系统检测的数据采集与处理
摘要
本文内容来源于对某控制系统的检测和诊断的研究。该控制系统在工作过程中，有多种产生于不同部件的信号需要检测，其中有模拟输入信号十三路，数字输入信号三路，通过数据采集和信号分析，判断该控制系统工作是否正常。结合系统检测的具体要求，本论文从硬件设计和软件设计两个方面，实现了数据采集系统的硬件接口电路和软件算法。经多次实验证明本文所采用的技术线路是切实可行的，系统硬件及软件运行可靠，数据处理结果符合设计要求。
在硬件设计中选用了PC/104模块及多功能数据采集模块。实现了加速度计频差信号的动态频率测量、多通道模拟信号的高速同步采样。同时，解决了在采样过程中，大量数据的快速转存。编写了实现上述功能的C语言程序。论文中还介绍了数字信号处理在系统检测中的应用。并结合系统检测中采集到的数据，给出了不同信号的数据处理方法和用MATLAB编写的程序代码示例。绘制了上述信号在信号处理中的波形变化。最后，对系统检测与诊断的结果进行了分析，并指出了下一步的改进方向。
Data Acquisition And Data Processing In A System Diagnosis
This paper is resulted from a work of system diagnosis, it mainly demonstrates the data acquisition and data processing techniques and algorithms of the programs dedicated to sampling, data transferring and data analysis.
In the hardware description, it introduces the PC/104 standard , a PC/104 format CPU module and a PC/104 multi-functional module for data acquisition. This multi-functional module is very powerful and integrated, it has 32 analog input channels, 24 digital input/output channels, three 16 bit counters/timers and provides flexible approaches of multi-channel sampling and of digital I/O operations. Especially it allows various types of interruptions of external digital input, timer output and A/D conversion, each type of interruption has its own role in the signal measurement or in exact pace control, its FIFO buffer function makes it possible to work at the sampling rate of 200K samples per second without carrying over-burden interruption rate, its LATCH type external interrupt request along with its high frequency clock makes a precise locating of pulse edges possible. All its properties make it best suitable for the system diagnosis which involves examining 13 analog signals, detecting several digital signal
s, issuing the required instructions at an exact pace and sampling many analog signals simultaneously.
In the parts of software discussion, it presents the primary algorithms of some fundamental functions in C language, these functions are developed for digital I/O operations, interruption management, tinier management, precise clock generator. A/D conversion, data transferring and some calculations. And also, it introduces the powerful tools of MATLAB and demonstrates some MATLAB programs for spectral property analysis, digital filter design, digital filtering, signal extracting, noise eliminating, parameter calculating and some applications.
The conclusions of the paper present an analysis of the results of the diagnosis and points out some work worth doing next.
在硬件设计中选用了PC/104模块及多功能数据采集模块。实现了加速度计频差信号的动态频率测量、多通道模拟信号的高速同步采样。同时，解决了在采样过程中，大量数据的快速转存。编写了实现上述功能的C语言程序。论文中还介绍了数字信号处理在系统检测中的应用。并结合系统检测中采集到的数据，给出了不同信号的数据处理方法和用MATLAB编写的程序代码示例。绘制了上述信号在信号处理中的波形变化。最后，对系统检测与诊断的结果进行了分析，并指出了下一步的改进方向。
Data Acquisition And Data Processing In A System Diagnosis
This paper is resulted from a work of system diagnosis, it mainly demonstrates the data acquisition and data processing techniques and algorithms of the programs dedicated to sampling, data transferring and data analysis.
In the hardware description, it introduces the PC/104 standard , a PC/104 format CPU module and a PC/104 multi-functional module for data acquisition. This multi-functional module is very powerful and integrated, it has 32 analog input channels, 24 digital input/output channels, three 16 bit counters/timers and provides flexible approaches of multi-channel sampling and of digital I/O operations. Especially it allows various types of interruptions of external digital input, timer output and A/D conversion, each type of interruption has its own role in the signal measurement or in exact pace control, its FIFO buffer function makes it possible to work at the sampling rate of 200K samples per second without carrying over-burden interruption rate, its LATCH type external interrupt request along with its high frequency clock makes a precise locating of pulse edges possible. All its properties make it best suitable for the system diagnosis which involves examining 13 analog signals, detecting several digital signal
s, issuing the required instructions at an exact pace and sampling many analog signals simultaneously.
In the parts of software discussion, it presents the primary algorithms of some fundamental functions in C language, these functions are developed for digital I/O operations, interruption management, tinier management, precise clock generator. A/D conversion, data transferring and some calculations. And also, it introduces the powerful tools of MATLAB and demonstrates some MATLAB programs for spectral property analysis, digital filter design, digital filtering, signal extracting, noise eliminating, parameter calculating and some applications.
