专利名称：一种数据采集装置的参数拟合方法
技术领域：
本发明涉及测量、测试技术领域，特别是涉及一种数据采集装置的参数拟合方法。
背景技术：
在测量和测试技术领域中，所谓的数据采集装置，是指从被测目标中自动采集并测量数据信息的一种装置。在有些情况下，数据采集装置不能直接采集某些物理量(如温度、压强等)，而是需要将数据采集装置与外部的信号转换器相连，组成一个数据采集系统。信号转换器采集所述物理量，并将该物理量转化为数据采集装置可以测量的电信号，之后，将所述电信号接入至数据采集装置，然后，数据采集装置采集信号转换器输出的电信号，对所述电信号做进一步处理后，就可以测量到诸如温度、电阻、频率、周期、压力、压强等各种类型的物理量。所述信号转换器可以是温度传感器、压力传感器等各种传感器。如图1所示，为一种数据采集系统的结构示意图，所述数据采集系统包括:数据采集装置100、�？榭�200和信号转换器300。所述数据采集装置100包括:主控单元101和背板单元102，所述背板单元102具有用于插入�？榭�200的插槽，所述数据采集装置100的背板单元102上可以插入各种类型的�？榭�200。�？榭�200简称为�？椋渫ǔ０ㄍǖ揽�201和数据采集卡202两种，此外，还包括其它类型的�？榭ǎ缒Ｄ馐中藕抛豢�、示波器卡、多功能卡等，它们可以单独控制，不需要或者不能与数据采集卡202联合使用。所述通道卡201可以是MUX卡(也称开关卡)、矩阵卡等其它类型的卡。每一个通道卡201的内部包含由继电器开关构成得多个通道，被测信号通过外部接线接入通道卡201中的各个通道中，主控单元101通过向通道卡201发送控制命令，控制开关的闭合状态，从而将对应通道上接入的被测信号引入至万用表卡202中。数据采集卡202又称测量卡，它可以是电压表卡、电流表卡、万用表卡、示波器卡、频率计卡等各种类型的单一卡；也可以是包括上述各种单一卡的集成卡，集成有多种测量功能。所述数据采集卡202用于测量通过各种类型的通道卡201连接进来的被测信号，主控单元101通过向数据采集卡202发送控制命令，控制数据采集卡202接收来自不同通道的电信号，进行数据采集。当通道卡201的接入端连接上信号转换器时，所述的装置就可以实现多种物理量的测量，例如，连接热电偶等温度传感器可以实现温度测量，连接压力传感器可以实现压力测量等。主控单元101是一个控制整个系统工作的单元，它通过背板单元102与�？榭�200相连接。主控单元101通过协调多个�？榭�200完成输入信号(即被测信号)的切换和数据米集操作。背板单元102具备有多个插槽，用于插入不同的�？榭�200，它起连接主控单元101和�？榭�200的“桥梁”作用，通过背板单元102上的模拟总线，可以将各个通道中的被测信号输入至数据采集卡202中；通过背板单元102上的通信总线，主控单元101可以向通道卡201和数据采集卡202发送控制命令以及接收数据采集卡202测量的电信号。另外，主控单元101和各个�？榭�200的供电也是通过背板单元102上的电源电路提供的。需要说明的是，主控单元101的供电电路也可以是在其所在的主板上。在进行数据采集之前，信号转换器300先将被测物理量转换为数据采集装置100可以测量的电信号，并接入到通道卡201的某一个通道的输入端，图1所示的信号转换器300与通道卡I相连，实际应用中，信号转换器300可以与任意一个通道卡的任意一个通道相连接。在进行数据采集时，数据采集装置100的主控单元101通过通信总线，发送控制命令到通道卡201 ;通道卡201根据控制命令接通相应的一个通道，通过该通道将所述电信号输入到模拟总线上；然后主控单元101通过通信总线，发送控制命令到数据采集卡202，数据采集卡202根据该控制命令对模拟总线上的电信号进行测量，获得测量数据；测量完成后数据采集卡202通过通信总线将测量数据返回给主控单元101，至此，完成了所述通道上的数据采集过程。通常，用于在工业现场采集被测物理量的信号转换器通常都是非线性的、非精确的，即将被测物理量转换为电信号的过程是非线性的、非精确的。数据采集装置100上的数据采集卡202采集电信号后获得测量数据，然后，还会根据该装置的工作场合和工作条件采用一种或多种方法，将采集到的非线性的、不精确的测量数据通过简单的线性运算方法将其修正成为精确的、线性化的测量结果。例如，申请号为CN03232661.0的中国专利《一种测量�？