基于MATLAB的數據采集與分析系統(tǒng)設計

1、基于MATLAB的數據采集與分析系統(tǒng)設計摘要：利用數據采集卡構建的數據采集系統(tǒng)一般價格昂貴且難以與實際需求完全匹配。聲卡作為數據采集卡具有價格低廉、開發(fā)容易和系統(tǒng)靈活等優(yōu)點。本文詳細介紹了系統(tǒng)的開發(fā)背景,軟件結構和特點,系統(tǒng)地分析了數據采集硬件和軟件設計技術,在此基礎上以聲卡為數據采集卡,以MATLAB為開發(fā)平臺設計了數據采集與分析系統(tǒng)。本文介紹了MATLAB及其數據采集工具箱, 利用聲卡的A/ D、D/ A 技術和MATLAB 的方便編程及可視化功能,提出了一種基于聲卡的數據采集與分析方案,該方案具有實現簡單、性價比和靈活度高的優(yōu)點。用MATLAB 語言編制了相應軟件,實現了該系統(tǒng)。該軟件有

2、著簡潔的人機交互工作界面,操作方便,并且可以根據用戶的需求進行功能擴充。最后給出了應用該系統(tǒng)采集數據的應用實例。關鍵詞：聲卡數據采集MATLAB信號處理1緒論1.1課題背景數據也稱觀測值，是實驗、測量、觀察、調查等的結果，常以數量的形式給出。數據采集，又稱數據獲取，就是將系統(tǒng)需要管理的所有對象的原始數據收集、歸類、整理、錄入到系統(tǒng)當中去。數據采集是計算機管理系統(tǒng)使用前的一個數據初始化過程。數據采集技術廣泛引用在各個領域。比如攝像頭，麥克風，都是數據采集工具。數據采集（Data Acquisition）是將被測對象(外部世界、現場)的各種參量(可以是物理量，也可以是化學量、生物量等)通過各種傳感

3、元件作適當轉換后，再經信號調理、采樣、量化、編碼、傳輸等步驟，最后送到控制器進行數據處理或存儲記錄的過程。被采集數據是已被轉換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數據重復采集。采集的數據大多是瞬時值，也可是某段時間內的一個特征值。準確的數據測量是數據采集的基礎。數據測量方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，都以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數據的正確性。數據采集含義很廣，包括對連續(xù)物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中，對圖形或圖像數字化過程也可稱為數據采

4、集，此時被采集的是幾何量數據。在智能儀器、信號處理以及工業(yè)自動控制等領域，都存在著數據的測量與控制問題，常常需要對外部的溫度、壓力、流量、位移等模擬量進行采集。數據采集技術是一種流行且實用的電子技術。它廣泛應用于信號檢測、信號處理、儀器儀表等領域。近年來，隨著數字化技術的不斷發(fā)展，數據采集技術也呈現出速度更高、通道更多、數據量更大的發(fā)展態(tài)勢。數據采集系統(tǒng)是一種應用極為廣泛的模擬量測量設備，其基本任務是把信號送入計算機或相應的信號處理系統(tǒng)，根據不同的需要進行相應的計算和處理。它將模擬量采集、轉換成數字量后，再經過計算機處理得出所需的數據。同時，還可以用計算機將得到的數據進行儲存、顯示和打印，以實

5、現對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分數據還將被用作生產過程中的反饋控制量。數據采集系統(tǒng)是計算機測控系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，目前，有各種數據采集卡或采集系統(tǒng)可供選擇，以滿足生產和科研試驗等各方面的不同需要，但由于數據源以及用戶需求的多樣性，有時并不能滿足要求。特別是在某些應用中，需要同時高速采集多個通道的數據，而且為了分析比較各通道信號間的相互關系，常常要求所有通道的采集必須同步?，F有的數據采集系統(tǒng)能夠滿足上述要求的比較少，且價格十分昂貴，體積較大，分量較重，使用十分不方便。一般模擬量是通過各種數據采集卡進行數據采集。目前常用的是具有 ISA 總線、PCI 總線等接口形式的 A/D 采集卡，雖然數據傳

6、輸率很高，但是還存在整個系統(tǒng)笨重，缺乏靈活性，不能實現即插即用，不適合小型、便攜設備采用等缺點。另外這些類型的采集卡在計算機上安裝比較麻煩，而且由于受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制不可能掛接很多設備。因此，工程師們往往需要花費大量的時間和資源用于系統(tǒng)搭建。隨著現代工業(yè)技術的迅猛發(fā)展，生產規(guī)模的不斷壯大，生產過程和制作工藝的日趨復雜，對自動測試和各種信息集成的要求也就越來越高。數據采集系統(tǒng)的好壞將直接影響自動測試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為了滿足不同的測試需求，以及減少對資源的浪費，在系統(tǒng)的設計上應該盡量滿足通用性和可擴展性。在高度發(fā)展的當今社會中，科學技術的突飛猛進和生產過程的高度自動化已成