The conclusions of the paper present an analysis of the results of the diagnosis and points out some work worth doing next.
引文
[1] L.P.Maguire, T.M.McGinnity, L.J.McDaid Issues in the development of an integrated environment for embedded system design Part A: user needs and commercial products Microprocessors and Microsystems 23 (1999)
[2] L.P.Maguire, T.M.McGinnity, L.J.McDaid Issues in the development of an integrated environment for embedded system design Part B:Design and Implementation Microprocessors and Microsystems 23 (1999)
[3] F.Thomas,M.M.Nayak, S.Udupa, J.K.Kishore A hardware/software codesign for improved data acquisition in a processor based system Microprocessors and Microsystems 24(2000)
[4] J.Bayard Digitally controlled analogue signal synthesizer: Improvement of the waveform IEE Proceedings.Science.Measurement.Technologv. Vol 146． No.4． July 1999．
[5] S.-C. Wang and C.-L.Chen PC-based apparatus for characterizing high frequency Magnetic cores IEE Proceedings.Science.Measurement.Technologv. Vol.146． No.6． November 1999．
[6] G.Betta, C.Liguori. A.Pietrosanto Structured approach to estimate the measurement Uncertainty in digital signal elaboration algorithms IEE Proceedings.Science.Measurement.Technology Vol 146． No.1． January 1999．
[7] Sang-Wook Lee, Jun-Seok Lim, SeongJoon Baek Time-varying signal frequency estimation by VFF Kalman filtering
Signal Processing 77(1999)
[8] Timo I.Laakso, Andrzej Tarczynski, N.Paul Murphy Polynomial filtering approach to reconstruction and Noise reduction of nonuniformly sampled signals Signal Processing 80(2000)
[9] SBS PC/104 应用注记 Ver 2.0·SBS Science & Technology Co.,Ltd.
[10] SysCentreModule TM / SuperDX 技术手册·SBS Science & Technolgy Co.,Ltd.
[11] DIAMOND - MM -32 Autocalibrating 16-Bit Analog I/O PC/104 Module V2.0 Diamond Systems Corporation.
[12] 丁玉美 高西全 《数字信号处理》 西安电子科技大学出版社 2000
[13] 黄长艺 卢文祥 《机械工程测量与试验技术》 机械工业出版社 2000
[14] 蒋洪明 张庆 《动态测试理论与应用》 东南大学出版社 1999
[15] 马明建 周长程 《数据采集与处理技术》 西安交通大学出版社 1998
[16] 沈兰荪 《数据采集技术》 中国科学技术大学出版社 1990
[17] 王燕 《面向对象的理论与C++实践》 清华大学出版社 1997
[18] 朱麟章 蒙建波 《检测理论及其应用》 机械工业出版仕 2000
[19] 雷霖 《微机自动检测》 电子科技大学出版社 1999
[10] 赵敏 Win95下A／D转换中断的编程与实现 计算机自动测量与控制 2000 8(1)．
[21] 刘俊 在WINDOWS NT下开发高速DMA数据采集程计算机自动测量与控制 2000 8(1)．
[22] 金明 逻辑分析仪在测试中的应用 计算机自动测量与控制 2000 8(1)．
[23] 涂诗美 一种飞行器地面测控系统设计 计算机自动测量与控制 2000 8(3)．
[24] 陈遵银 机载鱼雷反潜过程的故障诊断系统设计 计算机自动测量与控制 2000 8(3)．
[25] 张乃镇 采用VISUAL C++开发的导弹伺服机构测控系统计算机自动测量与控制 2000 8(3)．
[26] 吴允平 一种信号峰值分析系统的设计 计算机自动测量与控制 2000 8
[27] 黄鹤新 雷达发射机自动测试系统研究 计算机自动测量与控制 2000 8(4)．
[28] 郑仲明 飞机导航设备自动测试系统 计算机自动测量与控制 2000 8(4)．
[29]周德兴 实时系统软件设计方法 计算机自动测量与控制 2000 8(4)．
[30]王鸿钰 自动测量仪器和测试系统的发展综述 计算机自动测量与控制 2000 8(4)．
[31]田日辉 在高速数据采集系统中用DRAM实现海量缓存数据采集与处理 1997 6．
[32]梁志国 正弦波拟合法评价数据采集系统通道采集速率 数据采集与处理 1997 12。
