數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：聲卡

數(shù)據(jù)采集

MATLAB

信號(hào)處理論文摘要：運(yùn)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)輕易和系統(tǒng)靈活等長(zhǎng)處。本文詳細(xì)簡(jiǎn)介了系統(tǒng)的開發(fā)背景,軟件構(gòu)造和特點(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)。

本文簡(jiǎn)介了MATLAB及其數(shù)據(jù)采集工具箱,

運(yùn)用聲卡的A/

D、D/

A

技術(shù)和MATLAB

的以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)樸、性價(jià)比和靈活度高的長(zhǎng)處。用MATLAB

語(yǔ)言編制了對(duì)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,操作以便,并且可以根據(jù)顧客的需求進(jìn)行功能擴(kuò)充。最終給出了應(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，是試驗(yàn)、測(cè)量、觀測(cè)、調(diào)查等的成果，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)搜集、歸類、整頓、錄入到系統(tǒng)當(dāng)中去。數(shù)據(jù)采集是機(jī)管理系統(tǒng)使用前的一種數(shù)據(jù)初始化過(guò)程。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個(gè)領(lǐng)域。例如攝像頭，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))的多種參量(可以是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等)通過(guò)多種傳感元件作合適轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳播等環(huán)節(jié)，最終送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過(guò)程。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)的多種物理量，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，即隔一定期間（稱采樣周期）對(duì)同一點(diǎn)數(shù)據(jù)反復(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)的一種特性值。精確的數(shù)據(jù)測(cè)量是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)測(cè)量措施有接觸式和非接觸式，檢測(cè)元件多種多樣。不管哪種措施和元件，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)的對(duì)的性。數(shù)據(jù)采集含義很廣，包括對(duì)持續(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(guò)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(wèn)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(lái)，伴隨數(shù)字化技術(shù)的不停，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也展現(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，其基本任務(wù)是把信號(hào)送入計(jì)算機(jī)或?qū)?yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，根據(jù)不一樣的需要進(jìn)行對(duì)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，再通過(guò)計(jì)算機(jī)處理得出所需的數(shù)據(jù)。同步，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(guò)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，有多種數(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)等各方面的不一樣需要，但由于數(shù)據(jù)源以及顧客需求的多樣性，有時(shí)并不能滿足規(guī)定。尤其是在某些應(yīng)用中，需要同步高速采集多種通道的數(shù)據(jù)，并且為了分析比較各通道信號(hào)間的互相關(guān)系，常常規(guī)定所有通道的采集必須同步。既有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿足上述規(guī)定的比較少，且價(jià)格十分昂貴，體積較大，分量較重，使用十分不以便。一般模擬量是通過(guò)多種數(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)傳播率很高，不過(guò)還存在整個(gè)系統(tǒng)粗笨，缺乏靈活性，不能實(shí)現(xiàn)即插即用，不適合小型、便攜設(shè)備采用等缺陷。此外這些類型的采集卡在計(jì)算機(jī)上安裝比較麻煩，并且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制不也許掛接諸多設(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。伴隨工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不停壯大，生產(chǎn)過(guò)程和制作工藝的日趨復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)測(cè)試和多種信息集成的規(guī)定也就越來(lái)越高。數(shù)據(jù)采集系統(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，為了滿足不一樣的測(cè)試需求，以及減少對(duì)資源的揮霍，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)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，技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化已成為人所共知的必然趨勢(shì)，而它們的共同規(guī)定是必須建立在有著不停發(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精確、可靠的信息通過(guò)一系列的科學(xué)分析、處理、加工與判斷，進(jìn)而認(rèn)識(shí)和掌握界與科學(xué)技術(shù)中的多種現(xiàn)象與其有關(guān)的變化，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)和措施實(shí)現(xiàn)科學(xué)試驗(yàn)研究與生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化。換言之，生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化面臨的第一種問(wèn)題就是必須根據(jù)從多種傳感器得到的數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)、監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)，以保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常工作。因此對(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)行傳播和對(duì)應(yīng)的處理工作，以滿足不一樣的需要。數(shù)據(jù)采集卡是中低端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必選產(chǎn)品?；?/p>

