据处理技术方法，如查表，数字滤波， 标度变换，越限报警等。为了实现安全生产，在计算机测控系统中，对 于重要的参数和部位，都设置紧急状态报警系 统，以便及时提醒操作人员注意或采取应急措 施，使生产继续进行或在确保人身设备安全的 前提下终止生产。其方法就是把计算机的采集 数据在进行数据处理、数字滤波、标度变换之 后，与该参数的设定上限、下限值进行比较， 如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否 则就作为采样的正常值，进行显示和控制。4.8 标度变换程序生产中的各种参数都有着不同的 量纲和数值，但在计算机控制系统 的采集、A/D转换过程中已变为无 量纲的数据，当系统在进行显示、 记录、打印和报警等操作时，必须 把这些测得的数据还原为相应量纲 的物理量，这就需要进行标度变换 。标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参 数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实 际值。如图为标度变换原理图，这是一个温度 测控系统，某种热电偶传感器把现场中的温度 0 1200转变为0.48mV信号，经输入通道中 的运算放大器放大到0.5V，再由8位A/D转换成 00FFH的数字量，这一系列的转换过程是由 输入通道的硬件电路完成的。CPU 读入该数字 信号在送到显示器进行显示以前，必须把这一 无量纲的二进制数值再还原变换成原量纲为 的温度信号。比如，最小值00H应变换对应为 0、最大值FFH应变换对应为1200。这个标度变换的过程是由算法软件程序来完成的，标度变 换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工程量与转换 后的无量纲数字量之间的函数关系。一般而言，输入通道 中的放大器、A/D转换器基本上是线性的，因此，传感器 的输入输出特性就大体上决定了。这个函数关系的不同表 达形式，也就决定了不同的标度变换方法。 主要方法有：线性变换、非线性变换。标度变换原理图 一线性参数标度变换n线性标度变换是最常用的标度变换方式，其前提 条件是传感器的输出信号与被测参数之间呈线性 关系，如图所示。线性关系的标度变换数字量Nx对应的工程量Ax的线性标度变换公式为：n式中： A0一次测量仪表的下限（ 测量范围最小值）；nAm一次测量仪表的上限（测量范 围最大值）；nAx实际测量值(工程量)；nN0仪表下限所对应的数字量；nNm仪表上限所对应的数字量；nNx实际测量值所对应的数字量。4-14 式(4-14)为线性标度变换的通用公式，其中A0，Am，N0 ，Nm对某一个具体的被测参数与输入通道来说都是常数 ，不同的参数有着不同的值。为使程序设计简单，一般把 一次测量仪表的下限A0所对应的A/D转换值置为0，即 N0=0。这样式(4-14)可写成在很多测量系统中，仪表下限值A0=0，此时进一步简 化为：(4-15) (4-16) 例：某加热炉温度测量仪表的量程为200 800，在某一时刻计算机系统采样并经数字滤 波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少 ？(设该仪表的量程是线性的)。解：根据式(6-10)已知，A0 = 200, Am = 800，Nx = CDH = (205)D，Nm= FFH = (255)D。所以此时的温度为= 682例：某压力测量系统中, 压力测量仪表的量程为400 1200Pa,采用8位A/D,设某采样周期计算机中经采样及数字 滤波后的数字量为ABH,求此时的压力值。解：A0=400Pa, A1200Pa,Nx=ABH=171，Nm=FF=255D，N0=0 则： 二非线性参数标度变换n如果传感器的输出信号与被测参数之间呈非线性关 系时，上面的线性变换式均不适用，需要建立新的 标度变换公式。由于非线性参数的变化规律各不相 同，故应根据不同的情况建立不同的非线性变换式 ，但前提是它们的函数关系可用解析式来表示。n例如，在差压法测流量中，流量与差压间的关系为:(4-17) 式中：Q 流体流量； K 刻度系数，与流体的性质及节流装 置的尺寸有关；P节流装置前后的差压。可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后 产生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流量 时的标度变换公式为n式中：Q0 差压流量仪表的下限值；n Qm 差压流量仪表的上限值；n Qx 被测液体的流量测量值；n N0 差压流量仪表下限所对应的数字量；n Nm 差压流量仪表上限所对应的数字量；n Nx 差压流量仪表测得差压值所对应的数字 量。(4-18) 4.9 非线性补偿n在实际工程中，有许多测量元件是非 线性的。在计算机控制系统中，为便 于数据的显示和处理，同时为保证测 量精度，常采用软件进行非线性补偿 和校正。用软件进行非线性补偿的常 用方法有线性插值法和二次抛物线插 值法。一、线性插值法n1、线性插值原理n设某传感器输入信号X和输出信号Y之间的关系如图4-28所示从图可以看出： （1）曲线斜率变化越小，替代直线越逼 近特性曲线，则线性插值法带来的误差 就越小。因此，线性插值法适用于斜率 变化不大的特性曲线的线性化。 （2）插值基点取得越多，替代直线越逼 近实际的曲线，插值计算的误差就越小 。因此，只要插值基点足够多，就可以 获得足够的精度。2. 