榈淖远Ｗ甲爸谩罚艘恢掷孟咝阅夂虾齳 = kx+b，将测量数据(电压)修正成为测量结果(温度)的拟合方法。该专利提到的方法只针对某一个特殊领域和用途，并且实现方式固化在存储器中(即，测量数据修正成为测量结果采用的转换函数的系数为常数，并且固定存储在非易失存储器中，不可改变)，供处理器执行，以完成对某种特定测量结果的校准和换算，不能做到对任意类型的非线性信号转换器进行准确测量。由于物理世界是变化多端的，不可能仅用一种通用的方法来满足所有的信号形式的转换，某一种系数形式和变换方法，只可能满足某一种或一类的信号转换器，如果用户使用了其它类型的信号转换器，就不能采用上述方法实施。也就是说，在很多情况下，数据采集装置采集到的测量数据和对应的测量结果之间，不能简单的使用某一固定的、线性的转换函数来描述它们之间的关系。针对上述问题，市场上出现了一款数据采集装置，该装置提供传感器转换功能(即，可以对传感器输出电信号进行测量)，通过采集电信号获得测量数据，测量数据和对应的测量结果之间，可以使用非线性转换函数(也称拟合函数)进行转换，且针对不同的被测物理量，转换函数的系数可变。但是，该装置仅提供点对点的设置，内部系统根据设置的转换关系，计算拟合曲线进行拟合。以某非标准热电偶温度传感器为例，其实施方法如下:1.用户需要先根据自身使用的任意传感器进行标准测定，在所述传感器的工作范围内选取I 200个有代表性的温度点，之后记录下该传感器在对每个温度点测量时稳定工作所输出的电压信号。假如用户测定了 200个温度点对应的电压值，然后需要将这200组数据对(温度一电压)输入到DM3064的任意传感器设置列表中。2.该数据采集装置的内部系统会根据这些输入的数据对，以电压作为X，温度作为Y，拟合出一条可以用Y = AX2+BX+C表示的二次曲线函数，其中A、B、C是根据输入的200组数据对的值进行二次拟合算法得到的3个常量拟合系数。3.在进行温度测量时，将采集到的电压测量数据作为X带入上述公式，得到结果Y就是计算出的温度测量结果，用于显示和存储。
从上述步骤可以看出，当用户输入到该数据采集装置内的参考点(数据对)越多，二次曲线拟合结果就越精确，转换结果也就更准确。但是，参考点过多的话用户的输入比较费时费力。并且，该数据采集装置的内部使用的是嵌入式处理器，它处理数据的能力和进行二次曲线拟合算法的能力有限，远不及PC的能力，所以拟合结果的偏差对实际测量输出的影响也比较大，很难得到精确的测量结果。总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是:如何能够使数据采集装置的测量结果更加精确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种数据采集装置的参数拟合方法，能够提高测量结果的精确性。为了解决上述问题，本发明公开了一种数据采集装置的参数拟合方法，用于数据采集装置采集测量数据，所述方法包括步骤:Al，针对所述测量数据的总取值范围分段设置拟合参数，并对应获得所述测量数据的多个分段取值范围；A2，获取一个测量数据；A3，依据所述测量数据所在的分段取值范围对应的拟合参数，对所述测量数据进行修正，获得测量结果。采用本发明提出的方法，用户可以充分根据信号转换器的特性，针对各种应用和现场条件对拟合参数进行灵活的设置，即在测量数据的某一分段取值范围上，独立设置用于曲线拟合的拟合参数，独立采用一种曲线拟合函数进行拟合运算，以更加逼近实际测量结果。独立设置是指在不同的分段上对应有不同的拟合系数，该拟合系数与该分段的拟合函数最为匹配，因此，通过最匹配的拟合系数修正得到的测量结果，提高了测量的准确性。优选的，所述步骤Al包括步骤:A11，通过设置多个端点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。优选的，所述步骤All包括:通过设置多个起点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。优选的，所述步骤All包括:通过设置多个终点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。优选的，所述步骤Al还包括步骤:A12，对每个所述分段取值范围，设置一组用于曲线拟合的拟合系数。优选的，所述步骤A3包括步骤:A31，当所述测量数据大于等于当前分段取值范围的起点值，且小于相邻下一个分段取值范围的起点值时，获取与当前分段取值范围对应的拟合参数；A32，依据所述拟合参数对所述测量数据进行修正，获得测量结果。优选的，所述步骤A3包括步骤:A33，当所述测量数据小于等于当前分段取值范围的终点值，且大于相邻上一个分段取值范围的终点值时，获取与当前分段取值范围对应的拟合参数；A34，依据所述拟合参数对所述测量数据进行修正，获得测量结果。