ISA、PCI

的插卡式數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在如下缺陷：安裝麻煩；價(jià)格昂貴；受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差；在某些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法專門對(duì)其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。而現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展規(guī)定數(shù)據(jù)采集卡具有更好的數(shù)據(jù)采集、處理能力，老式的

CPU

已經(jīng)不能滿足這一規(guī)定。針對(duì)以上規(guī)定，本文將論述一種基于PC機(jī)的聲卡技術(shù)，它安裝輕易，成本較低。只需運(yùn)用計(jì)算機(jī)自身的軟硬件資源，而不需添加其他任何設(shè)備即可構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，使用MATIAB語(yǔ)言編制簡(jiǎn)潔的圖形顧客界面，該界面操作以便，并且可以根據(jù)顧客的需求進(jìn)行功能擴(kuò)充。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(méi)在一大批看來(lái)雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中的信息集中、萃取和提煉出來(lái)，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)分析可協(xié)助人們作出判斷，以便采用合適行動(dòng)。數(shù)據(jù)分析是組織有目的地搜集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，使之成為信息的過(guò)程。這一過(guò)程是質(zhì)量管理體系的支持過(guò)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(guò)程都需要合適運(yùn)用數(shù)據(jù)分析過(guò)程，以提高有效性。例如，一種的領(lǐng)導(dǎo)人要通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，分析所得數(shù)據(jù)以鑒定市場(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)量和速度怎樣，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(lái)

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)，也提出了更高的規(guī)定和強(qiáng)有力的推進(jìn)。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(guò)程的高度自動(dòng)化。因此，近幾十年來(lái)世界各國(guó)都大量投入進(jìn)行信息采集與分析的工作，尤其是在發(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)的一種重要分支，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。伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛得應(yīng)用，同步人們對(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、控制措施以及抗干擾能力等提出了越來(lái)越高的規(guī)定，尤其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(wèn)題，于是，高速及超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生并且得到了迅速發(fā)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(wú)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，深入引起了各方的關(guān)注，推進(jìn)了它的研制和發(fā)展。伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)外諸多企業(yè)與廠商都投入巨款進(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(lái)看，各大企業(yè)提供的系列產(chǎn)品都包括了完畢數(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)換和接口等多種模塊。既有的高速數(shù)據(jù)采集器件和開發(fā)的產(chǎn)品中，目前還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)高速、高辨別率。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、高辨別率已成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種發(fā)展方向。既有的高速

ADC

器件和產(chǎn)品價(jià)格都比較昂貴，有些高速、高辨別率的器件自身還存在著不穩(wěn)定性，因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、高辨別率發(fā)展的同步，開發(fā)和研制的器件和產(chǎn)品應(yīng)不停地提高可靠性，減少成本，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、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)性差等缺陷，遠(yuǎn)沒(méi)有形成系列化、模塊化、原則化的通用產(chǎn)品，主線無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)顧客不停增長(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)品占有了相稱大的市場(chǎng)份額。1.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)狀況及發(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)域的一種熱點(diǎn)和難點(diǎn)。伴隨微電子制造工藝水平的飛速提高及數(shù)據(jù)分析理論的深入完善與成熟，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獲得了很大的成就。就

A/D

轉(zhuǎn)換的精度、速度和通道數(shù)來(lái)說(shuō)，采樣通道從單通道發(fā)展到雙通道、多通道，采樣頻率、辨別率、精度逐漸提高，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)為關(guān)鍵，伴隨微電子技術(shù)的不停發(fā)展，新興單片機(jī)的不停問(wèn)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(lái)采用品有

