基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)                 論文摘要：利用數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般價(jià)格昂貴且難以與實(shí)際需求完全匹配。聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡具有價(jià)格低廉、開發(fā)容易和系統(tǒng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的開發(fā)背景,軟件結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),系統(tǒng)地分析了數(shù)據(jù)采集硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù),在此基礎(chǔ)上以聲卡為數(shù)據(jù)采集卡,以MATLAB為開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(shù)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性價(jià)比和靈活度高的優(yōu)點(diǎn)。用MATLAB 語言編制了相應(yīng)軟件,實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。該軟件有著簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互工作界面,操作方便,并且可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行功能擴(kuò)充。最后給出了應(yīng)用該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)例。1緒論 1.1 課題背景 數(shù)據(jù)也稱觀測(cè)值，是實(shí)驗(yàn)、測(cè)量、觀察、調(diào)查等的結(jié)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)需要管理的所有對(duì)象的原始數(shù)據(jù)收集、歸類、整理、錄入到系統(tǒng)當(dāng)中去。數(shù)據(jù)采集是計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)使用前的一個(gè)數(shù)據(jù)初始化過程。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個(gè)領(lǐng)域。比如攝像頭

3、，麥克風(fēng)，都是數(shù)據(jù)采集工具。數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition）是將被測(cè)對(duì)象(外部世界、現(xiàn)場(chǎng))的各種參量(可以是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等)通過各種傳感元件作適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處 基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì) 理或存儲(chǔ)記錄的過程。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)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(shí)間（稱采樣周期）對(duì)同一點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時(shí)值，也可是某段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測(cè)量是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)測(cè)量方法有接觸式和非接觸式

4、，檢測(cè)元件多種多樣。不論哪種方法和元件，都以不影響被測(cè)對(duì)象狀態(tài)和測(cè)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(duì)連續(xù)物理量的采集。在計(jì)算機(jī)輔助制圖、測(cè)圖、設(shè)計(jì)中，對(duì)圖形或圖像數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時(shí)被采集的是幾何量數(shù)據(jù)。在智能儀器、信號(hào)處理以及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測(cè)量與控制問題，常常需要對(duì)外部的溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一種流行且實(shí)用的電子技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、儀器儀表等領(lǐng)域。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也呈現(xiàn)出速度更高、通道更多、數(shù)據(jù)量更大的發(fā)展態(tài)勢(shì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應(yīng)用極為廣泛的模擬量測(cè)量設(shè)備

5、，其基本任務(wù)是把信號(hào)送入計(jì)算機(jī)或相應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理。它將模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得出所需的數(shù)據(jù)。同時(shí)，還可以用計(jì)算機(jī)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、顯示和打印，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被用作生產(chǎn)過程中的反饋控制量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)測(cè)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(chǎn)和科研試驗(yàn)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(shí)并不能滿足要求。特別是在某些應(yīng)用中，需要同時(shí)高速采集多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，而且為了分析比較各通道信號(hào)間的相互關(guān)系，常常要求所有通道的采集必須同步?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集

6、系統(tǒng)能夠滿足上述要求的比較少，且價(jià)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(jìn)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(gè)系統(tǒng)笨重，缺乏靈活性，不能實(shí)現(xiàn)即插即用，不適合小型、便攜設(shè)備采用等缺點(diǎn)。另外這些類型的采集卡在計(jì)算機(jī)上安裝比較麻煩，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制不可能掛接很多設(shè)備。因此，工程師們往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和資源用于系統(tǒng)搭建。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷壯大，生產(chǎn)過程和制作工藝的日趨復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)測(cè)試和各種信息集成的要求也就越來越高。數(shù)據(jù)采