优选的，所述步骤A2包括:采集一个电信号，对所述电信号进行模拟到数字的转换后，得到一个测量数据。优选的，所述步骤A2包括:采集一个电信号，对所述电信号进行模拟到数字的转换后，得到数字电信号；对所述数字电信号进行校准，得到一个测量数据。数据采集装置采集到一个电信号后，由模拟到数字的转换过程中，可能会出现转换误差，则在转换得到数字电信号后，通过对数字电信号进行校准得到测量数据，可以消除模数转换中带来的误差，提高测量的准确性。
图1是一种数据采集系统的结构示意图；图2是本发明一种数据采集装置的参数拟合方法实施例的流程图；图3是数据采集卡的输出电压和对应的实际温度的关系示意图；图4是根据分段拟合结果得到的二次曲线的示意图；图5是一组拟合参数的配置界面示意图；图6是拟合参数的设置完成后的界面示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。参照图2，示出了本发明一种数据采集装置的参数拟合方法实施例的流程图，结合图1，本实施例提出的参数拟合方法用于数据采集装置100采集测量数据，所述方法包括步骤20，其具体包括如下步骤:步骤21，针对所述测量数据的总取值范围分段设置拟合参数，并对应获得所述测量数据的多个分段取值范围；数据采集装置100通常会具备一个量程，所述量程规定了数据采集装置100可以获取到的测量数据的总取值范围。在本步骤中，需要对所述测量数据的总取值范围进行分段，对不同的分段设置不同的拟合参数。例如，用户可以利用数据采集装置前端面板上的实体按键、或者利用显示界面上的虚拟键盘，输入相应的数字，实现拟合参数的设置。在设置拟合参数的同时，还可以在数据采集装置100上的显示界面(如LED显示屏)中对用户设置的拟合参数进行显示。进一步，通过输入多组拟合参数，对所述测量数据的总取值范围进行分段，将测量数据的总取值范围划分为多个分段取值范围，其中，每设置一组拟合参数，就能够获得与该组拟合参数相对应的一个分段取值范围。需要说明的是，本发明针对通道卡中的其中一个通道设置相应的拟合参数，也就是说，本发明所述的参数拟合方法，针对的是某一个通道中的数据测量。在设置完一个通道的拟合参数之后，可以利用通讯接口发送命令，通知主控单元101设置已完成。步骤22，获取一个测量数据；作为一个举例说明，本实施例所述的步骤22可以包括:采集一个电信号，对所述电信号进行模拟到数字的转换后，得到一个测量数据。下面，对该举例说明进行具体介绍。在进行实际数据采集时，信号转换器300采集被测物理量，并将被测物理量转化为相应的电信号进行输出，所述电信号为模拟信号。数据采集装置100上的通道卡201与信号转换器200相连，数据采集装置100的主控单元101控制通道卡201开通相应的一个通道，将信号转换器200输出的电信号接入该通道，并通过该通道将电信号输入到背板单元的模拟总线上；数据采集装置100上的数据采集卡202 (也称测量单元)从模拟总线上采集一个电信号，并通过数据采集卡202内部的模数转换器对所述电信号进行模拟到数字的转换，得到测量数据。之后，数据采集卡202还会通过背板单元102中的通信总线将所述测量数据返回给主控单元101，则主控单元101通过所述通信总线获取到所述测量数据。步骤23，依据所述测量数据所在的分段取值范围对应的拟合参数，对所述测量数据进行修正，获得测量结果。主控单元101依据步骤21中所设置的拟合参数、步骤22中所获取的测量数据，获得最终的测量结果。具体的，首先判断所述测量数据的取值在哪一个分段取值范围之内，找出所述测量数据所在的分段取值范围，之后，再依据所找出的分段取值范围获得与之相对应的一组拟合参数，最后，利用相应的拟合参数对测量数据进行修正，得到测量结果。