DSP

功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也己投入市場(chǎng)。同步，通用

PC

機(jī)的

CPU

用于數(shù)據(jù)處理也較為常見(jiàn)?？傊?，伴伴隨高性能微處理器的采用和顧客技術(shù)規(guī)定的不停提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能也越來(lái)越完善。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展重要體目前如下幾種趨勢(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(lái)越成熟和智能化。在過(guò)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。為了充足運(yùn)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，以便獲得性能的深入提高。計(jì)算機(jī)的性能提高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)不停地模糊著老式儀器和基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器之間的界線。另一方面，在通用測(cè)控方面，采用嵌入式微處理器的方案也由初期的采用

A/D

器件和原則單片機(jī)構(gòu)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)。一般在一塊芯片上會(huì)集成一種，可以采樣多路模擬信號(hào)的

A/D

轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和一種硬

CPU

核(例如增強(qiáng)型

80_52

內(nèi)核)，并且其CPU

的運(yùn)算處理速度和性能也較初期的原則

CPU

內(nèi)核提高了數(shù)倍，并且有著極低的功耗。這種單芯片處理方案減少了系統(tǒng)的成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，為了處理

SOC

方案中數(shù)據(jù)處理性能的局限性，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。不過(guò)此類產(chǎn)品目前僅僅處在發(fā)展的初級(jí)階段，在精度、速度或其他性能指標(biāo)上并不能很好的滿足規(guī)定。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(lái)伴隨芯片技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲得了許多新的技術(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)展首先是提高采集速率，另首先不停向兩端延伸。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，伴隨數(shù)字技術(shù)迅速發(fā)展，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、集成化等方向發(fā)展。(1)采樣方式①過(guò)采樣（Over

Sampling）。采樣方式中最早是過(guò)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。②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)的頻帶寬度不得不小于0.5fs，運(yùn)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為10kHz，可對(duì)頻帶fch落于11～14kHz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±(11～14

kHz)=

31～34

kHz，或9～6

kHz③等效時(shí)間采樣（Equivalent

Time

Sampling

）。重要是對(duì)于反復(fù)的周期波形進(jìn)行等效時(shí)間采樣。例如美國(guó)泰克企業(yè)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)于反復(fù)的周期信號(hào)，采用周期微差法，可以到達(dá)250GS/s(250GHz)的等效時(shí)間采樣。例如對(duì)于

1

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)，這種措施是無(wú)效的。④變速率變辨別率采樣。(2)采集方式的發(fā)展①掃描式采集（Scanning

Acquisition）：時(shí)分制、多通道巡回采集。②并行式采集（Parallel

Acquisition)：多種通道同步并行采集，每個(gè)通道采用一種獨(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(wú)關(guān)。③交替采集（Internative

Acquisition）：一種通道由多種A/D轉(zhuǎn)換器交替采集，使每個(gè)通道采樣速率等于多種A/D的轉(zhuǎn)換速率之和，可以高于單個(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)硬件的同步，推出其對(duì)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；為終端顧客提供編寫自己的顧客應(yīng)用程序的手段。1.4

本文重要內(nèi)容和章節(jié)安排

本文完畢了一種基于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)境下運(yùn)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。全文的構(gòu)造安排如下：第一章

緒論，闡明了研究背景、意義、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)實(shí)狀況，以及系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況。第二章

重要簡(jiǎn)介了系統(tǒng)構(gòu)造特點(diǎn)及性能第三章

重要簡(jiǎn)介了聲卡、MATLAB軟件及其工具箱的使用第四章

重要討論了系統(tǒng)構(gòu)造功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)采集與分析的詳細(xì)過(guò)程第五章

重要對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了舉例

2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造特點(diǎn)

