基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設計（一）

1、基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設計（一）     論文關鍵詞：聲卡  數(shù)據(jù)采集  MATLAB  信號處理 論文摘要：利用數(shù)據(jù)采集卡構建的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集硬件和軟件設計技術,在此基礎上以聲卡為數(shù)據(jù)采集卡,以MATLAB為開發(fā)平臺設計了數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。  本文介紹了MATLAB及其數(shù)據(jù)采集工具箱, 利用聲卡的A/

2、 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(shù)據(jù)采集與分析方案,該方案具有實現(xiàn)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(xiàn)了該系統(tǒng)。該軟件有著簡潔的人機交互工作界面,操作方便,并且可以根據(jù)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(shù)據(jù)的應用實例。 1緒論  1.1 課題背景  數(shù)據(jù)也稱觀測值，是實驗、測量、觀察、調查等的結果，常以數(shù)量的形式給出。數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，就是將系統(tǒng)需管理的所有對象的原始數(shù)據(jù)收集、歸類、整理、錄入到系統(tǒng)當中去。數(shù)據(jù)采集

3、計算機管理系統(tǒng)使用前的一個數(shù)據(jù)初始化過程。數(shù)據(jù)采集技術廣泛引用在各個領域。比如攝像頭，麥克風，都是數(shù)據(jù)采集工具。 數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition）是將被測對象(外部世界、現(xiàn)場)的各種參量(可以是物理量，也可以是化學量、生物量等)通過各種傳感元件作適當轉換后，再經(jīng)信號調理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或存儲記錄的過程。 被采集數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某段時間內的一個特征值。準確的數(shù)

4、據(jù)測量是數(shù)據(jù)采集的基礎。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)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(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時被采集的是幾何量數(shù)據(jù)。 在智能儀器、信號處理以工業(yè)自動控制等領域，都存在著數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集技術是一種流行且實用電子技術。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(shù)字化技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術也呈現(xiàn)出速度更高、通道更多、數(shù)據(jù)量更大的發(fā)展

5、態(tài)勢。 數(shù)據(jù)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(jù)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(shù)字量后，再經(jīng)過計算機處理得出所需的數(shù)據(jù)。同時，還可以用計算機將得到的數(shù)據(jù)進行儲存、顯示和打印，以實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分數(shù)據(jù)還將被用作生產過程中的反饋控制量。 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，而且為了分析比較各通道信號間的

6、相互關系，常常要求所有通道的采集必須同步。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸率很高，但是還存在整個系統(tǒng)笨重，缺乏靈活性，不能實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)代工業(yè)技術的迅

7、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(shù)據(jù)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)科學實驗研究與生產過程的高度自動

8、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(jù)從各種傳感器得到的數(shù)據(jù)來檢測、監(jiān)視現(xiàn)場，以保證現(xiàn)場設備的正常工作。所以對現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集是重要的前期基礎工作，然后再對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行傳輸和相應的處理工作，以滿足不同的需要。 數(shù)據(jù)采集卡是中低端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的必選產品。基于 ISA、PCI 的插卡式數(shù)據(jù)采集設備存在以下缺陷：安裝麻煩；價格昂貴；受計算機插槽數(shù)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(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，導致采集的數(shù)據(jù)失真。而現(xiàn)代工業(yè)生產和科學研究的發(fā)展要求數(shù)據(jù)采集卡具有更好的數(shù)據(jù)采集、處理能力，傳統(tǒng)的 CPU

9、0;已經(jīng)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(shù)據(jù)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(jù)用戶的需求進行功能擴充。 數(shù)據(jù)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無章的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析可幫助人們作出判斷，以便采取適當行動。數(shù)據(jù)分析是組織有目的地收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，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

10、，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(shù)據(jù)分析過程，以提升有效性。例如，一企業(yè)的領導人要通過市場調查，分析所得數(shù)據(jù)以判定市場動向，從而制定合適的生產及銷售計劃。因此數(shù)據(jù)分析有極其廣泛的應用范圍。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集平臺具有很大的意義。 在近幾十年來 IC 技術和計算機技術的高速發(fā)展，為數(shù)據(jù)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(xiàn)實差距，那將大大影響科學技術的高度發(fā)展和

