1、北郵信息理論北郵信息理論與技術(shù)教研中心與技術(shù)教研中心 BUPT Information Theory & Technology Center 第七章第七章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中中的的關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)BUPT Information Theory & Technology Center 本章內(nèi)容 抗干擾技術(shù) 分析與處理技術(shù) 數(shù)據(jù)存儲技術(shù) 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)2BUPT Information Theory & Technology Center 3BUPT Information Theory & Technology Center 7.1 抗干擾技術(shù)干擾：是指有用信號以外的“噪聲” 影響系統(tǒng)的準

2、確度 降低系統(tǒng)的可靠性 形成三要素：干擾源、傳播途徑和敏感器件4BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.1 干擾源的分類 按照干擾的來源劃分5干擾外部干擾天電干擾天體干擾電器設(shè)備干擾內(nèi)部干擾耦合感應(yīng)多點接地電位差寄生振蕩各種噪聲BUPT Information Theory & Technology Center 按照干擾出現(xiàn)的規(guī)律劃分6干擾固定干擾固定的電氣設(shè)備半固定干擾偶然使用的電氣設(shè)備隨機干擾偶發(fā)性的干擾7.1.1 干擾源的分類BUPT Information Theory & Technology Center 按照干擾產(chǎn)生和傳播

3、的方式劃分7干擾靜電干擾磁場耦合干擾電磁輻射干擾電導(dǎo)通路耦合干擾漏電耦合干擾7.1.1 干擾源的分類BUPT Information Theory & Technology Center 按照干擾與輸入信號的關(guān)系劃分8干擾差模干擾共模干擾7.1.1 干擾源的分類BUPT Information Theory & Technology Center 軟件方面造成的干擾源采用不正確的算法計算機精度引起的誤差累積計算機處理器受到電磁干擾造成的軟件錯誤97.1.1 干擾源的分類BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.2 干擾的傳播途徑傳播途徑磁場

4、耦合公共阻抗 耦合靜電耦合10BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.2 干擾的傳播途徑 靜電耦合：由于分布電容的存在，電場通過電容耦合的途徑進入到其它線路中。 磁場耦合：由于任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會產(chǎn)生磁場，而交變磁場對其周圍閉合電路會產(chǎn)生感應(yīng)電勢所導(dǎo)致的現(xiàn)象。 公共阻抗耦合：兩個電路存在一個公共阻抗，一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路，從而產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象。11BUPT Information Theory & Technology Center 1、抑制干擾源 （1）交流電源的干擾 采用隔離變壓器127.1.3 硬件抗干擾

5、措施由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電網(wǎng)分別有各自的地線，如果把兩者直接相連，由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電網(wǎng)分別有各自的地線，如果把兩者直接相連，則它們的地線之間存在電位差，會形成環(huán)流造成共模干擾。則它們的地線之間存在電位差，會形成環(huán)流造成共模干擾。采用隔離變壓器將兩者隔離，使電網(wǎng)地線的干擾不能進入系統(tǒng)，提高采用隔離變壓器將兩者隔離，使電網(wǎng)地線的干擾不能進入系統(tǒng)，提高抗共模抑制能力，從而保證系統(tǒng)的可靠工作，抗共模抑制能力，從而保證系統(tǒng)的可靠工作， BUPT Information Theory & Technology Center 采用電源低通濾波器消除大于50Hz的高次諧波 采用交流穩(wěn)壓源把輸出波形畸變控制在5

6、%以內(nèi)還可以對負載短路起限流保護作用137.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center （2）直流電源的干擾 采用集成穩(wěn)壓塊單獨供電如采用DC-DC電源模塊、三端穩(wěn)壓模塊等147.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center （3）印制電路板（PCB）的設(shè)計15合理布線合理布局合理接地7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.3 硬件抗干擾措施 （3）印制電路板（PCB）的設(shè)計 合理布線