2.1

系統(tǒng)構(gòu)成構(gòu)造

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要由兩部分構(gòu)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、記錄分析、提供人機(jī)接口與其他計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信和互換的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)波及多學(xué)科，所研究的對(duì)象是物理或生物等多種非電或電信號(hào)。根據(jù)多種非電或電信號(hào)的特性，運(yùn)用對(duì)應(yīng)的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換為可真實(shí)反應(yīng)事物特性的電信號(hào)后，經(jīng)A／D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)控制的重要根據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀和微觀自然科學(xué)的量化認(rèn)識(shí)，經(jīng)典的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖2-1所示。圖2-1

經(jīng)典數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成而一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造如圖2-2所示。模擬信號(hào)由傳感器采得通過(guò)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)備中完畢A／D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)不一樣的規(guī)定，在PC機(jī)上運(yùn)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。顧客可以通過(guò)人機(jī)交互界面修改、設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)來(lái)控制數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，同步可以得到數(shù)據(jù)的采集與分析成果，

從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析的自動(dòng)化。圖2-2

一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造運(yùn)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(yǔ)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，則需要顧客以VB或C語(yǔ)言來(lái)編寫功率譜分析的子程序，這顯然增長(zhǎng)了開發(fā)的難度，并且也極不利于分析功能的深入擴(kuò)展。而運(yùn)用聲卡作為A／D轉(zhuǎn)換工具，通過(guò)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，并運(yùn)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)采集的規(guī)定。顧客通過(guò)調(diào)用MATLAB命令，

可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。整個(gè)系統(tǒng)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顧客進(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)顧客選擇的采樣頻率和預(yù)設(shè)的采樣時(shí)間，從聲卡獲得顧客需要的數(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。所有數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域波形以圖形方式直觀地展現(xiàn)于顧客面前。此外，還提供保留數(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，重要部件數(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-文獻(xiàn)函數(shù)．圖2-3

基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)圖硬件驅(qū)動(dòng)程序適配器在硬件驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集引擎之間互換屬性數(shù)值、數(shù)據(jù)和事件；數(shù)據(jù)采集引擎用來(lái)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)并且使不一樣事件同步；M-文獻(xiàn)用來(lái)創(chuàng)立設(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)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到今天，一般來(lái)說(shuō)具有如下重要特點(diǎn)：（1）現(xiàn)代采集系統(tǒng)一般都由機(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(lái)越大，增長(zhǎng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。（3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理互相結(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、處理到控制的所有工作。（4）數(shù)據(jù)采集過(guò)程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性，實(shí)時(shí)的原則是能滿足實(shí)際需要；對(duì)于通用采集系統(tǒng)一般但愿有盡量高的速度，以滿足更多的應(yīng)用環(huán)境。（5）伴隨技術(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(lái)越小，可靠性越來(lái)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)構(gòu)造的發(fā)展起著重要作用。評(píng)價(jià)一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能有諸多指標(biāo)，不過(guò)一般采用如下幾種比較常用的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。（1）系統(tǒng)辨別率系統(tǒng)辨別率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以辨別的輸入信號(hào)的最小變化量。一般可以用如下幾種措施表達(dá)系統(tǒng)辨別率：使用系統(tǒng)所采用的

A/D

轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表達(dá)系統(tǒng)辨別率；使用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)滿度值的比例表達(dá)系統(tǒng)辨別率；使用系統(tǒng)可辨別的實(shí)際電壓數(shù)值表達(dá)系統(tǒng)辨別率；使用滿度值可以分的級(jí)數(shù)表達(dá)系統(tǒng)辨別率。（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)所能到達(dá)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。由于系統(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)精度才有也許到達(dá)

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)多種誤差的總和，一般表達(dá)為滿度值的百分?jǐn)?shù)。（3）采集速率采集速率又稱為系統(tǒng)通過(guò)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)所能完畢的采集次數(shù)，或者說(shuō)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(shuō)的“采集”包括對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳播和存儲(chǔ)的所有過(guò)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(jiàn)的幾種構(gòu)造形式

（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，這種構(gòu)造形式采用分時(shí)轉(zhuǎn)換工作的方式，多路被測(cè)信號(hào)共用一種采樣/保持器和一種