7、集系統(tǒng)的好壞將直接影響自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為了滿足不同的測(cè)試需求，以及減少對(duì)資源的浪費(fèi)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)該盡量滿足通用性和可擴(kuò)展性。在高度發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)中，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化已成為人所共知的必然趨勢(shì)，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(chǔ)上。人們只有從外界獲取大量準(zhǔn)確、可靠的信息經(jīng)過一系列的科學(xué)分析、處理、加工與判斷，進(jìn)而認(rèn)識(shí)和掌握自然界與科學(xué)技術(shù)中的各種現(xiàn)象與其相關(guān)的變化規(guī)律，并通過相應(yīng)的系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究與生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化。換言之，生產(chǎn)過程的自動(dòng)化面臨的第一個(gè)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(cè)、監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)，以保證現(xiàn)場(chǎng)

8、設(shè)備的正常工作。所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是重要的前期基礎(chǔ)工作，然后再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和相應(yīng)的處理工作 ( 基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2) ) ，以滿足不同的需要。     數(shù)據(jù)分析在整個(gè)科研工作中是個(gè)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(duì)象的內(nèi)在規(guī)律。在實(shí)用中，數(shù)據(jù)分析可幫助人們作出判斷，以便采取適當(dāng)行動(dòng)。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(zhì)量管理體系的支持過程。在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期，包括從市場(chǎng)調(diào)研到售后服務(wù)和最終處置的各個(gè)過程都需

9、要適當(dāng)運(yùn)用數(shù)據(jù)分析過程，以提升有效性。例如，一個(gè)企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)人要通過市場(chǎng)調(diào)查，分析所得數(shù)據(jù)以判定市場(chǎng)動(dòng)向，從而制定合適的生產(chǎn)及銷售計(jì)劃。因此數(shù)據(jù)分析有極其廣泛的應(yīng)用范圍。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)工作的質(zhì)量和速度如何，對(duì)整個(gè)科研工作的影響也是很大的。因此研究一種質(zhì)量性能高的通用數(shù)據(jù)采集平臺(tái)具有很大的意義。在近幾十年來 IC 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)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(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，也提出了更高的要求和強(qiáng)有力的推動(dòng)。如今面臨著先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)與落后的信息采集與分析技術(shù)的現(xiàn)實(shí)差距，那將大大影響科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化。所以，近幾十年來世界各國(guó)都大量投入進(jìn)行信息采集與

10、分析的工作，尤其是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的美、英、德、法日等國(guó)與我國(guó)，都對(duì)這一技術(shù)高度重視。1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)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(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，與傳感器、信號(hào)測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來越廣泛得應(yīng)用，同時(shí)人們對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，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(shè)計(jì)者所共同關(guān)注的重要問題，于是，高速及超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生并且得到了快速發(fā)

11、展。今天，數(shù)據(jù)采集技術(shù)己經(jīng)在雷達(dá)、通信、水聲、振動(dòng)工程、無損監(jiān)測(cè)、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用并且收到了良好的效果。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國(guó)防、航天、邊緣科學(xué)研究中及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域的成功的應(yīng)用，進(jìn)一步引起了各方的關(guān)注，推動(dòng)了它的研制和發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)外很多公司與廠商都投入巨資進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制開發(fā)與生產(chǎn)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(chǎn)品來看，各大公司提供的系列產(chǎn)品都包括了完成數(shù)據(jù)采集的諸如信號(hào)放大、濾波、多路開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換和接口等各種模塊?，F(xiàn)有的高速數(shù)據(jù)采集器

12、件和開發(fā)的產(chǎn)品中，目前還沒有完全實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率。在雷達(dá)、通信、譜分析、瞬態(tài)分析、電視等應(yīng)用領(lǐng)域，為滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)和高速采集的日益更新的需要，實(shí)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(gè)發(fā)展方向。現(xiàn)有的高速 ADC 器件和產(chǎn)品價(jià)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(shí)，開發(fā)和研制的器件和產(chǎn)品應(yīng)不斷地提高可靠性，降低成本，提高性價(jià)比，以便使之得到更廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，由于歷史、技術(shù)等原因，我們的產(chǎn)品普遍存在：通用性差、用途單一、測(cè)點(diǎn)少、測(cè)量距離小、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，遠(yuǎn)沒有形成系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的通用產(chǎn)品，根本無法滿足