7、： 合理布局： 合理接地：16避免長距離的平行走線信號線與地線及電源線盡可能不交叉 各部件間的引線要短，電源線要寬。模擬信號、高速數(shù)字電路和噪聲源這 三部分合理地分開。易受干擾的元器件不能相互挨的太近輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠離所有器件的數(shù)字地和模擬地分別相連數(shù)字地和模擬地僅在一點上相連。 BUPT Information Theory & Technology Center 2、切斷干擾傳播途徑 （1）采用隔離的方法17光電隔離電磁隔離7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 光電隔離 利用光電耦合器件實現(xiàn)電路上的隔離 目前

8、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法。 187.1.3 硬件抗干擾措施系統(tǒng)和外界之間的隔離 系統(tǒng)電路之間的隔離 BUPT Information Theory & Technology Center 電磁隔離 利用隔離放大器的電磁耦合作用，將外界的模擬信號與系統(tǒng)進行隔離傳送。 197.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center （2）其他方法20傳輸線的使用浮置措施濾波技術(shù)系統(tǒng)分別供電7.1.3 硬件抗干擾措施采用雙絞線、屏蔽線和扁平帶狀電纜進行傳輸，提高抗干擾能力 數(shù)據(jù)采集電路的模擬信號地不接機殼或大地，以阻斷干擾電流的通

9、路 使用濾波器只允許某一頻帶的信號通過，以抑制其他頻帶的信號 將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電感設(shè)備的供電系統(tǒng)分開，以避免在供電線路之間出現(xiàn)相互干擾 BUPT Information Theory & Technology Center 3、選擇良好的單片機與元器件 運算放大器：溫漂低、差分性能優(yōu)良 電源芯片：高精度、低紋波、低溫漂 其他元器件（譯碼器、RAM等）：漏電流小、噪聲低、性能好 單片機：盡可能選擇頻率低的單片機 217.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 22 4、接地問題 （1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中地線的類型 信號地：包括模擬

10、信號地、數(shù)字信號地和信號源地。模擬信號地是指模擬電路的零電位基準，數(shù)字信號地是指數(shù)字電路的零電位基準，信號源地是指信號源的零電位基準。 功率地：是指大電流網(wǎng)絡(luò)部件的零電位基準。 屏蔽地：又稱為機殼地，為了防止靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)而設(shè)計的。 交流地：交流50Hz電源的地線。 直流地：直流電源的地線。 7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 4、接地問題 （2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的接地原則 需要消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時所產(chǎn)生的噪聲電壓 避免形成接地環(huán)路引進共模干擾。 一點接地：如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在兩點接地，由于大地各地電

11、位的不一致，造成它們之間會有電位差，形成地環(huán)路電流，從而對兩點接地的電路產(chǎn)生干擾。該干擾是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入端共模干擾的主要來源。237.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 一點接地原則 串聯(lián)一點接地24低頻電路7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.3 硬件抗干擾措施串聯(lián)一點接地 缺點：存在著各個接地點電位不同的問題，這將造成子系統(tǒng)之間的相互干擾。 優(yōu)點：該方式布線簡單，目前仍在使用。 使用注意事項：25 各個子系統(tǒng)的對應(yīng)電位不能相差太大，

12、否則高地電位的子系統(tǒng)將會產(chǎn)生很大的地電流，經(jīng)過共接的地線阻抗對低地電位子系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾。 應(yīng)該把對地電位最敏感的放在距離接地點最近的地方。 BUPT Information Theory & Technology Center 一點接地原則 并聯(lián)一點接地：各個子系統(tǒng)的地電流之間不會形成耦合，沒有共接地線阻抗所造成的干擾影響。 26低頻電路7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.3 硬件抗干擾措施 多點接地原則 一點接地方式僅適用于低頻電路，不能適用于高頻電路。 許多相互靠近又很長的地線，對于高頻信號會呈現(xiàn)出電

13、感而使地線阻抗增大，造成各地線之間的磁場耦合。 在高頻電路（高于10MHz）中，應(yīng)該采用多點接地方式 27BUPT Information Theory & Technology Center 多點接地原則 接地線越短越好，以降低其阻抗，因此每個電路應(yīng)就近接地。 阻抗低可以防止高頻時地線向外輻射噪聲，并且地線之間互相遠離可以大大降低噪聲的磁場耦合和電場耦合。 28高頻電路7.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 接地方式選擇的一般準則 工作頻率小于1MHz時采用單點接地方式； 工作頻率高于10MHz時采用多點接地方式； 工