[33]戴明桢 48通道大容量同步数据采集系统 数据采集与处理 1997 3．
[34]牛玉广 多通道信号的同相位整周期采样 数据采集与处理 1997 6．
[35]谭安平 网络型油田通用数据获取与处理系统 数据采集与处理 2000 6．
[36]张旭东 基于PCI接口的多通道高速数据采集系统 数据采集与处理 2000 6．
[37]彭新堂 一种实时数据采集及管理系统的设计方法 数据采集与处理 1998 3．
[38]张翔 基于PC机的12位高速数据采集系统 数据采集与处理 1998 3．
[39]杨建东 一种高速数据采集系统前置通道的设计 数据采集与处理 1995 9．
[40]张宜生 128路数据采集及监控系统的性能研究 数据采集与处理 1995 3．
[41]王军 利用PC机实现高速数据的精密定时采集 数据采集与处理 1994 9．
[42]王飞雪 利用低位ADC获取高精度量化结果 数据采集与处理 1994 9．
[43]涂永峰 利用TMS320C25的高速数据采集与实时信号分析系统数据采集与处理 1996 12．
[44]马维华 廉价的多输入多输出采集系统的设计 数据采集与处理 1996 12．
[45]张亮 一种实时多路数据采集与处理系统 数据采集与处理 1996 6．
[46]赵宁 微机控制高分辨率线阵CCD图象采集系统数据采集与处理 1997 3．
[47]冯焕清 高档PC机的DMA传输技术及其在数据采集中的应用数据采集与处理 1997 3．
[48]孙广俊 一种数据采集与记录系统的研制 数据采集与处理 1998 12．
[49]王庆禹 基于高密度采集的数字信号处理方法 数据采集与处理 1998 9．
[50]祝文浪 基于PC的多通道超高速数据采集系统的设计与实现 数据采集与处理 1996 3．
[51]陈凯 高速数据采集系统中的软件设计 计算机自动测量与控制 1997 3．
[52]梁志文 数据采集系统通道间延迟时间差的精确评价 数据采集与处理 1998 6．
[53]吴宁 用选通门匹配方法提高计数式频率计的测量精度 数据采集与处理 2000 3．
[54]李水 水声材料性能测量中的数据采集与反滤波应用 数据采集与处理 2000 3．
[55]王金础 TMS320C3X高速数据采集的DMA实现 数据采集与处理 2000 3．
[56]侯孝民 一种高速数据采集系统的设计 数据采集与处理 2000 6．
[57]钱卫忠 基于高性能单片机的数据采集系统的设计及实现 数据采集与处理 2000 6．
[58]陈颖琪 基于并行FIFO存储结构的HDTV编码器高速数据收发电路数据采集与处理 2000 6．
[59]李春旭 基于两片TMS320C40的高速数据采集系统 数据采集与处理 2000 3．
[60]兰保青 组建一个VXI总线伺服机构测试系统 计算机自动测量与控制 1997 1．
[2] L.P.Maguire, T.M.McGinnity, L.J.McDaid Issues in the development of an integrated environment for embedded system design Part B:Design and Implementation Microprocessors and Microsystems 23 (1999)
[3] F.Thomas,M.M.Nayak, S.Udupa, J.K.Kishore A hardware/software codesign for improved data acquisition in a processor based system Microprocessors and Microsystems 24(2000)
[4] J.Bayard Digitally controlled analogue signal synthesizer: Improvement of the waveform IEE Proceedings.Science.Measurement.Technologv. Vol 146． No.4． July 1999．
[5] S.-C. Wang and C.-L.Chen PC-based apparatus for characterizing high frequency Magnetic cores IEE Proceedings.Science.Measurement.Technologv. Vol.146． No.6． November 1999．
[6] G.Betta, C.Liguori. A.Pietrosanto Structured approach to estimate the measurement Uncertainty in digital signal elaboration algorithms IEE Proceedings.Science.Measurement.Technology Vol 146． No.1． January 1999．
[7] Sang-Wook Lee, Jun-Seok Lim, SeongJoon Baek Time-varying signal frequency estimation by VFF Kalman filtering
Signal Processing 77(1999)
[8] Timo I.Laakso, Andrzej Tarczynski, N.Paul Murphy Polynomial filtering approach to reconstruction and Noise reduction of nonuniformly sampled signals Signal Processing 80(2000)
[9] SBS PC/104 应用注记 Ver 2.0·SBS Science & Technology Co.,Ltd.
[10] SysCentreModule TM / SuperDX 技术手册·SBS Science & Technolgy Co.,Ltd.
[11] DIAMOND - MM -32 Autocalibrating 16-Bit Analog I/O PC/104 Module V2.0 Diamond Systems Corporation.