13、國(guó)內(nèi)用戶不斷增長(zhǎng)的需要，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與國(guó)外產(chǎn)品抗衡，正因此使得價(jià)格高昂的國(guó)外產(chǎn)品占有 ( 基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3) 了相當(dāng)大的市場(chǎng)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(chǎn)實(shí)踐研究與應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。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(jìn)一步完善與成熟，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)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(zhuǎn)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、分辨率、精度逐步提高，為分析功能的加強(qiáng)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(jī)為核心，隨著微電子

14、技術(shù)的不斷發(fā)展，新興單片機(jī)的不斷問世，十六位、三十二位單片機(jī)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(chǎng)。同時(shí)，通用 PC 機(jī)的 CPU 用于數(shù)據(jù)處理也較為常見?？傊?，伴隨著高性能微處理器的采用和用戶技術(shù)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(gè)趨勢(shì)：首先，在專業(yè)測(cè)控方面，基于 PC 計(jì)算機(jī)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(gòu) PC 機(jī)的處理能力平均每十八個(gè)月就增強(qiáng)一倍。為了充分利用處理器速度的發(fā)展，現(xiàn)代開放式測(cè)量平臺(tái)結(jié)合了高速總線接口，如 PCI和 PXI/Compact PCI，以

15、便獲得性能的進(jìn)一步提升。計(jì)算機(jī)的性能提升和由此引起的基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新，正在持續(xù)不斷地模糊著傳統(tǒng)儀器和基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器之間的界線。其次，在通用測(cè)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(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)組成應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展到在單芯片上實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)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(huì)集成一個(gè)，可以采樣多路模擬信號(hào)的 A/D 轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和一個(gè)硬 CPU 核(比如增強(qiáng)型 80_52 內(nèi)核)，而且其CPU 的運(yùn)算處理速度和性能也較早期的標(biāo)準(zhǔn) CPU 內(nèi)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(shè)計(jì)

16、的復(fù)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 的研究與應(yīng)用目前也逐漸引起業(yè)內(nèi)重視。但是這類產(chǎn)品目前僅僅處于發(fā)展的初級(jí)階段，在精度、速度或其它性能指標(biāo)上并不能很好的滿足要求。因此，國(guó)內(nèi)外以 DSP 作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣控制和分析運(yùn)算的研究與應(yīng)用正在展開。近年來隨著芯片技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)取得了許多新的技術(shù)成果，市場(chǎng)上推出了繁多的新產(chǎn)品。高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)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(hào)調(diào)理，另一端是采集后的數(shù)字化信號(hào)的實(shí)時(shí)處理與事后處理。20世紀(jì)90年代末，隨著數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展，

17、數(shù)據(jù)采集技術(shù)已向著并行、高速、大量存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)分析處理 本文基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)(4)- 、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(jù)采樣定理，采樣頻率fs必須高于被采信號(hào)最高頻率fch的兩倍，才不致產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。例如信號(hào)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，發(fā)展了一種欠采樣技術(shù)，即采樣頻率fs可以低于信號(hào)頻率fch，但信號(hào)的頻帶寬度不得大于0.5fs，利用采樣信號(hào)產(chǎn)生的高次諧波，將采樣后的信號(hào)移至第二或者更高的奈奎斯特區(qū)。例如采樣頻率fs