A/D

轉(zhuǎn)換器。當(dāng)采樣保持器的輸出已充足迫近輸入信號(hào)（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)不停反復(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。采樣方式可以按次序或隨機(jī)進(jìn)行。多通道共享采樣保持器和

AD

轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖這種采集系統(tǒng)構(gòu)造形式最簡(jiǎn)樸，所用芯片數(shù)量少，合用于信號(hào)變化率不高、對(duì)采樣信號(hào)不規(guī)定同步的場(chǎng)所。假如被測(cè)信號(hào)變化速率較慢，可以不用采樣保持器，直接進(jìn)行

A/D

轉(zhuǎn)換。假如信號(hào)很弱而干擾噪聲強(qiáng)，需要在系統(tǒng)電路中增長(zhǎng)信號(hào)放大電路和濾波環(huán)節(jié)。（2）多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖其構(gòu)造如上圖所示，也屬于分時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。多路模擬輸入信號(hào)共用一種

A/D

轉(zhuǎn)換器，不過(guò)每個(gè)通道各有一種采樣/保持器，在同一采樣指令控制下對(duì)各路信號(hào)同步進(jìn)行信號(hào)采樣，得到各路信號(hào)在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。模擬開關(guān)分時(shí)將各路采樣/保持器切換到

A/D

轉(zhuǎn)換器上，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這些同步數(shù)據(jù)可以描述各路信號(hào)的相位關(guān)系，因此這種構(gòu)造被稱為同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于各路信號(hào)必須串行的在共用的

A/D

轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換和計(jì)算，若采樣信號(hào)回路過(guò)多時(shí)，這種采集構(gòu)造的速度仍然較慢。（3）多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如上圖所示。這種構(gòu)造形式中，每個(gè)通道均有自己的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)接口電路送到計(jì)算機(jī)中。相對(duì)于前兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種構(gòu)造形式的數(shù)據(jù)采集速度最快，但所用的硬件電路復(fù)雜，成本較高。通用型模擬量數(shù)據(jù)采集模塊則屬于這一類的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊是屬于單片機(jī)的智能器件，在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，每個(gè)模塊可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)、并行地工作，每個(gè)模塊僅完畢幾路信號(hào)的檢測(cè)和采集，實(shí)時(shí)響應(yīng)性能優(yōu)。（4）分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以上簡(jiǎn)介的三種構(gòu)造形式中，系統(tǒng)各部件之間的空間距離很近，邏輯上耦合程度緊密，都可以稱之為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的長(zhǎng)處是：構(gòu)造簡(jiǎn)樸，輕易實(shí)現(xiàn)，能滿足中小規(guī)模的集中數(shù)據(jù)采集的規(guī)定。在市面上均有成熟產(chǎn)品可供選用。系統(tǒng)的體積和設(shè)備量小，造價(jià)低。由于工作原理、構(gòu)造形式和性能設(shè)計(jì)等原因，此類系統(tǒng)也存在不少缺陷：由于系統(tǒng)構(gòu)造不靈活，不易擴(kuò)展，因此不適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場(chǎng)所?？垢蓴_能力差，尤其對(duì)于被測(cè)對(duì)象物理位置分散、傳感器輸出的微弱信號(hào)需要長(zhǎng)距離傳播時(shí)，所受的干擾不容忽視的。可靠性差。系統(tǒng)構(gòu)造中某一部件出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作瓦解。由于各部件之間緊密耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性差。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)綜合和發(fā)展的產(chǎn)物，基于“分散采集、集中管理”的思想設(shè)計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)造形式，由若干個(gè)“數(shù)據(jù)采集點(diǎn)”和上位機(jī)以及通信接口構(gòu)成。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造如下圖所示：分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖處在分散部位的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)相稱于小型的集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，位于被測(cè)對(duì)象的附近，可獨(dú)立完畢數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理任務(wù)，并將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的形式傳送給上位機(jī)，采用數(shù)據(jù)傳播的措施可以克服模擬信號(hào)傳播的固有缺陷。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是：（1）系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)。由于可以通過(guò)選用合適數(shù)量的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)來(lái)構(gòu)成對(duì)應(yīng)規(guī)模的系統(tǒng),因此無(wú)論是大規(guī)模的系統(tǒng)，還是中小規(guī)模的系統(tǒng)，分布式構(gòu)造都可以適應(yīng)。（2）系統(tǒng)可靠性高。由于采用了多種數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，若某個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)出現(xiàn)故障，只會(huì)影響某項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集，而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其他部分導(dǎo)致任何影響。（3）系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)性好。由于系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間是真正“并行”工作的，因此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)性很好。（4）此外，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是用數(shù)字信號(hào)傳播替代模擬信號(hào)傳播，有助于克服常模干擾和共模干擾。因此，這種系統(tǒng)尤其適合于在惡劣的環(huán)境下工作。目前對(duì)于大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)所一般都采用分布式構(gòu)造，根據(jù)不一樣的數(shù)據(jù)采集工作原理、構(gòu)造形式和性能特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中采用集中式的數(shù)據(jù)采集器件作為數(shù)據(jù)采集終端，采用上下位的連接方式，最終構(gòu)成整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3