所述拟合参数是用于曲线拟合的参数，通常的，依据拟合函数(也称拟合方程)进行曲线拟合，对所述测量数据进行修正是指:将测量数据、相应的拟合参数带入到拟合函数中，计算得到的函数结果值，就是所述测量数据的修正值，即测量结果。该测量结果可以认为是测量数据所对应的信号转换器实际测量的物理量的值。在本实施例中，获得测量结果之后，还可以在数据采集装置中显示和保存所述测量结果，以供用户观察和分析。作为一个举例说明，本实施例所述的步骤21可以包括:步骤211，通过设置多个端点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。也就是说，所设置的拟合参数包括分段取值范围的端点值，用户可以利用数据采集装置上的实体按键或者虚拟按键，输入每一个分段取值范围的端点值。进一步，依据端点的不同选取方式，对应有不同的分段方法。在本举例说明中，作为一种变形，所述步骤211可以包括:通过设置多个起点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。作为一种示例，在本变形中，假设测量数据的总取值范围为
，设置的多个起点值分别为0、5、10，则依据上述三个起点值对所述测量数据的总取值范围
进行分段，可以获得所述测量数据的三个分段取值范围，依次为
。在本举例说明中，作为另一种变形，所述步骤211可以包括:通过设置多个终点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。作为一种示例，在本变形中，假设测量数据的总取值范围为[10，40]，设置的多个终点值分别为20、30、40，则依据上述三个终点值对所述测量数据的总取值范围[10，40]进行分段，可以获得所述测量数据的三个分段取值范围，依次为[10，20]、(20，30]、(30，40]。作为另一个举例说明，本实施例所述的步骤21还可以包括:步骤212，对每个所述分段取值范围，设置一组用于曲线拟合的拟合系数。也就是说，所设置的拟合参数除了分段取值范围的端点值之外，还包括一组用于曲线拟合的拟合系数。通常依据拟合函数进行曲线拟合，所述曲线拟合可以是二次曲线拟合，也可以是三次曲线拟合，还可以是更高次或者其他形式的曲线拟合。在本举例说明中，作为一种变形，可以依据拟合函数Y = A*X2+B*X+C进行二次曲线拟合，那么，上述拟合函数中的A、B、C就是用于二次曲线拟合的拟合系数。在本举例说明中，作为另一种变形，也可以依据拟合函数y = A*x3+B*x2+cx+D进行三次曲线拟合，那么，上述拟合函数中的A、B、C、D就是用于三次曲线拟合的拟合系数。在本举例说明中，作为又一种变形，还可以依据拟合函数Y = A*Log (X+B) +C*X+D进行曲线拟合，那么，上述拟合函数中的A、B、C、D就是用于所述曲线拟合的拟合系数。在本举例说明中，作为再一种变形，也可以依据拟合函数Y = A*e(BX+c)+D*X2+E*X+F进行曲线拟合，那么，上述拟合函数中的A、B、C、D、E、F就是用于所述曲线拟合的拟合系数。需要说明的是，拟合函数还可能以其他数学运算形式进行表示，此处不再赘述，本发明对拟合函数的表达形式不作限定。可以理解的是，对于步骤211和212，可以先设置各个分段取值范围的端点值，得到多个分段后，再针对各个分段分别设置用于曲线拟合的拟合系数；也可以针对每一个分段，一次性同时设置每一个分段取值范围的端点值及其相应的拟合系数。需要说明的是，在设置拟合参数之前，还可以利用所述数据采集装置100、信号转换器300、计算机等进行数据预处理，以确定拟合参数的具体数值。下面，对所述预处理进行说明:参照图1，首先，将信号转换器300与数据采集装置200上的一个通道卡201相连，利用信号转换器300对已知物理量进行转换，将已知物理量转换得到的电信号输入至通道卡201中。之后，数据采集装置100上的数据采集卡202采集通道卡201中的电信号，所述电信号为模拟电信号。数据米集卡202内部包括一个模数转换器(ADC),可以对所述电信号进行模拟到数字的转换，得到与该已知物理量相对应的测量数据。通过测量多个典型的已知物理量，可以记录下多组数据对(已知物理量一测量数据)。最后，针对所述多组数据对，在计算机上利用专业运算软件，根据所述信号转换器300的实际转换特性分段进行二次曲线拟合逼近，并得到多个二次曲线拟合函数，记录下每个拟合函数适用的范围，每个拟合函数适用的范围之和就是所述测量数据的总取值范围。