7、為人所共知的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在有著不斷發(fā)展與提高的信息工業(yè)基礎上。人們只有從外界獲取大量準確、可靠的信息經過一系列的科學分析、處理、加工與判斷，進而認識和掌握自然界與科學技術中的各種現象與其相關的變化規(guī)律，并通過相應的系統(tǒng)和方法實現科學實驗研究與生產過程的高度自動化。換言之，生產過程的自動化面臨的第一個問題就是必須根據從各種傳感器得到的數據來檢測、監(jiān)視現場，以保證現場設備的正常工作。所以對現場進行數據采集是重要的前期基礎工作，然后再對現場數據進行傳輸和相應的處理工作，以滿足不同的需要。數據采集卡是中低端數據采集系統(tǒng)設計的必選產品?；?ISA、PCI 的插卡式數據采集設備存

8、在以下缺陷：安裝麻煩；價格昂貴；受計算機插槽數量、地址、中斷資源限制，可擴展性差；在一些電磁干擾性強的測試現場，無法專門對其做電磁屏蔽，導致采集的數據失真。而現代工業(yè)生產和科學研究的發(fā)展要求數據采集卡具有更好的數據采集、處理能力，傳統(tǒng)的 CPU 已經不能滿足這一要求。針對以上要求，本文將論述一種基于PC機的聲卡技術，它安裝容易，成本較低。只需利用計算機本身的軟硬件資源，而不需添加其他任何設備即可構成數據采集與分析系統(tǒng)，使用MATIAB語言編制簡潔的圖形用戶界面，該界面操作方便，并且可以根據用戶的需求進行功能擴充。數據分析在整個科研工作中是個重要的必不可少的環(huán)節(jié)，它的目的是把隱沒在一大批看來雜亂

9、無章的數據中的信息集中、萃取和提煉出來，以找出所研究對象的內在規(guī)律。在實用中，數據分析可幫助人們作出判斷，以便采取適當行動。數據分析是組織有目的地收集數據、分析數據，使之成為信息的過程。這一過程是質量管理體系的支持過程。在產品的整個壽命周期，包括從市場調研到售后服務和最終處置的各個過程都需要適當運用數據分析過程，以提升有效性。例如，一個企業(yè)的領導人要通過市場調查，分析所得數據以判定市場動向，從而制定合適的生產及銷售計劃。因此數據分析有極其廣泛的應用范圍。數據分析系統(tǒng)工作的質量和速度如何，對整個科研工作的影響也是很大的。因此研究一種質量性能高的通用數據采集平臺具有很大的意義。在近幾十年來 IC

10、技術和計算機技術的高速發(fā)展，為數據采集與分析提供了非常良好與可靠的科學技術基礎，也提出了更高的要求和強有力的推動。如今面臨著先進的計算機技術和信息技術與落后的信息采集與分析技術的現實差距，那將大大影響科學技術的高度發(fā)展和生產過程的高度自動化。所以，近幾十年來世界各國都大量投入進行信息采集與分析的工作，尤其是在經濟發(fā)達的美、英、德、法日等國與我國，都對這一技術高度重視。1.2國內外研究動態(tài)數據采集是獲取信息的基本手段，數據采集技術作為信息科學的一個重要分支，與傳感器、信號測量與處理、微型計算機等技術為基礎而形成的一門綜合應用技術，它研究信息數據的采集、存儲、處理及控制等作業(yè)，具有很強的實用性。隨

11、著科學技術的發(fā)展，數據采集系統(tǒng)得到了越來越廣泛得應用，同時人們對數據采集系統(tǒng)的各項技術指標，如：采樣率、線性度、精度、輸入范圍、控制方法以及抗干擾能力等提出了越來越高的要求，特別是精度和采樣率更是使用者和設計者所共同關注的重要問題，于是，高速及超高速數據采集系統(tǒng)應運而生并且得到了快速發(fā)展。今天，數據采集技術己經在雷達、通信、水聲、振動工程、無損監(jiān)測、智能儀器、工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學工程等眾多領域得到廣泛的應用并且收到了良好的效果。高速數據采集系統(tǒng)在國防、航天、邊緣科學研究中及國民經濟的各個領域的成功的應用，進一步引起了各方的關注，推動了它的研制和發(fā)展。隨著科學技術的發(fā)展，數據采集系統(tǒng)得到了越

12、來越廣泛的應用。目前，國外很多公司與廠商都投入巨資進行數據采集系統(tǒng)的研制開發(fā)與生產銷售，其中比較著名的有 NEFF， NI、HP，TEK 等。從數據采集系統(tǒng)產品來看，各大公司提供的系列產品都包括了完成數據采集的諸如信號放大、濾波、多路開關、模數轉換和接口等各種模塊。現有的高速數據采集器件和開發(fā)的產品中，目前還沒有完全實現高速、高分辨率。在雷達、通信、譜分析、瞬態(tài)分析、電視等應用領域，為滿足實時檢測和高速采集的日益更新的需要，實現數據采集的高速、高分辨率已成為數據采集系統(tǒng)的一個發(fā)展方向?，F有的高速 ADC 器件和產品價格都比較昂貴，有些高速、高分辨率的器件本身還存在著不穩(wěn)定性，因此，在數據采集系

