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第5章 常用应用程序设计 本章以51单片机为基础，主要介绍结构化汇编语言的监控程序设计思想和实时测控系统中最常用的数字滤波技术、标度变换、插值算法以及报警程序设计等。 程序与程序设计的概念 使用计算机求解某些问题或完成某一特定功能，就要先对问题或特定功能进行分析，确定形成的算法和步骤，然后选择相应的指令，按一定顺序排列起来，这样就构成了求解某一问题或实现特定功能的程序。通常把这一编制程序的工作称为程序设计。 常用程序设计语言有汇编语言、C语言等。 5.1 软件程序设计思想 5.2 数字滤波技术 数字滤波就是通过一定的计算程序，对测量信号(采样数据)进行平滑加工，提高其有用信号，消除或减少各种干扰和噪音，以保证计算机控制系统的可靠性。 主要掌握内容： ① 方法 ② 优缺点 ③ 使用场合 常用数字滤波器 5.2.1 中值滤波 5.2.2 程序判断滤波 5.2.3 平均值滤波 5.2.4 一阶滞后滤波 5.2.1 中值滤波 5.2.2 程序判断滤波 5.2.3 平均值滤波 1.算术平均值滤波 2.加权平均值滤波 3.滑动平均值滤波 2.加权平均值滤波 算术平均滤波和去极值平均滤波都存在平滑性和灵敏度的矛盾。 采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用加权平均滤波。加权平均滤波是对每次采样值以不同的权系数，以增加新采样值的权重。 3.滑动平均值滤波 特点：每计算一次有效采样值必须连续进行N次采样。滑动平均滤波是在每个采样周期只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，所得结果即为当前有效采样值。 具体作法：可用循环队列结构方式来实现数据的存放。比如取N个采样值求滑动平均，只要在RAM中开辟N个数据暂存区，每次新采集一个数据便存入暂存区的队尾，同时冲掉队首的一个数据，这样在存储器队列中始终保持有N个最新的数据。再求包括新数据在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。 5.2.4 一阶滞后滤波 A、优点：??????? 对周期性干扰具有良好的抑制作用??????? 适用于波动频率较高的场合B、缺点：??????? 相位滞后，灵敏度低??????? 滞后程度取决于a值大小???? 优点：兼有了中值滤波和算术平均值滤波的优点。 缺点：执行时间较长。 5.2.6 各种数字滤波性能的比较 1．滤波效果 一般来说，对于变化比较慢的参数(如温度)，可选用程序判断滤波及一阶滞后滤波方法。对那些变化比较快的脉冲参数(如压力、流量等)，则可选择算术平均和加权平均滤波法。至于要求比较高的系统，可采用多重手段相结合的复合滤波法。 5.2.6 各种数字滤波性能的比较 2．滤波时间 在考虑滤波效果的前提下，应尽量采用执行时间比较短的程序，若计算机计算时间允许，可采用效果更好的复合滤波程序。 注意事项：在实际应用中，究竟采用哪一种数字滤波，都应视具体情况而定。 如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波或限幅滤波，然后再用平均值滤波法。 数字滤波应用得不恰当，非但达不到滤波效果还会降低控制品质。 5.3.1 线性参数的标度变换 5.4.1 线性插值算法 对于可以用解析式明确表达的非线性函数关系，可借助高级语言程序完成线性化处理。 或用高级语言完成离线计算，将结果存在数据表中，通过查表的方式完成线性化处理。 本节主要讲线性插值原理进行线性化处理。 线性插值原理 某传感器的输入输出特性如下图： 将该非线性关系的曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻分段点用直线连接起来。用直线代替相应曲线。由此可求出输入 x 对于的输出 y 设x在[xi，xi+1]区间内，则对应的逼近式为： 5.4.2 二次抛物线插值算法 5.4.2 二次抛物线插值算法 5.6.1 步进电机控制程序设计 5.6.2 直流电机控制程序设计 思考与练习题 1. 简述常用的数字滤波方法有几种？它们有什么优缺点？ 2. 数字滤波与模拟滤波相比有什么优点？ 6. 某温度测量仪表的量程为100-900℃，利用89S52单片机和ADC0809进行AD转换。在某一时刻计算机采样并经过数字滤波后的数字量为0CDH，求此时对应的温度值是多少？(设仪表的量程是线性的)。 5.3 标度变换 设被测参数与A/D转换后的数字量之间呈线性关系，则标度变换公式为： 如果被测参数的起点A0所对应的A/D转换值为0，即 N0=0，则上述标度变换公式可简化为： 非线性标度变换应根据具体情况具体分析，一般采用查表法。 例: 某加热炉温度测量元件的量程为100～500℃，系统的A/D转换器为8位。若某一时刻温度测量元件送出的信号经A/D转换器转换后的数字量为80H，求此时的