14、作頻率介于1MHz10MHz的電路采用混合接地式。當(dāng)接地線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。 根據(jù)系統(tǒng)的需求和電路的需要進行合理的安排。29BUPT Information Theory & Technology Center 不同性質(zhì)接地線的連線原則 弱信號模擬電路、數(shù)字電路和大功率驅(qū)動地線分開 模擬地與數(shù)字地分開 高電平數(shù)字地與低電平信號分開 各個子系統(tǒng)的地只在電源供電處才相接成一點入地 交流電源地線應(yīng)和保護地線相連。307.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 接地線應(yīng)盡量加粗原

15、則接地線越細，其阻抗越高，接地電位隨電流的變化越大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的抗干擾能力下降317.1.3 硬件抗干擾措施BUPT Information Theory & Technology Center 7.1.4 軟件抗干擾措施軟件抗干擾技術(shù)數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)中值法算術(shù)平均法加權(quán)平均濾波法程序正常運行技術(shù)掉電保護軟件陷阱和指令冗余使用看門狗處理程序跑飛重要數(shù)據(jù)進行備份32BUPT Information Theory & Technology Center 33BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 采樣數(shù)據(jù)的標度變換 采樣數(shù)據(jù)

16、的數(shù)字濾波 采樣數(shù)據(jù)剔除奇異項 采樣數(shù)據(jù)趨勢項去除和提取 采樣數(shù)據(jù)的平滑處理34BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 1、標度變換 各種物理量有不同的單位和數(shù)值 例如：壓力的單位為Pa，溫度的單位為oC 物理量經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后變成一系列無單位的數(shù)字量 直接把AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量顯示在屏幕上，操作者不好理解35BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 1、標度變換 將無單位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成有單位的物理量（1）線性參數(shù)的標度變換若被測物理量與傳感器或儀器輸出

17、呈線性關(guān)系360000()uuYYYYXNNN Y0：被測量量程的下限； Yu：被測量量程的上限； Y：標度變換后的數(shù)值； N0：Y0對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量； Nu：Yu對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量； X：Y 所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 1、標度變換 將無單位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成有單位的物理量（1）線性參數(shù)的標度變換37若Yu100，Y0=50，Nu255，N0=51，X153，則有 Y 501005025551(15351) 75BUPT Information Theory & T

18、echnology Center （2）非線性參數(shù)的標度變換 當(dāng)被測物理量與傳感器或儀器的輸出關(guān)系為非線性關(guān)系時，需要采用非線性變換。 公式變換法 多項式變換法 表格法387.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center （2）非線性參數(shù)的標度變換 公式變換法：如果傳感器或變送器的輸出信號與被測信號之間的關(guān)系可以用解析式表達，則可以通過解析式來推導(dǎo)出所需要的參量 在流量監(jiān)測中，變送器的輸出信號P與實際流量Q有以下關(guān)系 則標度變換公式為397.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 QKDP0000mmKXKNYQQQKNKNBUPT Informatio

19、n Theory & Technology Center （2）非線性參數(shù)的標度變換 多項式變換法：找到一個能夠較準確地反映傳感器輸出信號與被測量之間關(guān)系的多項式 被測量與傳感器的輸出值x的關(guān)系式為 需要確定多項式系數(shù)：最小二乘法、代數(shù)插值法 407.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）非線性參數(shù)的標度變換 多項式變換法41溫度 t(oC) 阻值 R(k) 溫度 t(oC) 阻值 R(k) 溫度 t(oC) 阻值 R(k) 10 8.0000 21 6.5574 31 5.6337 11 7.84

20、31 22 6.4516 32 5.5554 12 7.6923 23 6.3491 33 5.4793 13 7.5471 24 6.2500 34 5.4053 14 7.4074 25 6.1538 35 5.3332 15 7.2727 26 6.0606 36 5.2630 16 7.1428 27 5.9701 37 5.1946 17 7.0174 28 5.8823 38 5.1281 18 6.8965 29 5.7970 39 5.0631 19 6.7796 30 5.7142 40 5.0000 20 6.6670 BUPT Information Theory & T