13、統(tǒng)向高速、高分辨率發(fā)展的同時，開發(fā)和研制的器件和產品應不斷地提高可靠性，降低成本，提高性價比，以便使之得到更廣泛的應用。在國內，由于歷史、技術等原因，我們的產品普遍存在：通用性差、用途單一、測點少、測量距離小、環(huán)境適應性差等缺點，遠沒有形成系列化、模塊化、標準化的通用產品，根本無法滿足國內用戶不斷增長的需要，也遠遠不能與國外產品抗衡，正因此使得價格高昂的國外產品占有了相當大的市場份額。1.3數據采集系統(tǒng)的現狀及發(fā)展數據采集與分析一直是生產實踐研究與應用領域的一個熱點和難點。隨著微電子制造工藝水平的飛速提高及數據分析理論的進一步完善與成熟，目前國內外對數據采集系統(tǒng)的高性能方面的研究上取得了很大的

14、成就。就 A/D 轉換的精度、速度和通道數來說，采樣通道從單通道發(fā)展到雙通道、多通道，采樣頻率、分辨率、精度逐步提高，為分析功能的加強提供了前提條件。而在數據分析的微處理器上，最初的數據采集系統(tǒng)以 8 位單片機為核心，隨著微電子技術的不斷發(fā)展，新興單片機的不斷問世，十六位、三十二位單片機也為數據采集系統(tǒng)研制廠家所采用，近年來采用具有 DSP 功能的數據采集系統(tǒng)也己投入市場。同時，通用 PC 機的 CPU 用于數據處理也較為常見。總之，伴隨著高性能微處理器的采用和用戶技術要求的不斷提高，數據采集系統(tǒng)的功能也越來越完善。數據采集系統(tǒng)的發(fā)展主要體現在以下幾個趨勢：首先，在專業(yè)測控方面，基于 PC 計

15、算機的數據采集系統(tǒng)越來越成熟和智能化。在過去的二十年中，開放式架構 PC 機的處理能力平均每十八個月就增強一倍。為了充分利用處理器速度的發(fā)展，現代開放式測量平臺結合了高速總線接口，如 PCI和 PXI/Compact PCI，以便獲得性能的進一步提升。計算機的性能提升和由此引起的基于計算機的測量技術的創(chuàng)新，正在持續(xù)不斷地模糊著傳統(tǒng)儀器和基于計算機的測量儀器之間的界線。其次，在通用測控方面，采用嵌入式微處理器的方案也由早期的采用 A/D 器件和標準單片機組成應用系統(tǒng)發(fā)展到在單芯片上實現完整的數據采集與分析，即目前極為熱門的 SOC (System On Chip)。通常在一塊芯片上會集成一個，可

16、以采樣多路模擬信號的 A/D 轉換子系統(tǒng)和一個硬 CPU 核(比如增強型 80_52 內核)，而且其CPU 的運算處理速度和性能也較早期的標準 CPU 內核提高了數倍，而且有著極低的功耗。這種單芯片解決方案降低了系統(tǒng)的成本和設計的復雜性。此外，為了解決 SOC 方案中數據處理性能的不足，采用 DSP 作為數據采集系統(tǒng)的 CPU 的研究與應用目前也逐漸引起業(yè)內重視。但是這類產品目前僅僅處于發(fā)展的初級階段，在精度、速度或其它性能指標上并不能很好的滿足要求。因此，國內外以 DSP 作為數據采集系統(tǒng)的采樣控制和分析運算的研究與應用正在展開。近年來隨著芯片技術、計算機技術和網絡技術的發(fā)展，數據采集技術取

17、得了許多新的技術成果，市場上推出了繁多的新產品。高速數據采集技術的發(fā)展一方面是提高采集速率，另一方面不斷向兩端延伸。一端是輸入的信號調理，另一端是采集后的數字化信號的實時處理與事后處理。20世紀90年代末，隨著數字技術快速發(fā)展，數據采集技術已向著并行、高速、大量存儲、實時分析處理、集成化等方向發(fā)展。（1）采樣方式過采樣（Over Sampling）。采樣方式中最早是過采樣，根據采樣定理，采樣頻率fs必須高于被采信號最高頻率fch的兩倍，才不致產生頻率混疊現象。例如信號最高頻率為10kHz，采樣頻率必須高于20kHz。欠采樣（Under Sampling）。在通信和動態(tài)數據的采集中，發(fā)展了一種欠

18、采樣技術，即采樣頻率fs可以低于信號頻率fch，但信號的頻帶寬度不得大于0.5fs，利用采樣信號產生的高次諧波，將采樣后的信號移至第二或者更高的奈奎斯特區(qū)。例如采樣頻率fs為10kHz，可對頻帶fch落于1114kHz的信號(頻帶寬度為3kHz，低于0.5fs=5kHz)進行欠采樣。于是在采樣頻率2次諧波兩邊產生的采樣后的信號頻帶為f2ch = 2fsfch = 20 kHz(1114 kHz)= 3134 kHz，或96 kHz等效時間采樣（Equivalent Time Sampling ）。主要是對于重復的周期波形進行等效時間采樣。例如美國泰克公司的TDS784D數字存儲示波器，其實際的