[12] 丁玉美 高西全 《数字信号处理》 西安电子科技大学出版社 2000
[13] 黄长艺 卢文祥 《机械工程测量与试验技术》 机械工业出版社 2000
[14] 蒋洪明 张庆 《动态测试理论与应用》 东南大学出版社 1999
[15] 马明建 周长程 《数据采集与处理技术》 西安交通大学出版社 1998
[16] 沈兰荪 《数据采集技术》 中国科学技术大学出版社 1990
[17] 王燕 《面向对象的理论与C++实践》 清华大学出版社 1997
[18] 朱麟章 蒙建波 《检测理论及其应用》 机械工业出版仕 2000
[19] 雷霖 《微机自动检测》 电子科技大学出版社 1999
[10] 赵敏 Win95下A／D转换中断的编程与实现 计算机自动测量与控制 2000 8(1)．
[21] 刘俊 在WINDOWS NT下开发高速DMA数据采集程计算机自动测量与控制 2000 8(1)．
[22] 金明 逻辑分析仪在测试中的应用 计算机自动测量与控制 2000 8(1)．
[23] 涂诗美 一种飞行器地面测控系统设计 计算机自动测量与控制 2000 8(3)．
[24] 陈遵银 机载鱼雷反潜过程的故障诊断系统设计 计算机自动测量与控制 2000 8(3)．
[25] 张乃镇 采用VISUAL C++开发的导弹伺服机构测控系统计算机自动测量与控制 2000 8(3)．
[26] 吴允平 一种信号峰值分析系统的设计 计算机自动测量与控制 2000 8
[27] 黄鹤新 雷达发射机自动测试系统研究 计算机自动测量与控制 2000 8(4)．
[28] 郑仲明 飞机导航设备自动测试系统 计算机自动测量与控制 2000 8(4)．
[29]周德兴 实时系统软件设计方法 计算机自动测量与控制 2000 8(4)．
[30]王鸿钰 自动测量仪器和测试系统的发展综述 计算机自动测量与控制 2000 8(4)．
[31]田日辉 在高速数据采集系统中用DRAM实现海量缓存数据采集与处理 1997 6．
[32]梁志国 正弦波拟合法评价数据采集系统通道采集速率 数据采集与处理 1997 12。
[33]戴明桢 48通道大容量同步数据采集系统 数据采集与处理 1997 3．
[34]牛玉广 多通道信号的同相位整周期采样 数据采集与处理 1997 6．
[35]谭安平 网络型油田通用数据获取与处理系统 数据采集与处理 2000 6．
[36]张旭东 基于PCI接口的多通道高速数据采集系统 数据采集与处理 2000 6．
[37]彭新堂 一种实时数据采集及管理系统的设计方法 数据采集与处理 1998 3．
[38]张翔 基于PC机的12位高速数据采集系统 数据采集与处理 1998 3．
[39]杨建东 一种高速数据采集系统前置通道的设计 数据采集与处理 1995 9．
[40]张宜生 128路数据采集及监控系统的性能研究 数据采集与处理 1995 3．
[41]王军 利用PC机实现高速数据的精密定时采集 数据采集与处理 1994 9．
[42]王飞雪 利用低位ADC获取高精度量化结果 数据采集与处理 1994 9．
[43]涂永峰 利用TMS320C25的高速数据采集与实时信号分析系统数据采集与处理 1996 12．
[44]马维华 廉价的多输入多输出采集系统的设计 数据采集与处理 1996 12．
[45]张亮 一种实时多路数据采集与处理系统 数据采集与处理 1996 6．
[46]赵宁 微机控制高分辨率线阵CCD图象采集系统数据采集与处理 1997 3．
[47]冯焕清 高档PC机的DMA传输技术及其在数据采集中的应用数据采集与处理 1997 3．
[48]孙广俊 一种数据采集与记录系统的研制 数据采集与处理 1998 12．
[49]王庆禹 基于高密度采集的数字信号处理方法 数据采集与处理 1998 9．
[50]祝文浪 基于PC的多通道超高速数据采集系统的设计与实现 数据采集与处理 1996 3．
[51]陈凯 高速数据采集系统中的软件设计 计算机自动测量与控制 1997 3．
[52]梁志文 数据采集系统通道间延迟时间差的精确评价 数据采集与处理 1998 6．
[53]吴宁 用选通门匹配方法提高计数式频率计的测量精度 数据采集与处理 2000 3．
[54]李水 水声材料性能测量中的数据采集与反滤波应用 数据采集与处理 2000 3．
[55]王金础 TMS320C3X高速数据采集的DMA实现 数据采集与处理 2000 3．
[56]侯孝民 一种高速数据采集系统的设计 数据采集与处理 2000 6．
[57]钱卫忠 基于高性能单片机的数据采集系统的设计及实现 数据采集与处理 2000 6．
[58]陈颖琪 基于并行FIFO存储结构的HDTV编码器高速数据收发电路数据采集与处理 2000 6．
[59]李春旭 基于两片TMS320C40的高速数据采集系统 数据采集与处理 2000 3．
[60]兰保青 组建一个VXI总线伺服机构测试系统 计算机自动测量与控制 1997 1．