21、echnology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）非線性參數(shù)的標度變換 多項式變換法 采用三階多項式 取t=10, 17, 27, 39這四個點作為插值點，得到 解得42 P3(x) a3x3a2x2a1x1a0 a38.0003a28.0002a18.0001a010 a37.01743a27.01742a17.01741a017 a35.97013a25.97012a15.97011a0 27 a35.06313a25.06312a15.06311a0 39 a3 0.2346989,a2 6.120273a1 59.280430,a0 212.7118BUPT Informa

22、tion Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）非線性參數(shù)的標度變換 多項式變換法 得到變換多項式為將采樣得到的電阻值代入上式，即可求出被測溫度t43 P3(R) 0.2346989R36.120273R259.280430R1212.7118注意：在函數(shù)曲線上曲率比較大的地方應(yīng)適當(dāng)加密插值點，以此提高精度BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）非線性參數(shù)的標度變換 表格法 在已知的被測量和傳感器輸出關(guān)系曲線上，選取若干個樣點，并以表格形式存儲在計算機中。 對每一個需要做標度

23、變換的數(shù)據(jù)y分別查表一次，找到數(shù)據(jù)y所在的區(qū)間，然后采用該區(qū)間的線性插值公式 44線性插值公式 yyiki(xxi)kiyi1yixi1xiBUPT Information Theory & Technology Center 2、數(shù)字濾波 工業(yè)生產(chǎn)和實驗現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾源較多。為減少對采樣數(shù)據(jù)的干擾，提高系統(tǒng)性能，一般在進行數(shù)據(jù)處理之前，先要對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波 數(shù)字濾波：用計算機程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進行計算處理，減少干擾信號在有用信號中所占的比例。 優(yōu)點：457.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理用程序?qū)崿F(xiàn)，不需硬件可靠性高，穩(wěn)定性好容易更換濾波方法BUPT Information Theory & Tec

24、hnology Center 2、數(shù)字濾波方法 中值濾波法 算術(shù)平均值濾波法 加權(quán)平均濾波法 一階滯后濾波法（慣性濾波法） 防脈沖干擾復(fù)合濾波法467.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 2、數(shù)字濾波方法 中值濾波法 連續(xù)采樣n次，從小到大排序，取中值作為本次采樣值 不適用于快速變化的過程參數(shù)477.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 2、數(shù)字濾波方法 算術(shù)平均值濾波法 尋找一個Y作為N次采樣的平均值，使該值與本次各采樣值間誤差的平方和最小。 應(yīng)用場合：信

25、號在某一數(shù)值（平均值）范圍上下波動，如壓力、流量等，做平滑處理 N變大，平滑度變高，但靈敏度變低 N變小，平滑度變低，但靈敏度變高487.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 2、數(shù)字濾波方法 加權(quán)平均濾波法 優(yōu)點：對不同采樣時間得到的采樣值分別給予不同的權(quán)系數(shù)，以便能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴重程度 缺點：計算量大，降低了系統(tǒng)的處理速度497.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 2、數(shù)字濾波方法 一階滯后濾波法（慣性濾波法） 模擬

26、量輸入通道中，常用一階RC濾波器消弱干擾。但測量回路中通常伴隨著電源干擾及工業(yè)干擾，這些干擾頻率很低，大時間常數(shù)和高精度的RC網(wǎng)絡(luò)不易制作。 慣性濾波法：以數(shù)字形式實現(xiàn)低通濾波的動態(tài)濾波方法，可以克服上述缺點50BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 2、數(shù)字濾波方法 一階滯后濾波法（慣性濾波法）51應(yīng)用場合：低頻信號，波動頻繁的信號缺點：引入相位滯后的問題，滯后值與大小有關(guān)BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 2、數(shù)字濾波方法 防脈沖干擾復(fù)合濾波法

27、 解決算術(shù)平均值法和中值濾波法的缺陷 算術(shù)平均值法：無法消除脈沖干擾，引起采樣偏差 中值濾波法：采樣點的限制，使其應(yīng)用范圍縮小 方法：先中值濾波消除由于脈沖干擾而有偏差的采樣值，再對濾波后的采樣值做算術(shù)平均。52BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 2、數(shù)字濾波方法 防脈沖干擾復(fù)合濾波法 若 則 當(dāng)采樣點數(shù)為3時，變?yōu)橹兄禐V波法。53BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項 奇異項：采樣數(shù)據(jù)中有明顯錯誤的個別數(shù)據(jù) 剔除方法：