19、采樣頻率為 1 GS/s ( 1GHz )，對于重復的周期信號，采取周期微差法，可以達到250GS/s(250GHz)的等效時間采樣。例如對于 1 GHz 的方波，進行周期微差法采樣，每個周期的采樣只有微小的時差，將若干個周期中的樣點集中排列，即可測出方波上升沿和下降沿的波形。對于單次瞬態(tài)信號，這種方法是無效的。變速率變分辨率采樣。(2)采集方式的發(fā)展掃描式采集（Scanning Acquisition）：時分制、多通道巡回采集。并行式采集（Parallel Acquisition)：多個通道同步并行采集，每個通道采用一個獨立的A/D轉換器，通道采集速率只取決于A/D的轉換速率，與通道數無關。

20、交替采集（Internative Acquisition）：一個通道由多個A/D轉換器交替采集，使每個通道采樣速率等于多個A/D的轉換速率之和，可以高于單個A/D的轉換速率。(3)采集數據的實時分析與處理軟件目前國外的測試儀器或系統(tǒng)生產廠家，在生產硬件的同時，推出其相應的支持軟件或軟件開發(fā)平臺，如為產品開發(fā)者提供的軟件工具；為系統(tǒng)集成者提供系統(tǒng)應用軟件的集成的環(huán)境；為終端用戶提供編寫自己的用戶應用程序的手段。2數據采集系統(tǒng)結構特點2.1系統(tǒng)組成結構數據采集系統(tǒng)主要由兩部分組成：采集子系統(tǒng)和計算機子系統(tǒng)，即下位機智能數據采集系統(tǒng)和上位機 HMI（Human Machine Interface）系

21、統(tǒng)。采集子系統(tǒng)實現將客觀世界被測對象信號采集和轉換為能被計算機處理的數字信號的功能等；計算機子系統(tǒng)實現對采集數據的控制、存儲和處理等功能，計算機起著對采集數據的存儲和處理、統(tǒng)計分析、提供人機接口與其他計算機的數據通信和交換的功能。數據采集系統(tǒng)涉及多學科，所研究的對象是物理或生物等各種非電或電信號。根據各種非電或電信號的特征，利用相應的歸一化技術，將其轉換為可真實反映事物特征的電信號后，經AD轉換器轉換為計算機可識別的有限長二進制數字編碼，以此作為研究自然科學和實現工業(yè)實時控制的重要依據，實現對宏觀和微觀自然科學的量化認識，典型的數據采集系統(tǒng)組成如圖2-1所示。圖2-1 典型數據采集系統(tǒng)的組成

22、而一般的外置式數據采集系統(tǒng)結構如圖2-2所示。模擬信號由傳感器采得經過信號調理模塊送入數據采集硬件設備。在數據采集設備中完成AD轉換，包括采樣、量化、編碼，轉化成數字信號后送入與之相連的PC機中。根據不同的要求，在PC機上利用MATLAB以及二次編程實現數據的實時分析與處理。用戶可以通過人機交互界面修改、設定各項參數來控制數據采集硬件設備的工作狀態(tài)，同時可以得到數據的采集與分析結果， 從而實現數據采集與分析的自動化。圖2-2 一般的外置式數據采集系統(tǒng)結構利用聲卡在WINDOWS環(huán)境下開發(fā)數據采集系統(tǒng)時，由于受編程語言的限制，其數據分析與處理的功能非常有限。例如，為了對所采集的數據進行功率譜分析

23、，則需要用戶以VB或C語言來編寫功率譜分析的子程序，這顯然增加了開發(fā)的難度，并且也極不利于分析功能的進一步擴展。而利用聲卡作為AD轉換工具，經過衰減和取樣電路得到的模擬信號送至聲卡的線路輸入端LINEIN，并利用MATLAB中提供的數據采集工具箱，可滿足控制聲卡進行數據采集的要求。用戶通過調用MATLAB命令， 可對采集的數據進行分析和處理。整個系統(tǒng)可分為數據采集和數據分析兩大部分，以友好的圖形界面與用戶進行交互溝通。數據采集部分實現數據采集功能，根據用戶選擇的采樣頻率和預設的采樣時間，從聲卡獲得用戶需要的數據；數據分析部分對采集到的數據進行頻譜分析。全部數據的時域和頻域波形以圖形方式直觀地呈

24、現于用戶面前。此外，還提供保存數據以及回放數據的功能。圖2-3給出了基于MATLAB的數據采集系統(tǒng)的簡圖，主要部件數據采集工具箱提供了硬件驅動程序和MATLAB環(huán)境之間“對話”所需的硬件驅動程序適配器、數據采集引擎和M-文件函數圖2-3基于MATLAB的數據采集系統(tǒng)簡圖硬件驅動程序適配器在硬件驅動程序和數據采集引擎之間交換屬性數值、數據和事件；數據采集引擎用來存儲各個設備對象，以及每個設備對象的屬性值；對采集到的數據進行存儲并且使不同事件同步；M-文件用來創(chuàng)建設備對象、采集或輸出數據、配置屬性值和檢測數據采集狀態(tài)和數據采集設備。2.2 系統(tǒng)的特點和性能指標 現代數據采集系統(tǒng)發(fā)展到今天，一般來說