线性插值的计算机实现n利用计算机实现线性插值的步骤如下：n（1）用实验法测出传感器输出特性曲线，应尽 可能保证该曲线的精确性；n（2）选取插值点，将绘制好的曲线分段。 n（3）计算并存储各相邻插值点间逼近曲线的斜 率Ki；n（4）计算X-Xi；n（5）读出X所在区间的斜率Ki，计算Ki（X-Xi） ；n（6）计算。二、 二次抛物线插值法n二次抛物线插值法就是通 过特性曲线上三点做一条 抛物线，用此抛物线替代 特性曲线进行参数计算。 由于抛物线比直线能更好 地逼近特性曲线，所以抛 物线插值法能够提高非线 性补偿的精度。线性插值 法和抛物线插值法补偿精 度比较如图所示。 4.4 越限报警处理为了实现安全生产，在计算机测控系统中，对于 重要的参数和部位，都设置紧急状态报警系统， 以便及时提醒操作人员注意或采取应急措施，使 生产继续进行或在确保人身设备安全的前提下终 止生产。其方法就是把计算机的采集数据在进行 予处理、数字滤波、标度变换之后，与该参数的 设定上限、下限值进行比较，如果高于上限值或 低于下限值则进行报警，否则就作为采样的正常 值，进行显示和控制。一、 越限报警方式n在计算机测控系统中常采用声、光及语言进行报 警。 n1普通声光报警普通声光报警接口电路2模拟声光报警普通光报警常采用发光二极管LED实现，声报警 常用蜂鸣器或电笛实现。上图是普通声光报警接口 电路图，发光二极管的驱动电流一般为1020mA ，CPU的数据线需要外接驱动器驱动，可采用OC 门驱动器，如反相驱动器74LS06、74LS06等，也 可采用一般的锁存器如74LS273、74LS373、 74LS573 ，或带有锁存器的I/O接口芯片，如 8155、8255A等。图中数据线D3D6接5个LED用 于5路信号的越限报警，D2与1个驱动蜂鸣器的继 电器线圈相连，当某一路需要报警时，只要对该路 及D2输出高电平，经7406反相后，LED点亮的同 时，继电器线圈吸合，蜂鸣器或电笛发出鸣叫，达 到声光报警效果。模拟声光报警最常用的方法是采用模拟声音集成电路芯 片，如 KD-956X系列，是一种采用 CMOS工艺、软封 装的声报警IC芯片，能够产生下表所列的声光报警效果 。型号声光性能KD-9561机枪、警笛、救护车、消防车声KD-9561B嘟嘟 声KD-9562机枪、炮弹等8种声KD-9562B光控报警声KD-9562C单键 8音KD-95633声2闪光KD-95656声5闪光表 KD-956系列报警芯片功能表图4-8（a）是KD-9561芯片的外形图，它内部具有振荡器、节拍 器、音色发生器、地址计数器、控制和输出级等部分。它设有两 个选声端SEL1和SEL2，改变这两端的电平，可以选择不同的内 部程序，从而产生表6-2所示的功能。图4-8(b)是它的接线图， VDD接电源正端，VSS接电源负端，改变跨接在OSCl和OSC2之 间的外接振荡电阻R，可以调节模拟声音的放音节奏，R阻值越 大，报警声音越急促，一般在180k290k的范围内选择。外 接的小功率三极管9013是为了驱动扬声器。当系统检查到报警信 号后，使三极管9013导通，便发出报警声音。图4-8 KD-9561芯片的外行和接线图 随着单片机技术、语音信号处理技术和语音芯片制造技 术的不断发展，增加语音功能已经成为智能仪表和计算 机测控系统的设计方向。显然，用计算机直接发出语音 信息告诉操作人员发生了什么以及应该采取什么应急措 施，远比声光报警传递了更为明确的信息；而且利用语 音系统还能实现运行参数的报读以及运行状态的提醒。KD956系列具有工作电压范围大、静态电流小、体 积小、价格低、音响逼真、控制简便等优点，所以 在报警装置和儿童玩具中得到广泛的应用。3语音报警二、报警程序的设计技术1、（全）软件报警程序设计基本作法：根据报警参数的具体情况。把 被测参数如温度，压力，流量，流速，速 度，成分等参数，经传感器，变送器，A/D ，单片机后，再与规定的上、下限值进行 比较，根据比较的结果进行报警或处理， 整个过程由软件实现。锅炉水位自动调节 系统 汽包水位（液面）是锅炉正常运转的主要指标。三冲量的 自动调节系统（水流量，蒸气流量，液面高度）。三个参 数报警（水位上下限，炉膛温度上下限，蒸气压力下限采样得到）。 n内部RAM 20H-报警模型标志单元 n若20H内容为00H，说明参数均正常，绿灯亮 。n若20H内容不为00H，说明参数越限，输出报 警模型。2、直接报警程序n由硬件申请，软件处理报警程序。基 本思想是报警程序不是通过程序比较 法产生，而是直接由传感器产生。前 提条件是被测参数与给定值的比较是 在传感器中进行的。当正常值超过（ 或低于）上下限极限值时，结点开关 闭合，产生报警信号。 对上题改用此法3、越限报警程序n 在控制系统中，报警参数可以是被控参数 、被测参数、输入偏差或控制量等，设需要判 断的报警参数为X，该参数的上、下限约束值分 别为XH和XL，则越限报警有如下几种形式：n上限报警n若XK XH，则发出上限报警，否则继续执行 原定操作。n上下限报警n若XK XH，则上限报警，否则判断XK XL 否？若是则下限报警，否则继续执行原定操作 。若XK XH，则上限报警，否则判断XK XL否？ 若是则下限报警，否则继续执行原定操作。具体设计报警程序时，为了避免测量值在极限值一 点处来回摆动造成频繁报警，一般应在极限值附 近设置一个回差带，如图所示:图4-13越限报警范围 图中XH、XL是上、下限约束值，2e为回差带宽。当 被测值超越XHe时，才算越过上限报警值并设置相 应的越上限标志（上限标志位置1），同时输出越上限 的声、光报警；当被测值下降到XHe 以下时，则复 位上限，这时应撤消越上限标志（上限标志位清0）及 相应的声光报警。同理，当被测值低于XL