18、為10kHz，可對(duì)頻帶fch落于1114kHz的信號(hào)(頻帶寬度為3kHz，低于0.5fs=5kHz)進(jìn)行欠采樣。于是在采樣頻率2次諧波兩邊產(chǎn)生的采樣后的信號(hào)頻帶為f2ch = 2fs±fch = 20 kHz±(1114 kHz)= 3134 kHz，或96 kHz等效時(shí)間采樣（Equivalent Time Sampling ）。主要是對(duì)于重復(fù)的周期波形進(jìn)行等效時(shí)間采樣。例如美國(guó)泰克公司的TDS784D數(shù)字存儲(chǔ)示波器，其實(shí)際的采樣頻率為 1 GS/s ( 1GHz )，對(duì)于重復(fù)的周期信號(hào)，采取周期微差法，可以達(dá)到250GS/s(250GHz)的等效時(shí)間采樣。例如對(duì)于 1

19、GHz 的方波，進(jìn)行周期微差法采樣，每個(gè)周期的采樣只有微小的時(shí)差，將若干個(gè)周期中的樣點(diǎn)集中排列，即可測(cè)出方波上升沿和下降沿的波形。對(duì)于單次瞬態(tài)信號(hào)，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(shí)分制、多通道巡回采集。并行式采集（Parallel Acquisition)：多個(gè)通道同步并行采集，每個(gè)通道采用一個(gè)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器，通道采集速率只取決于A/D的轉(zhuǎn)換速率，與通道數(shù)無關(guān)。交替采集（Internative Acquisition）：一個(gè)通道由多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器交替采集，使每個(gè)通道采樣速率等于多個(gè)A/D的轉(zhuǎn)換速率之和，可以

20、高于單個(gè)A/D的轉(zhuǎn)換速率。(3)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與處理軟件目前國(guó)外的測(cè)試儀器或系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，在生產(chǎn)硬件的同時(shí)，推出其相應(yīng)的支持軟件或軟件開發(fā)平臺(tái)，如為產(chǎn)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(yīng)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(yīng)用程序的手段。         1.4 本文主要內(nèi)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(shè)計(jì)，實(shí)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(jìn)行的數(shù)據(jù)采集與分析。全文的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章 緒論，說明了研究背景、意義、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)

21、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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)采集與分析的具體過程第五章 主要對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了舉例 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 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(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，即下位機(jī)智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī) HMI（Human Machine Interface）系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將客觀世界被測(cè)對(duì)象信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)的功能等；計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的控制、存儲(chǔ)和處理等功能，計(jì)算機(jī)起著對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理、統(tǒng)計(jì)分析、提供

22、人機(jī)接口與其他計(jì)算機(jī)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(xué)科，所研究的對(duì)象是物理或生物等各種非電或電信號(hào)。根據(jù)各種非電或電信號(hào)的特征，利用相應(yīng)的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換為可真實(shí)反映事物特征的電信號(hào)后，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的有限長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學(xué)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)控制的重要依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀和微觀自然科學(xué)的量化認(rèn)識(shí)，典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖2-1所示。< （基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)(5) P>            

23、60;                  ;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(jié)構(gòu)如圖2-2所示。模擬信號(hào)由傳感器采得經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊送入數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中完成AD轉(zhuǎn)換，包括采樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后送入與之相連的PC機(jī)中。根據(jù)不同的要求，在PC機(jī)上利用MATLAB以及二次編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與處理。用戶可以通過人機(jī)交互界面修改、設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)來控制數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，同時(shí)可以得到

24、數(shù)據(jù)的采集與分析結(jié)果， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析的自動(dòng)化。利用聲卡在WINDOWS環(huán)境下開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，由于受編程語言的限制，其數(shù)據(jù)分析與處理的功能非常有限。例如，為了對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，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(jìn)一步擴(kuò)展。而利用聲卡作為AD轉(zhuǎn)換工具，經(jīng)過衰減和取樣電路得到的模擬信號(hào)送至聲卡的線路輸入端LINEIN，并利用MATLAB中提供的數(shù)據(jù)采集工具箱，可滿足控制聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的要求。用戶通過調(diào)用MATLAB命令， 可對(duì)采集的提基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)(6) 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。整個(gè)系統(tǒng)