25、具有如下主要特點：（1）現代采集系統(tǒng)一般都由計算機控制，使得數據采集的質量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件投資。（2）軟件在數據采集系統(tǒng)中的作用越來越大，增加了系統(tǒng)設計的靈活性。（3）數據采集與數據處理相互結合的日益緊密，形成數據采集與處理系統(tǒng)，可實現從數據采集、處理到控制的全部工作。（4）數據采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標準是能滿足實際需要；對于通用采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應用環(huán)境。（5）隨著電子技術的發(fā)展，電路集成度的提高，數據采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高，甚至出現了單片數據采集系統(tǒng)。（6）總線在數據采集系統(tǒng)中有著廣泛的應用，總線技術它對數據采集系統(tǒng)

26、結構的發(fā)展起著重要作用。評價一個數據采集系統(tǒng)的性能有很多指標，但是一般采用以下幾個比較常用的指標進行評價。（1）系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)分辨率是指數據采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號的最小變化量。通常可以用如下幾種方法表示系統(tǒng)分辨率：使用系統(tǒng)所采用的 A/D 轉換器的位數表示系統(tǒng)分辨率；使用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)滿度值的百分比表示系統(tǒng)分辨率；使用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數值表示系統(tǒng)分辨率；使用滿度值可以分的級數表示系統(tǒng)分辨率。（2）系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度是指當系統(tǒng)工作在額定采集速率下，整個數據采集系統(tǒng)所能達到的轉換精度。A/D 轉換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。實際上，系統(tǒng)精度往往達不到A/D 轉換器的精度。因為系

27、統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)（子系統(tǒng)）的精度，如前置放大器、濾波器、模擬多路開關等。只有當這些子系統(tǒng)的精度都明顯優(yōu)于 A/D 轉換器的精度時，系統(tǒng)精度才有可能達到 A/D 轉換器的精度。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和，通常表示為滿度值的百分數。（3）采集速率采集速率又稱為系統(tǒng)通過速率或吞吐率，是指在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入的模擬信號在單位時間內所能完成的采集次數，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的有效數據的數量。這里說的“采集”包括對被測物理量進行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲的全部過程。（4）動態(tài)范圍動態(tài)范圍是指某個確定的物理量的變化范圍。信號的

28、動態(tài)范圍是指信號的最大幅度和最小幅度之比的分貝數。2.3 系統(tǒng)常見的幾種結構形式 （1）多通道共享采樣/保持器和 A/D 轉換器數據采集系統(tǒng)這種系統(tǒng)構成如下圖所示，這種結構形式采用分時轉換工作的方式，多路被測信號共用一個采樣/保持器和一個 A/D 轉換器。當采樣保持器的輸出已充分逼近輸入信號（按給定精度）時，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)，A/D 轉換器開始進行轉換，轉換完畢后輸出數字信號。在轉換期間，多路開關將下一路信號切換到采樣/保持器的輸入端，系統(tǒng)不斷重復以上的操作，可以實現對多通道模擬信號的數據采集。采樣方式可以按順序或隨機進行。多通道共享采樣保持器和 AD 轉換

29、器數據采集系統(tǒng)圖這種采集系統(tǒng)結構形式最簡單，所用芯片數量少，適用于信號變化率不高、對采樣信號不要求同步的場合。如果被測信號變化速率較慢，可以不用采樣保持器，直接進行 A/D 轉換。如果信號很弱而干擾噪聲強，需要在系統(tǒng)電路中增加信號放大電路和濾波環(huán)節(jié)。（1）多通道同步數據采集系統(tǒng)通道同步型數據采集系統(tǒng)圖其結構如上圖所示，也屬于分時轉換系統(tǒng)。多路模擬輸入信號共用一個 A/D 轉換器，但是每個通道各有一個采樣/保持器，在同一采樣指令控制下對各路信號同步進行信號采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。模擬開關分時將各路采樣/保持器切換到 A/D 轉換器上，進行模數轉換。這些同步數據可以描述各路信號的相位

30、關系，所以這種結構被稱為同步型數據采集系統(tǒng)。由于各路信號必須串行的在共用的 A/D 轉換器中進行轉換和計算，若采樣信號回路過多時，這種采集結構的速度仍然較慢。（1）多通道并行數據采集系統(tǒng)多通道并行數據采集系統(tǒng)框圖如上圖所示。這種結構形式中，每個通道都有自己的采樣保持器和A/D轉換器，經過A/D轉換的數據經過接口電路送到計算機中。相對于前兩種數據采集系統(tǒng)，這種結構形式的數據采集速度最快，但所用的硬件電路復雜，成本較高。 通用型模擬量數據采集模塊則屬于這一類的數據采集子系統(tǒng)。數據采集模塊是屬于單片機的智能器件，在整個數據采集系統(tǒng)中，每個模塊可以認為是實時、并行地工作，每個模塊僅完成幾路信號的檢測和

