智能仪器的数据处理技术

智能仪器第七章智能仪器的数据处理技术学习提纲1数据的非数值处理技术2系统误差的数据处理技术3数字滤波技术4系统软件的组成与设计1数据的非数值处理技术数据结构定义：数据间的相互关系，即数据的组织形式数据的逻辑结构数据之间的逻辑关系数据的存储结构数据元素在存储器中的表示及其配置数据的线性结构线性表、线性链表、堆栈数据的非线性结构树、图1数据的非数值处理技术线性表n个元素a1、a2、…an的集合，各元素间具有线性的位置关系若一个数据元素由若干个数据项组成，则堆栈后进先出设立一个指针指示栈顶位置队列先进先出设立两个指针分别指示队头和队尾liaai)1()LOC()LOC(0线性链表数据元素在存储器内可以任意存放除了存储元素的值，还需要一个指针，指明下一个元素在存储器中的位置数据的元素值和指针两者组成链表的一个节点一个线性链表由一个起始指针和若干节点组成外加一个自由链表：便于链表的插入和删除1数据的非数值处理技术1数据的非数值处理技术线性表的查表技术顺序查找法从头开始，按顺序把表中元素的关键项逐一与给定的关键字进行比较，相符后取出元素值适用于排列无序的表格的查找，速度较慢1数据的非数值处理技术SER:MOVA,R0MOVB,ACLRAMOVCA,@A+DPTRCJNEA,B,SER2INCDPTRMOVA,R1MOVB,ACLRAMOVCA,@A+DPTRCJNEA,B,SER3JMPSER4SER2:INCDPTRSER3:INCDPTRDJNZR2,SERMOVDPTR,#0FFFFHSER4:RET1数据的非数值处理技术对半查找法针对有序表的查找方法每次截取表的一半，确定被查找元素在哪一部分，逐步细分，缩小查找范围最终确定位置设置两个指针LO和HI分别保存表的低界元素和高界元素的序号，设n个元素按照从小到大的顺序排列，则(LO)=0，(HI)=n-1，中心元素序号：计算中心元素的地址2)HI()LO()MI(l)MI()AM(表首地址1数据的非数值处理技术根据中心元素的位置找出中心元素值，与要查找的元素x相比较若，选取高半个表，修改低界指针若，选取低半个表，修改高界指针若，则查找成功))AM((x1)MI()LO())AM((x1)MI()HI())AM((x1数据的非数值处理技术直接查表法直接根据关键项或由关键项经过简单计算即可找到该数据，要求关键项与数据记录所在的位置或次序有严格对应关系，适用于有序表格8段数码管的段码查表程序AJCB:MOVDPTR,#TABMOVA,R0MOVCA,@A+DPTRMOVDPTR,#PORTMOVX@DPTR,ARETTAB:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DHDB7DH,07H,7FH,6FH1数据的非数值处理技术排序使一组记录按照关键字的大小有序排列气泡排序法依次比较两个相邻的一对数据，调整数据位置使其满足规定的排序规则第1轮比较后，最大（小）数降到数据表的最后位置，第2轮比较后，次最大（小）数降到数据包倒数第2位置，以此类推。若数据表共有n个数据，则第1轮排序需要进行n-1次比较，第2轮排序需要n-2次比较，以此类推1数据的非数值处理技术DECR3T0：MOVA,R3MOVR5，AMOVA,R2MOVR0，AINCAMOVR1,AT1：CLRCMOVA,@R0SUBBA,@R1JCT2MOVA,@R1XCHA,@R0XCHA,@R1T2：INCR0INCR1DJNZR5,T1DJNZR3，T0RET2系统误差的数据处理技术误差分类系统误差在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差系统误差有规律可循，可利用一定算法进行校准和补偿随机误差在同一测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预定方式变化的误差，但具有统计规律粗大误差超出在规定条件下预期的误差，误差值较大，明显歪曲测量结果，应从测量结果中剔除2系统误差的数据处理技术系统误差建模误差模型的数学表达式中存在待定系数，需要通过校准方法确定这些系数设信号测量值x和实际值y满足线性关系分别测量标准电压VR和短路电压，得两个误差方程x1和x0分别为两次测量值，解方程组可得得校正后的算式01axay0010110axaaxaVR1001xxxVaR1000xxxVaR010)(xxxxVyR2系统误差的数据处理技术代数插值法基本原理（P202）线性插值从一组数据（xi，yi）中选取2个有代表性的值（x0，y0）和（x1，y1），根据一次拉格朗日插值原理，写出插值方程求出待定系数0110100101)(axayxxxxyxxxxxpn01011xxyya0100xaya2系统误差的数据处理技术拟合误差将点取为曲线或数组的端点，设分别为和根据线性插值原理，建立校正方程与有拟合误差若在区间[a,b]内始终有，则是理想的校正方程)(xf))(,(afa))(,(bfb011)(axaxp)(1xp)(xf)()(1iiixfxpViV)(1xp多项式选取注意事项首先决定多项式的次数n，一般根据测试数据的分布，凭经验或通过试凑来决定通常，离散数据点的数目要大于n+1，选择合适的插值节点很重要，直接影响拟合误差；可先选择等分值的，再根据拟合误差的分布情况，调整多项式的次数不宜选的太高，计算实时性跟不上；而且对一些非线性特而言，提高次数也难以提高精度，宜