11、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，尤其是經(jīng)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(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的采集、存儲、處理及控制等作業(yè)，具有很強的實用性。隨著科學技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來越廣泛得應用，同時人們對數(shù)據(jù)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

12、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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應運而生并且得到了快速發(fā)展。今天，數(shù)據(jù)采集技術己經(jīng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國防、航天、邊緣科學研究中及國民經(jīng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。目前，國外很公司與廠商都投入巨資進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產品來看，各

13、大公司提供的系列產品都包括了完成數(shù)據(jù)采集的諸如信號放大、濾波、多路開關、模數(shù)轉換和接口等各種模塊?，F(xiàn)有的高速數(shù)據(jù)采集器件和開發(fā)的產品中，目前還沒有完全實現(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集的高速、高分辨率已成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個發(fā)展方向?，F(xiàn)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(shù)據(jù)采集系統(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

14、，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展  數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析理論的進一步完善與成熟，目前國內外對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高性能方面的研究上取得了很大的成就。就 A/D 轉換的精度、速度和通道數(shù)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

15、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(shù)據(jù)分析的微處理器上，最初的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制廠家所采用，近年來采用具有 DSP 功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也己投入市場。同時，通用 PC 機的 CPU 用于數(shù)據(jù)處理也較為常見?？傊殡S著高性能微處理器的采用和用戶技術要求的不斷提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能也越來越完善。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個趨勢： 首先，在專業(yè)測控方面，基于 PC 

16、計算機的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集與分析，即目前極為熱門的

17、 SOC (System On Chip)。通常在一塊芯片上會集成一個，可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(shù)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(shù)據(jù)處理性能的不足，采用 DSP 作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 CPU 的研

18、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(shù)據(jù)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(wǎng)絡技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術取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(shù)據(jù)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(shù)字化信號的實時處理與事后處理。20世紀90年代末，隨著數(shù)字技術快速發(fā)展，數(shù)據(jù)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

19、方式 過采樣（Over Sampling）。采樣方式中最早是過采樣，根據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)的采集中，發(fā)展了一種欠采樣技術，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

20、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 = 2fs±fch = 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(shù)字存儲示波器，其實際的采樣頻率為 1 GS/s ( 1GHz )，對于重復的周期信號，采取周期微差法，可以達到2

21、50GS/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(shù)無關。 交替采集（Internativ

22、e 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(shù)據(jù)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。 1.4 本文主要內容和章節(jié)安排  本文完成了一種基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案的設計，實現(xiàn)了在MATLAB環(huán)境下利用聲卡和MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱進行的數(shù)據(jù)采集與分析。 全文

23、的結構安排如下： 第一章  緒論，說明了研究背景、意義、國內外現(xiàn)狀，以及系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章  主要介紹了系統(tǒng)結構特點及性能 第三章  主要介紹了聲卡、MATLAB軟件及其工具箱的使用 第四章  主要討論了系統(tǒng)結構功能設計與實現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)采集與分析的具體過程 第五章  主要對數(shù)據(jù)采集進行了舉例  2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構特點  2.1  系統(tǒng)組成結構  數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機

24、0;HMI（Human Machine Interface）系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)實現(xiàn)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(shù)字信號的功能等；計算機子系統(tǒng)實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的控制、存儲和處理等功能，計算機起著對采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信和交換的功能。 數(shù)據(jù)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(jù)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(jīng)AD轉換器轉換為計算機可識別的有限長二進制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學和實現(xiàn)工業(yè)實時控制的重要依據(jù)，實現(xiàn)對宏觀和微觀自然科學的量化認識，典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖2-1所示。 圖2-1   典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 而一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構如圖2-2所示。模擬信號由傳感器采得經(jīng)過信號調理模塊送入數(shù)據(jù)采集硬件設備。在數(shù)據(jù)采集設備中完成AD轉換，包括采樣、量化、編碼，轉化成數(shù)字信號