31、采集，實時響應性能優(yōu)。（4）分布式數據采集系統(tǒng)以上介紹的三種結構形式中，系統(tǒng)各部件之間的空間距離很近，邏輯上耦合程度緊密，可以稱之為數據采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是：結構簡單，容易實現，能滿足中小規(guī)模的集中數據采集的要求。在市面上均有成熟產品可供選用。系統(tǒng)的體積和設備量小，造價低。由于工作原理、結構形式和性能設計等原因，這類系統(tǒng)也存在不少缺點：因為系統(tǒng)結構不靈活，不易擴展，所以不適合大規(guī)模的數據采集應用場合?？垢蓴_能力差，尤其對于被測對象物理位置分散、傳感器輸出的微弱信號需要長距離傳輸時，所受的干擾不容忽視的?？煽啃圆?。系統(tǒng)結構中某一部件出現故障會導致整個系統(tǒng)工作崩潰。由于各部件之間緊密耦合，導

32、致系統(tǒng)的可擴展性和靈活性差。分布式數據采集系統(tǒng)是數據采集技術、計算機技術和通信技術綜合和發(fā)展的產物，基于“分散采集、集中管理”的思想設計的系統(tǒng)結構形式，由若干個“數據采集點”和上位機以及通信接口組成。分布式數據采集系統(tǒng)結構如下圖所示：分布式數據采集系統(tǒng)圖處于分散部位的數據采集點相當于小型的集中數據采集系統(tǒng)，位于被測對象的附近，可獨立完成數據采集和預處理任務，并將采集的數據轉換為數字信號的形式傳送給上位機，采用數據傳輸的方法可以克服模擬信號傳輸的固有缺陷。分布式數據采集系統(tǒng)的主要特點是：（1）系統(tǒng)適應能力強。因為可以通過選用適當數量的數據采集點來構成相應規(guī)模的系統(tǒng),所以無論是大規(guī)模的系統(tǒng)，還是中

33、小規(guī)模的系統(tǒng)，分布式結構都能夠適應。（2）系統(tǒng)可靠性高。由于采用了多個數據采集點，若某個數據采集點出現故障，只會影響某項數據的采集，而不會對系統(tǒng)的其他部分造成任何影響。（3）系統(tǒng)實時相應性好。由于系統(tǒng)各個數據采集點之間是真正“并行”工作的，所以系統(tǒng)的實時相應性較好。（4）另外，這種數據采集系統(tǒng)是用數字信號傳輸代替模擬信號傳輸，有利于克服常模干擾和共模干擾。因此，這種系統(tǒng)特別適合于在惡劣的環(huán)境下工作。目前對于大規(guī)模的數據采集場合一般都采用分布式結構，根據不同的數據采集工作原理、結構形式和性能特點，在本系統(tǒng)中采用集中式的數據采集器件作為數據采集終端，采用上下位的連接方式，最終組成整個數據采集系統(tǒng)。

34、3 MATLAB軟件3.1 MATLAB 簡介MATLAB 是美國MathWorks 公司開發(fā)的一種功能極其強大的高技術計算機語言和內容極其豐富的軟件庫，它適合于工程各領域的分析設計與復雜計算的軟件，該軟件包括基本部分和專業(yè)擴展兩大部分擴展部分稱為工具箱，用于解決某一方面的專業(yè)問題它以矩陣和向量的運算以及運算結果的可視化為基礎,把廣泛應用于各個學科領域的數值分析、矩陣計算、函數生成、信號處理、圖形及圖像處理、建模與仿真等諸多強大功能集成在一個便于用戶使用的交互式環(huán)境中,為使用者提供了一個高效的編程工具及豐富的算法資源。對于信號處理和圖像處理等數字處理領域,MATLAB 更是得天獨厚,它豐富的M

35、文件和強大的繪圖可視功能為使用者帶來了極大的方便, 被廣泛的應用于信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設計、通信、系統(tǒng)仿真等諸多領域，尤其對初學者可起到事半功倍之效。MATLAB是一種解釋語言，所有的程序和指令都必須在MATLAB解釋器中讀入后才能運行，因而極大地限制了代碼執(zhí)行速度。MATLAB強大的計算功能只能在其平臺上才能使用，也就是說，必需在安裝了其解釋器的機器上才能使用MATLAB的M文件，這樣就給工程應用帶來了很大不便。對于一般用戶來講，MATLAB只能作為離線的計算和分析工具，而不能作為實時的工程工具。幸運的是，開發(fā)MATLAB的MathWorks公司為廣大的應用者提供了應用程序接口(API，