28、54一階差分法多項式逼近法最小二乘法BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項 一階差分法 預(yù)測值的確定 誤差限W的確定：采樣速率、物理量變化特性等55奇異項的判斷準則：給定誤差限W，若t時刻的采樣值為 ，預(yù)測值為 ，當(dāng) 時，則 為奇異項，應(yīng)剔除，并以預(yù)測值 來取代采樣值 。 xt xt | xtxt|W xt xt xt xtxt1(xt1xt2)BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項 一階差分法

29、在實際測量中，常會發(fā)生連續(xù)兩個以上的點均為干擾的點，會造成所選的 本身就不是正確值，從而所得到的預(yù)測值 也是錯誤的。 此時 ，并不能表明 是奇異項 判斷準則56 xt1,xt2 W| xtxt|W xtBUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項 一階差分法 在實際應(yīng)用中存在一種可能，起始點恰恰是被干擾產(chǎn)生的奇異點。此時需要一開始就去尋找滿足一階差分預(yù)測關(guān)系的三個連續(xù)點，即滿足下式 這時找到的三個點 ，可以作為正確的起始點。57 |xtxt1(xt1xt2)|W xt2,xt1,xtBUPT Info

30、rmation Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項 一階差分法 例子：一采集系統(tǒng)采集到9個點， （1）起始點的確定 將 代入，不滿足 將 代入，滿足 則 為所要的起始點58 |xtxt1(xt1xt2)|W x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9 x1,x2,x3 x4,x5,x6 x4,x5,x6BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3、剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項 一階差分法 （2）確定完起始點后，分別往x1和xn方向剔除干擾點59BUPT

31、 Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 4、去除或提取采樣數(shù)據(jù)的趨勢項 等待處理的數(shù)據(jù)中，通常包含兩種分量 趨勢項：周期大于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分 交變分量：周期小于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分 在許多應(yīng)用場合，只對交變分量感興趣。通過去除或提取趨勢項，能夠消除數(shù)據(jù)處理中有可能出現(xiàn)的畸變。 去除或提取趨勢項的方法 平均斜率法 最小二乘法60BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 4、去除或提取采樣數(shù)據(jù)的趨勢項 最小二乘法：尋找一個函數(shù) ，使該函數(shù)與 的誤差平方和最小

32、，即用 去逼近或擬合 一般 可以用一個多項式去表示 例如：設(shè)采集到一個數(shù)據(jù)序列，它是由一個直線斜升分量和一個正弦分量疊加而成。通過上述程序處理，就可以把直線斜升分量提取出來。61 x(t) x(t) x(t) x(t) x(t)BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 5、采樣數(shù)據(jù)的平滑處理 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)往往疊加噪聲 周期性的：典型代表為50Hz的工頻干擾 不規(guī)則的：代表為隨機信號 離散數(shù)據(jù)繪成的曲線呈現(xiàn)折線形狀，很不光滑，即高頻成分豐富 為消弱干擾影響，提高曲線光滑度，需要進行平滑處理 原則：既要消弱干擾成分，

33、又要保持原有曲線的變化特性 常用方法：平均法、五點三次平滑法、樣條函數(shù)法62BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 5、采樣數(shù)據(jù)的平滑處理 平均法 簡單平均法：求算術(shù)平均 加權(quán)平均法63BUPT Information Theory & Technology Center 7.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 5、采樣數(shù)據(jù)的平滑處理 平均法 直線滑動平均法 例如三點滑動平均64第一點結(jié)束點其他點 ym16ym22ym15ym()BUPT Information Theory & Technology Center 數(shù)據(jù)二次處理 典型的操