25、可分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大部分，以友好的圖形界面與用戶進(jìn)行交互溝通。數(shù)據(jù)采集部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，根據(jù)用戶選擇的采樣頻率和預(yù)設(shè)的采樣時(shí)間，從聲卡獲得用戶需要的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析部分對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。全部數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域波形以圖形方式直觀地呈現(xiàn)于用戶面前。此外，還提供保存數(shù)據(jù)以及回放數(shù)據(jù)的功能。圖2-3給出了基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，主要部件數(shù)據(jù)采集工具箱提供了硬件驅(qū)動(dòng)程序和MATLAB環(huán)境之間“對(duì)話”所需的硬件驅(qū)動(dòng)程序適配器、數(shù)據(jù)采集引擎和M-文件函數(shù)     硬件驅(qū)動(dòng)程序適配器在硬件驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集引擎之間交換屬性數(shù)值、數(shù)據(jù)和事件

26、；數(shù)據(jù)采集引擎用來存儲(chǔ)各個(gè)設(shè)備對(duì)象，以及每個(gè)設(shè)備對(duì)象的屬性值；對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并且使不同事件同步；M-文件用來創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象、采集或輸出數(shù)據(jù)、配置屬性值和檢測(cè)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。2.2 系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能指標(biāo) 現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展到今天，一般來說具有如下主要特點(diǎn)：（1）現(xiàn)代采集系統(tǒng)一般都由計(jì)算機(jī)控制，使得數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件投資。（2）軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的作用越來越大，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。（3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合的日益緊密，形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。（4）數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性，實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足

27、實(shí)際需要；對(duì)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(yīng)用環(huán)境。（5）隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高，甚至出現(xiàn)了單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（6）總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，總線技術(shù)它對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。評(píng)價(jià)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能有很多指標(biāo)，但是一般采用以下幾個(gè)比較常用的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。（1）系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)的最小變化量。通?？梢杂萌缦聨追N方法表示系統(tǒng)分辨率：使用系統(tǒng)所采用的 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)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

28、分辨的實(shí)際電壓數(shù)值表示系統(tǒng)分辨率；使用滿度值可以分的級(jí)數(shù)表示系統(tǒng)分辨率。（2）系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。A/D 轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。實(shí)際上，系統(tǒng)精度往往達(dá)不到A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。因?yàn)橄到y(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個(gè)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(guān)等。只有當(dāng)這些子系統(tǒng)的精度都明顯優(yōu)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度時(shí)，系統(tǒng)精度才有可能達(dá)到 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實(shí)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 ,基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)(7) 示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。（3）采集速率

29、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(biāo)的前提下，系統(tǒng)對(duì)輸入的模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所能完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個(gè)通道、每秒鐘可采集的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。這里說的“采集”包括對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲(chǔ)的全部過程。（4）動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是指某個(gè)確定的物理量的變化范圍。信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最大幅度和最小幅度之比的分貝數(shù)。2.3 系統(tǒng)常見的幾種結(jié)構(gòu)形式 （1）多通道共享采樣/保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這種系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，這種結(jié)構(gòu)形式采用分時(shí)轉(zhuǎn)換工作的方式，多路被測(cè)信號(hào)共用一個(gè)采樣/保持器和一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。當(dāng)采樣保持器的輸出已充分逼近輸入信號(hào)

30、（按給定精度）時(shí)，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)，A/D 轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號(hào)。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)將下一路信號(hào)切換到采樣/保持器的輸入端，系統(tǒng)不斷重復(fù)以上的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。采樣方式可以按順序或隨機(jī)進(jìn)行。（1）現(xiàn)代采集系統(tǒng)一般都由計(jì)算機(jī)控制，使得數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件投資。（2）軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的作用越來越大，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。（3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合的日益緊密，形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。（4）數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性，實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實(shí)際需要；對(duì)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(yīng)用