36、ApplicationProgram Interface)和編譯器(Compiler)。利用MATLAB和C語言交互，也可以開發(fā)基于MATLAB的數據采集系統(tǒng)。如果配上數據采集線路，該系統(tǒng)就可以作為一個虛擬儀器來使用。3.2 數據采集工具箱及聲卡簡介 MATLAB 自帶的數據采集工具箱(Data Acquisitiontoolbox, DAQ) 能更容易地將實驗測得的數據進行分析和可視化操作。數據采集設備包括: 多媒體聲卡、美國國家儀器E系列和1200 系列接口板、Hewlett-Packard-VXIE1432- 系列接口板及其他各種數據采集硬件設備。數據采集硬件設備的內部特性對MATLAB

37、 的接口完全透明, 無論是使用一個或幾個硬件設備, 數據采集工具箱都會向所有硬件設備提供單一和統(tǒng)一的接口。通過調用MATLAB 命令和函數可對與計算機兼容的數據采集硬件設備進行訪問并對其屬性進行可視化監(jiān)控。數據采集工具箱是一種建立在MATLAB環(huán)境下的M函數文件和MEX動態(tài)鏈接庫文件的集合，包含3大區(qū)域的組件：M文件函數、數據采集引擎及硬件驅動適配器。它具有如下特點：是一種通過使用與PC機兼容的、即插即用的數據采集設備在MATLAB環(huán)境中的架構；支持模擬信號的輸入輸出以及數字信號的輸入、輸出，子系統(tǒng)還包括同步模擬輸入輸出的轉換；支持聲卡；事件驅動采集。在MATLAB數據采集工具箱里集成了數據采

38、集的M 文件格式的函數和MEX文件格式的動態(tài)鏈接庫。其主要特征如下：(1)提供了將實時測量數據從數據采集硬件采集到MATLAB中的框架。(2)支持模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(A0)以及數字量I0子系統(tǒng)，包括模擬量IO實時變換。(3)支持PC聲卡和業(yè)界非常流行的數據采集設備如NI卡、并行口(LPT1-LPT3)、Keithley卡等。(4)采用事件驅動模式進行數據采集。數據采集工具箱由3部分組成：M文件格式的函數、數據采集引擎和硬件驅動，如圖3-1所示。這些組成部分使得MATLAB與數據采集硬件之間的信息傳遞成為可能。圖3-1 數據采集引擎與硬件驅動目前市面上的數據采集卡一般都包含了完整的數

39、據采集電路和與計算機的接口電路,如NI公司的E系列數據采集卡、研華的數據采集卡等, 其價格是與性能成正比的,可以說比較昂貴。在采樣頻率要求不高的情況下,可以利用計算機的聲卡作為數據采集的輸入和輸出。而如今聲卡技術已經成熟,成本越來越低。一般的聲卡都可以實現雙通道、16 位、高保真的數據采集,采樣率甚至可以達到48KHz。對于許多科學試驗和工程測量來說,其樣本量化精度和采樣率是足夠高的,甚至優(yōu)于目前常用數據采集卡的性能。將其用于數據采集,性價比相當高。聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng),其數字信號處理器包括模數轉換器(ADC) 和數模轉換器(DAC) ,ADC 用于采集音頻信號,DAC用于重現

40、這些數字聲音,轉換率達到44.1KHz。聲卡已成為多媒體計算機的一個標準配置,利用聲卡進行采樣與輸出,就不需要購買專門的采集卡可以降低虛擬儀器的開發(fā)成本,且在音頻范圍內可以完全滿足實驗要求。3.3 MATLAB在數據采集中的應用 數據采集工具箱集成于MATLAB中，所以在進行數據采集的同時，可以對采集的數據進行實時分析，或者存儲后再進行處理，或者針對數據分析的需要對測試條件的設立進行不斷的更新。應用數據采集工具箱提供的命令和函數可以控制任何類型的數據采集。例如，在硬件設備運行時，可以獲取事件信息，評估采集狀態(tài)，定義觸發(fā)器和回訪狀態(tài)，預覽數據以及進行實時分析，可以設置和顯示所有的硬件特性以滿足用

41、戶的技術指標。4系統(tǒng)設計方案 聲音信號的采集與分析處理在工程應用中是經常需要解決的問題,如何實時采集聲音信號并對其分析處理,從而找出聲音信號的特征在科學研究中是一項非常有意義的工作。聲卡是多媒體計算機系統(tǒng)中最基本、最常用的硬件之一,其技術發(fā)展已經成熟,它具有AD/DA轉換功能,現已被廣泛應用于聲音信號采集和虛擬儀器系統(tǒng)的設計。MATLAB則是一種功能強大、計算效率高、交互性好的數學計算和可視化計算機高級語言,它將數值分析、信號采集與處理和圖形顯示有機地融為一體,形成了一個極其方便、用戶界面友好的操作環(huán)境。本文所設計的聲音信號采集與分析系統(tǒng)就是充分利用了聲卡的AD/DA轉換功能和MATLAB強大