34、作包括：65積分微分卷積相關(guān)分析門限檢測尖峰捕獲數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)插值傅里葉變換7.2.2 數(shù)據(jù)二次處理BUPT Information Theory & Technology Center 66BUPT Information Theory & Technology Center 數(shù)據(jù)存儲的需求n數(shù)據(jù)存儲概念n 數(shù)據(jù)存儲是針對所采集的數(shù)據(jù)進行科學(xué)有序的存放、保管，以便有效使用的過程。n 三層含義:n 將所采集的數(shù)據(jù)，按照一定規(guī)則，記錄在相應(yīng)的載體上；n 將這些數(shù)據(jù)載體，按照一定的特征和內(nèi)容性質(zhì)組成系統(tǒng)有序的、可供自己或他人檢索的集合體；n 應(yīng)用計算機等先進的技術(shù)和手段，提高數(shù)據(jù)存儲的效率和利用水平

35、。67BUPT Information Theory & Technology Center 68 存儲器分類存儲器分類 按存取方式分類： 隨機存儲器RAM（Random access memory） 只讀存儲器ROM（read-only memory） 串行訪問存儲器BUPT Information Theory & Technology Center 69 存儲器分類存儲器分類 RAM 存儲器中任何存儲單元的內(nèi)容都能隨機存取，且存取時間和存儲單元的物理位置無關(guān) 分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM：靜態(tài)RAM（Static random access memory）：以觸發(fā)器原理寄存信息主要應(yīng)用于需

36、要緩存比較小，但需要快速訪問的系統(tǒng)訪問速度快，無需刷新，成本高動態(tài)RAM（Dynamic random access memory）以電容充放電原理寄存信息主要應(yīng)用于對功耗要求不太高、系統(tǒng)緩存要求容量比較大、速度要求比較快的系統(tǒng)BUPT Information Theory & Technology Center 存儲器分類l目前，動態(tài)RAM比靜態(tài)RAM要廣泛得多，其原因是 在同樣大小的芯片中，動態(tài)RAM的集成度遠遠高于靜態(tài)RAM 動態(tài)RAM的功耗僅為靜態(tài)RAM的1/6 動態(tài)RAM的行列地址按先后順序輸送，減少了芯片引腳，封裝尺寸也減少了 動態(tài)RAM的價格僅為靜態(tài)RAM的1/4l動態(tài)RAM也有

37、缺點 由于使用動態(tài)元件（電容），因此它的速度比靜態(tài)RAM低 動態(tài)RAM需要再生，要配置再生電路，消耗一部分功率70BUPT Information Theory & Technology Center 存儲器分類71BUPT Information Theory & Technology Center 72 存儲器分類存儲器分類 ROM 只能對其存儲的內(nèi)容讀出，而不能對其重新寫入的存儲器 包括MROM：Masked ROM，掩模型ROM，采用掩模工藝，將原始信息記錄在芯片中，一旦制成就無法更改PROM：Programmable ROM，可編程ROMEPROM：可擦除可編程ROMEEPROM：電

38、可擦除可編程ROMFlash Memory：快擦型存儲器 速度慢，有一定的讀寫次數(shù)一般用在系統(tǒng)里面保存程序和數(shù)據(jù)用BUPT Information Theory & Technology Center 存儲器分類 Flash Memory 和通過紫外光線照射進行擦除的EPROM及通過特定字節(jié)進行擦除的EEPROM不同，閃存可以按塊進行擦除和重寫 在EPROM和EEPROM工藝基礎(chǔ)上產(chǎn)生 性能價格比更好、可靠性更高的可擦寫非易失性存儲器 具備了RAM的功能，具有高速編程的特點，以及高速的存儲器訪問周期，功耗很低，與計算機接口簡單等優(yōu)點 閃存在經(jīng)過10000次左右的擦除后，將失去存儲能力，而磁盤可

39、以用上好幾年，不管擦寫的頻率有多高73BUPT Information Theory & Technology Center 存儲器分類 Flash Memory FALSH存儲元是在EPROM存儲元基礎(chǔ)上發(fā)展起來 FLASH存儲器也翻譯成閃速存儲器，它是高密度非失易失性的讀/寫存儲器。高密度意味著它具有巨大比特數(shù)目的存儲容量 非易失性意味著存放的數(shù)據(jù)在沒有電源的情況下可以長期保存 它既有RAM的優(yōu)點，又有ROM的優(yōu)點，稱得上是存儲技術(shù)劃時代的進展 74BUPT Information Theory & Technology Center 75 存儲器分類存儲器分類 串行訪問存儲器 對存儲單元