作为一个举例说明，本实施例所述的预处理可以如下:以某种未知类型的温度传感器为例，根据实验得到测量数据，每隔0.1°C的温度(已知物理量)实测一个输出电压值(测量数据)，描绘一个点，连接所有点就可以描绘出数据采集卡的输出电压和对应的实际温度的关系示意图，如图3所示，X轴所示为数据采集卡的输出电压值，Y轴所示为输出电压所对应的实际温度值。参照图3，从图3中可以看出，所述测量数据的总取值范围为[_9.5，15.3]。按照图3所示的曲线，根据曲线特性，在满足拟合后计算的温度误差小于0.1°C的条件，将整个曲线区域分为5段，分段进行二次曲线拟合，二次拟合函数为y = A*X2+B*X+C，得到包括5组拟合参数(分段的端点值和拟合系数)的分段拟合结果，如下面的表I所示。表I分段拟合结果
权利要求
1.一种数据采集装置的参数拟合方法，用于数据采集装置采集测量数据，其特征在于，所述方法包括步骤: Al，针对所述测量数据的总取值范围分段设置拟合参数，并对应获得所述测量数据的多个分段取值范围； A2，获取一个测量数据； A3，依据所述测量数据所在的分段取值范围对应的拟合参数，对所述测量数据进行修正，获得测量结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤Al包括步骤: All，通过设置多个端点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤All包括: 通过设置多个起点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤All包括: 通过设置多个终点值对所述测量数据的总取值范围进行分段，获得所述测量数据的多个分段取值范围。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤Al还包括步骤: A12，对每个所述分段取值范围，设置一组用于曲线拟合的拟合系数。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤A3包括步骤: A31，当所述测量数据大于等于当前分段取值范围的起点值，且小于相邻下一个分段取值范围的起点值时，获取与当前分段取值范围对应的拟合参数； A32，依据所述拟合参数对所述测量数据进行修正，获得测量结果。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤A3包括步骤: A33，当所述测量数据小于等于当前分段取值范围的终点值，且大于相邻上一个分段取值范围的终点值时，获取与当前分段取值范围对应的拟合参数； A34，依据所述拟合参数对所述测量数据进行修正，获得测量结果。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述步骤A2包括: 采集一个电信号，对所述电信号进行模拟到数字的转换后，得到一个测量数据。
9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述步骤A2包括: 采集一个电信号，对所述电信号进行模拟到数字的转换后，得到数字电信号； 对所述数字电信号进行校准，得到一个测量数据。
全文摘要
本发明提供了一种数据采集装置的参数拟合方法，用于数据采集装置采集测量数据，所述方法包括步骤A1，针对所述测量数据的总取值范围分段设置拟合参数，并对应获得所述测量数据的多个分段取值范围；A2，获取一个测量数据；A3，依据所述测量数据所在的分段取值范围对应的拟合参数，对所述测量数据进行修正，获得测量结果。本发明可以对测量数据的总取值范围进行分段，在某一分段取值范围上，独立设置用于曲线拟合的拟合参数，独立采用一种曲线拟合函数进行拟合运算，以更加逼近实际测量结果，该拟合系数与该分段的拟合函数最为匹配，因此，通过最匹配的拟合参数修正得到的测量结果，提高了测量的准确性。
文档编号G01D5/12GK103175547SQ20111043121
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者冯明亮, 王悦, 王铁军, 李维森 申请人:北京普源精电科技有限公司
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