42、的數據處理功能,同時,該系統(tǒng)還是建立在MATLAB軟件的圖形界面實現的,因而使系統(tǒng)具有良好的交互性?；谟嬎銠C聲卡的數據采集系統(tǒng)有以下特點：（1）價格低廉。在數據采集時，所要采用的是模數轉換芯片，對于某些應用場合，可以利用計算機上所附帶的聲卡實現數據采集任務。（2）靈活性強。用戶不僅可以進行實時監(jiān)視和控制操作，還可以把數據保存到硬盤，供以后分析使用。在CPU足夠快的條件下，還可以實時處理數據，動態(tài)顯示波形的頻譜、功率譜。另外在一臺計算機上，可以插若干塊聲卡，組成多通道數據采集系統(tǒng)。（3）頻率范圍較窄，不能測直流。由于受聲卡的硬件限制，要得到較好的波形，輸入信號的頻率最好在100Hz15kHz范

43、圍內。 總之，運用廉價的聲卡，構成一個較高的采樣精度，中等采樣頻率，且具有很大靈活性的數據采集系統(tǒng)，對于一些應用領域是一種很好的選擇。4.1 系統(tǒng)結構設計 MATLAB提供了一個數據采集工具箱(Data Acquisition Toolbox),在該數據采集工具箱中,有一整套的命令和函數,可用來直接控制與PC機兼容的數據采集設備進行數據采集,因此,利用MATLAB的這一工具箱便可進行聲音信號的采集。然后在MATLAB中直接調用頻譜分析函數、功率譜分析函數或數值分析函數等,就可以將采集到的聲音信號分別進行頻譜、功率譜分析等多種譜分析。因此,在MATLAB中可以很容易地實現信號采集與分析處理工作。

44、圖4-1系統(tǒng)實現的總體框圖 從系統(tǒng)框圖上看,整個系統(tǒng)結構簡單,而且數據的后續(xù)分析方便,不需要再進行數據轉移,而直接在MATLAB軟件中完成分析處理工作。在該系統(tǒng)中,從硬件上來講,只需必要的信號預處理電路和一臺普通的多媒體計算機(或筆記本電腦)即可;從軟件上來講,則只需使用本文中所編制的程序,便可從聲卡獲取數據并保存為文件,然后再可根據實際需要進行數據分析處理。4.2 系統(tǒng)功能設計 本系統(tǒng)由數據采集和數據分析兩大部分組成,數據采集部分是實現信號采集功能,根據用戶選擇的采樣頻率和預設的采樣樣本數從聲卡獲得用戶需要的數據。數據分析部分主要實現以下功能:(1)從信號采集部分獲取數據,或者從數據文件讀取

45、數據;(2)實現將采集到的聲音信號數據進行頻譜分析,畫出頻譜圖以圖形方式很直觀地反映出信號特征;(3)保存數據,包括保存所有數據和部分數據的功能,同時保存對應的頻譜數據;(4)顯示聲音信號數據的時域圖和頻譜圖;(5)其他功能。根據不同的需要,還可以進行修改,以選擇合適的實驗方案。4.3 系統(tǒng)設計實現 聲音信號采集功能的實現是由MATLAB控制計算機聲卡將傳感器得到的模擬信號轉換為數字信號并存儲在計算機中;而信號分析功能是將采集得到的數據進行時、頻域分析和各項數值分析等。整個系統(tǒng)設計主要包括系統(tǒng)的硬件配置、編制程序實現數據采集、編制程序實現數據分析及系統(tǒng)的界面設計四部分。4.3.1 聲音信號采集

46、的硬件配置 將聲卡插入計算機的PCI插槽,安裝好相應的驅動程序后,將聲音傳感器設備與聲卡的模擬輸入端連接起來,這就構建了聲音采集的硬件設備,需要注意的是對聲音傳感器的選擇,應選擇音頻專用電纜或屏蔽電纜以減小噪聲信號的引入,最好能選擇單向性聲音傳感器。在MATLAB的信號采集工具箱中有專門為聲卡生成一個操作對象的函數,初始化該操作對象即能建立MATLAB與聲卡的通信,并為已創(chuàng)建的聲卡設備對象增加數據采集通道和觸發(fā)方式。若缺省設置則系統(tǒng)采用一個數據通道、手動觸發(fā)方式啟動工作。進行數據采集時,根據所配置的聲卡的工作特性和信號分析的設計要求,可設置相應的參數來控制聲卡在數據采集時的行為,如采樣頻率、采

47、樣時間、預計模擬信號的輸入/輸出范圍、采樣的出發(fā)方式,采樣點數據的存儲等。另外需要注意的一點是采樣頻率是由聲卡的物理特性決定的,實際應用中可以根據情況選擇一個聲卡支持的采樣頻率.MATLAB支持電平觸發(fā)、事件觸發(fā)和手動觸發(fā)三種方式來啟動數據采集工作。聲音信號采集硬件配置的具體實現過程:sound=analoginput(winsound);% winsound為聲卡的驅動程序channel=addchannel(sound,1);% 添加通道為單聲道set(sound, SampleRate,44100);% 設置采樣頻率為44100Hzset(sound, SamplesPerTrigger,22050);% 設置采樣時間為0.5ss