采用分段插值法2系统误差的数据处理技术抛物线插值在数据中选取三个点，进行过三点的二次曲线拟合（抛物线），精度比直线拟合高),(),(),(221100yxyxyx2120210121012002010212))(())(())(())(())(())(()(yxxxxxxxxyxxxxxxxxyxxxxxxxxxp),(iiyx),(iiyx2系统误差的数据处理技术最小二乘法若实验数据含有随机误差，宜选择“误差平方和最小”来衡量逼近结果，即最小二乘法基本原理逼近误差记，令，在最小二乘意义上使最小直线拟合曲线拟合)()()(iiixgxfxVniixV12)(min)(ixV2系统误差的数据处理技术系统误差校正测量情况复杂，难以通过理论分析建立校正模型，利用实验手段进行校正实验获取校正数据点以表格形式将数据点存入仪器存储器（EEPROM）yi作为索引地址，对应的xi存入存储器相应地址实时测量时，查表来修正测量结果若正好测得yi，则查表结果就是校正后的测量结果若测量结果介于yi和yi+1之间，需进一步采用线性插值或抛物线插值的方法，求得校正值增加校正表中的数据点可提高测量精度3数字滤波技术数字滤波作用抑制有效信号中的干扰成分，消除随机误差对信号进行必要的平滑处理数字滤波的优点不需要硬件，可靠性高，不存在阻抗匹配问题可对频率很高或很低的信号进行滤波数字滤波由软件算法实现，可多输入通道共用，降低成本改变滤波程序或运算参数就可改变滤波器特性3数字滤波技术限幅滤波滤除尖峰脉冲的有效手段基本原理比较相邻两个采样值yn-1和yn的大小若差值过大，超出可能范围，剔除yn弥补缺失用yn-1代替yn由yn-2和yn-1递推差值的选取：取决于被测对象的动态特性3数字滤波技术限幅滤波程序PROGET:MOVA,DATA2CLRCSUBBA,DATA1JNCPRODT1CPLAINCAPRODT1：CJNEA,#a,PRODT2AJMPDONEPRODT2：JCDONEMOVDATA2，DATA1DONE:RET3数字滤波技术中值滤波基本原理对被测量连续采样n次（奇数），把n次采样值按大小排序，取中间值作为一次采样值有效滤除因偶然因素引起的波动或仪器不稳定引起的误码适用于变化缓慢的信号3数字滤波技术FILTER:MOVR3,#N-1SORT:MOVA,R3MOVR2，AMOVR0,#SAMPLOOP:MOVA,@R0INCR0CLRCSUBBA,@R0JCDONEADDA,@R0XCHA,@R0DECR0MOV@R0,AINCR0DONE:DJNZR2,LOOPDJNZR3,SORTMOVA,#NCLRCRRCAADDA,#SAMPMOVR0,AMOVDATA,@R0RET3数字滤波技术算术平均滤波算法：连续取n个采样值进行平均适用于对随机干扰信号的滤波平滑程度：取决于nn趋于无穷时，平均值接近期望值，但灵敏度低n较小时，平滑度低，但灵敏度高n的选取原则：保证滤波效果，尽量减少计算时间3数字滤波技术ARIFILE:CLRCMOVR7，#N-1MOVR0，#SAMPMOVR1，#SAMP+2ADD1：MOVR2，#02ADD2：MOVA，@R0ADDCA，@R1MOV@R1，AINCR0INCR1DJNZR2，ADD2CLRCDJNZR7，ADD1MOVA,@R0MOVR6，AINCR0MOVA,@R0MOVR7，AMOVR5，#NACALLDIV21MOVSAMP+1，R7MOVSAMP,R6RET3数字滤波技术滑动平均滤波采用队列作为测量数据的存储器原理队列长度固定为n，每进行一次新的测量，结果放入队尾，扔掉原来队首的数据，总长保持为n将队列中的当前数据进行算术平均，即可得到新的滤波值，每采样一次都可得到新的滤波值适用于周期干扰信号的滤波，若平滑度高则灵敏度低，n值的选取需观察滑动平均输出响应，尽量少占用CPU时间3数字滤波技术FSAV:LCALLRDXIMOVA,7FHMOVB，#3MULABMOVDPTR,#2000HADDA,DPLMOVDPL,AMOVA,R6MOVX@DPTR,AINCDPTRMOVA,R2MOVX@DPTR,AINCDPTRMOVA,R3MOVX@DPTR,AMOVA,7FHINCACJNEA,#16,FSA1CLRAFSA1:MOV7FH,AMOVR0，#15INCDPTRFSA2:MOVA,DPLCJNEA,#30,FSA3MOVDPL,#03数字滤波技术FSA3:MOVXA,@DPTRMOVR7,AINCDPTRMOVXA,@DPTRMOVR4,AINCDPTRMOVXA,@DPTRMOVR5,AINCDPTRCLR3AHLCALLFABPMOVA,R4MOVR6,ADJNZR0,FSA2MOVC,ACC.7DECADECADECADECAMOVACC.7,CMOVR4,ALCALLFSTRRET3数字滤波技术低通数字滤波硬件RC低通滤波器的微分方程离散化得差分方程本次采样值本次滤波值上次滤波值平滑系数11)()()(ssXsYsG)()1()1()(nXnYnY)(nX)1(nY/1Te)(nY4系统软件的组成与设计软件功能处理模拟量/数字量的输入/输出实现人机对话（输入、显示）时间机机对话（通信接口）软件组成主程序中断服务程序子程序4系统软件的组成与设计主程序4系统软件的组成与设计中断服务程序为实时处理而设计被允许才会产生中断程序计数器必须保护必须保护现场注意中断标志位的清除注意服务程序不要与主程序交叉必须恢复现场多中断源的优先级问题子程序