40、進行讀寫操作時，需按其物理位置的先后順序?qū)ふ业刂?。也稱順序存取存儲器 如磁帶、磁盤BUPT Information Theory & Technology Center 76 存儲器分類存儲器分類 按在計算機中的作用分類 主存儲器：和CPU直接交換信息 輔助存儲器：主存的后援存儲器 主存速度快、容量小，價格高 輔存速度慢、容量大，價格低 緩沖存儲器：用于兩個速度不同的部件之間，起緩沖作用BUPT Information Theory & Technology Center 存儲器分類77BUPT Information Theory & Technology Center 78 存儲器分類存儲

41、器分類 按信息的可保存性分類 易失性存儲器 斷電后信息消失 SRAM，DRAM 非易失性存儲器 斷電后仍能保存信息 磁存儲器、激光存儲器等BUPT Information Theory & Technology Center 79 存儲器分類存儲器分類存儲器主存儲器 RAMROM靜態(tài)RAM動態(tài)RAM掩模式MROM可編程式PROM可擦寫式EPROM電擦寫式EEPROMFlash Memory高速緩沖存儲器（Cache） 輔助存儲器 磁盤、磁帶、光盤BUPT Information Theory & Technology Center 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 衡量存儲器有三個指標：容量,速度和價格/位

42、。 用單一的存儲器很難同時滿足三個指標。 因為存取時間越短，每位的價格就越高； 容量越大，每位的價格就越低； 容量越大，存取時間就越長。 這必須用存儲系統(tǒng)來實現(xiàn)。 存儲系統(tǒng)不是硬件的簡單堆積，是硬件與軟件相結(jié)合的方法連接起來成為一個系統(tǒng)。 這個系統(tǒng)對應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近速度最快的那個存儲器，存儲器容量與容量最大的那個存儲器相等或接近，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。80BUPT Information Theory & Technology Center 1) 由由多種不同的存儲器構(gòu)成多種不同的存儲器構(gòu)成2) 由硬件、軟件或者硬件由硬件

43、、軟件或者硬件+軟件相結(jié)合完成程序定位，使軟件相結(jié)合完成程序定位，使之成為一個整體。之成為一個整體。CPUM1M2Mn存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)價格價格Ci Ci+1速度速度Ti Ti+1 容量容量Si Si+1CCnTT1 SSn存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)81BUPT Information Theory & Technology Center 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)82BUPT Information Theory & Technology Center 83BUPT Information Theory & Technology Center 84BUPT Information Theor

44、y & Technology Center 85BUPT Information Theory & Technology Center 直接連接存儲模式存在諸多p存儲設(shè)備存儲設(shè)備只能與一臺服務(wù)器直接連接，只由這只能與一臺服務(wù)器直接連接，只由這臺服務(wù)器使用。臺服務(wù)器使用。p用戶要備份數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)，都要占用服務(wù)器用戶要備份數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)，都要占用服務(wù)器CPU的時間，從而降低了服務(wù)器的管理效能。的時間，從而降低了服務(wù)器的管理效能。p隨著服務(wù)器的增多，數(shù)據(jù)管理會越來越復(fù)雜，隨著服務(wù)器的增多，數(shù)據(jù)管理會越來越復(fù)雜，工作量不斷增加。工作量不斷增加。p如果增加存儲設(shè)備，擴展存儲容量，需要對服如果增加存儲設(shè)

45、備，擴展存儲容量，需要對服務(wù)器進行重新配置，這樣做容易中斷業(yè)務(wù)連續(xù)務(wù)器進行重新配置，這樣做容易中斷業(yè)務(wù)連續(xù)性，造成數(shù)據(jù)丟失。性，造成數(shù)據(jù)丟失。86BUPT Information Theory & Technology Center ApplicationServer 1diskdiskApplicationServer 2diskdiskApplicationServer 3diskdisk87BUPT Information Theory & Technology Center n自二十世紀末開始，存儲技術(shù)的發(fā)展進入 “存儲網(wǎng)絡(luò)”(Storage Network)時代。它將存儲設(shè)備從應(yīng)用服

46、務(wù)器中分離出來，進行集中管理。存儲網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：88BUPT Information Theory & Technology Center 89BUPT Information Theory & Technology Center 云存儲 網(wǎng)絡(luò)存儲與云計算相結(jié)合，構(gòu)成了云存儲技術(shù)。 將網(wǎng)絡(luò)中大量的各種不同類型的存儲設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能的服務(wù)系統(tǒng) 當(dāng)云計算系統(tǒng)運算和處理的核心是大量數(shù)據(jù)的存儲和管理時，云計算系統(tǒng)中需要配置大量的存儲設(shè)備，則云計算系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€云存儲系統(tǒng) 云存儲：保證數(shù)據(jù)的安全性，節(jié)約存儲空間90BUPT Information

47、 Theory & Technology Center 91BUPT Information Theory & Technology Center 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 數(shù)據(jù)采集中的傳輸技術(shù)包括兩大部分： 本地數(shù)據(jù)傳輸：接口、總線等。 遠程數(shù)據(jù)傳輸：通信技術(shù)。 通信技術(shù) 傳輸網(wǎng) SDH同步數(shù)字傳輸體制 交換網(wǎng) IP 接入網(wǎng) 種類繁多92BUPT Information Theory & Technology Center 有線接入技術(shù) 光纖 PON無源光網(wǎng)絡(luò)接入 五類纜、超五類纜 IEEE 802.3系列標準 同軸電纜 Cable Modem 雙絞線 xDSL 電力線93BUPT Informatio

48、n Theory & Technology Center 無線接入技術(shù) 蜂窩移動通信系統(tǒng) GSM/GPRS/EDGE CDMA 1X/CDMA2000/WCDMA/HSPA TD-SCDMA/HSPA/LTE/LTE-A 無線局域網(wǎng) IEEE 802.11系列標準 短距離無線通信 Zigbee 藍牙 UWB94BUPT Information Theory & Technology Center 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 針對供電不變、單個節(jié)點采集速度較低、節(jié)點數(shù)非常多的應(yīng)用場景； 每個傳感器節(jié)點直接帶有微控制器和通信節(jié)點； 能夠互為路由，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚； 節(jié)能是考慮的重點。 PHY/MAC以IEEE

49、 802.15.4為主； 網(wǎng)絡(luò)層以Zigbee聯(lián)盟定義的標準為主；95BUPT Information Theory & Technology Center WSN特點和結(jié)構(gòu) 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)模塊無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)模塊 96BUPT Information Theory & Technology Center WSNWSN兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)：兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)： WSN通信體系平面結(jié)構(gòu)通信體系平面結(jié)構(gòu) 1 1，平面拓撲結(jié)構(gòu)，平面拓撲結(jié)構(gòu): :所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于相同的平等地位所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于相同的平等地位, ,不存不存在任何的等級和層次差異在任何的等級和層次差異, ,所以也被稱為對等式結(jié)構(gòu)。所以也被稱為

50、對等式結(jié)構(gòu)。 WSN特點和結(jié)構(gòu)97BUPT Information Theory & Technology Center WSN特點和結(jié)構(gòu) WSN的的邏輯分層結(jié)構(gòu)邏輯分層結(jié)構(gòu) 2 2，邏輯分層結(jié)構(gòu)，邏輯分層結(jié)構(gòu): :網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按照某種規(guī)則絡(luò)節(jié)點按照某種規(guī)則（如地理位置、應(yīng)用（如地理位置、應(yīng)用需求）分成各個簇，需求）分成各個簇，每個簇由簇頭和成員每個簇由簇頭和成員節(jié)點構(gòu)成。節(jié)點構(gòu)成。 98BUPT Information Theory & Technology Center WSN關(guān)鍵技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù) 內(nèi)容：滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和節(jié)點選擇，生成高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。 目的：網(wǎng)絡(luò)拓撲控制能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議效率,有利于節(jié)省節(jié)點的能量以延長網(wǎng)絡(luò)生存期。 熱點：通過激活選定的節(jié)點集合，以能量有效的