MATLAB軟件3.1

MATLAB

簡(jiǎn)介

MATLAB

是美國(guó)MathWorks

企業(yè)開發(fā)的一種功能極其強(qiáng)大的高技術(shù)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和內(nèi)容極其豐富的軟件庫(kù)，它適合于工程各領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算的軟件，該軟件包括基本部分和專業(yè)擴(kuò)展兩大部分．?dāng)U展部分稱為工具箱，用于處理某首先的專業(yè)問(wèn)題．它以矩陣和向量的運(yùn)算以及運(yùn)算成果的可視化為基礎(chǔ),把廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、函數(shù)生成、信號(hào)處理、圖形及圖像處理、建模與仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一種便于顧客使用的交互式環(huán)境中,為使用者提供了一種高效的編程工具及豐富的算法資源。對(duì)于信號(hào)處理和圖像處理等數(shù)字處理領(lǐng)域,MATLAB

更是得天獨(dú)厚,它豐富的M文獻(xiàn)和強(qiáng)大的繪圖可視功能為使用者帶來(lái)了極大的以便,

被廣泛的應(yīng)用于信號(hào)與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信、系統(tǒng)仿真等諸多領(lǐng)域，尤其對(duì)初學(xué)者可起到事半功倍之效。MATLAB是一種解釋語(yǔ)言，所有的程序和指令都必須在MATLAB解釋器中讀入后才能運(yùn)行，因而極大地限制了代碼執(zhí)行速度。MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能只能在其平臺(tái)上才能使用，也就是說(shuō)，必需在安裝了其解釋器的機(jī)器上才能使用MATLAB的M文獻(xiàn)，這樣就給工程應(yīng)用帶來(lái)了很大不便。對(duì)于一般顧客來(lái)講，MATLAB只能作為離線的計(jì)算和分析工具，而不能作為實(shí)時(shí)的工程工具。幸運(yùn)的是，開發(fā)MATLAB的MathWorks企業(yè)為廣大的應(yīng)用者提供了應(yīng)用程序接口(API，ApplicationProgram

Interface)和編譯器(Compiler)。運(yùn)用MATLAB和C語(yǔ)言交互，也可以開發(fā)基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。假如配上數(shù)據(jù)采集線路，該系統(tǒng)就可以作為一種虛擬儀器來(lái)使用。3.2

數(shù)據(jù)采集工具箱及聲卡簡(jiǎn)介

MATLAB

自帶的數(shù)據(jù)采集工具箱(Data

Acquisitiontoolbox,

DAQ)

能更輕易地將試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化操作。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括:

多媒體聲卡、美國(guó)國(guó)家儀器E系列和1200

系列接口板、Hewlett-Packard-VXIE1432-

系列接口板及其他多種數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備。數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的內(nèi)部特性對(duì)MATLAB

的接口完全透明,

無(wú)論是使用一種或幾種硬件設(shè)備,

數(shù)據(jù)采集工具箱都會(huì)向所有硬件設(shè)備提供單一和統(tǒng)一的接口。通過(guò)調(diào)用MATLAB

命令和函數(shù)可對(duì)與計(jì)算機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)并對(duì)其屬性進(jìn)行可視化監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集工具箱是一種建立在MATLAB環(huán)境下的M函數(shù)文獻(xiàn)和MEX動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文獻(xiàn)的集合，包括3大區(qū)域的組件：M文獻(xiàn)函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎及硬件驅(qū)動(dòng)適配器。它具有如下特點(diǎn)：是一種通過(guò)使用與PC機(jī)兼容的、即插即用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備在MATLAB環(huán)境中的架構(gòu)；支持模擬信號(hào)的輸入輸出以及數(shù)字信號(hào)的輸入、輸出，子系統(tǒng)還包括同步模擬輸入輸出的轉(zhuǎn)換；支持聲卡；事件驅(qū)動(dòng)采集。在MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱里集成了數(shù)據(jù)采集的M

文獻(xiàn)格式的函數(shù)和MEX文獻(xiàn)格式的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。其重要特性如下：(1)提供了將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)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(shù)字量I／0子系統(tǒng)，包括模擬量I／O實(shí)時(shí)變換。(3)支持PC聲卡和業(yè)界非常流行的數(shù)據(jù)采集設(shè)備如NI卡、并行口(LPT1-LPT3)、Keithley卡等。(4)采用事件驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集工具箱由3部分構(gòu)成：M文獻(xiàn)格式的函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎和硬件驅(qū)動(dòng)，如圖3-1所示。這些構(gòu)成部分使得MATLAB與數(shù)據(jù)采集硬件之間的信息傳遞成為也許。圖3-1

數(shù)據(jù)采集引擎與硬件驅(qū)動(dòng)目前市面上的數(shù)據(jù)采集卡一般都包括了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與機(jī)的接口電路,如NI企業(yè)的E系列數(shù)據(jù)采集卡、研華的數(shù)據(jù)采集卡等,

其價(jià)格是與性能成正比的,可以說(shuō)比較昂貴。在采樣頻率規(guī)定不高的狀況下,可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)的聲卡作為數(shù)據(jù)采集的輸入和輸出。而如今聲卡技術(shù)已經(jīng)成熟,成本越來(lái)越低。一般的聲卡都可以實(shí)現(xiàn)雙通道、16

位、高保真的數(shù)據(jù)采集,采樣率甚至可以到達(dá)48KHz。對(duì)于許多試驗(yàn)和工程測(cè)量來(lái)說(shuō),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(shù)據(jù)采集卡的性能。將其用于數(shù)據(jù)采集,性價(jià)比相稱高。聲卡是一種非常優(yōu)秀的音頻信號(hào)采集系統(tǒng),其數(shù)字信號(hào)處理器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)

,ADC

用于采集音頻信號(hào),DAC用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音,轉(zhuǎn)換率到達(dá)44.1KHz。聲卡已成為多媒體計(jì)算機(jī)的一種原則配置,運(yùn)用聲卡進(jìn)行采樣與輸出,就不需要購(gòu)置專門的采集卡可以減少虛擬儀器的開發(fā)成本,且在音頻范圍內(nèi)可以完全滿足試驗(yàn)規(guī)定。3.3

MATLAB在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集工具箱集成于MATLAB中，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同步，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，或者存儲(chǔ)后再進(jìn)行處理，或者針對(duì)數(shù)據(jù)分析的需要對(duì)測(cè)試條件的設(shè)置進(jìn)行不停的更新。應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工具箱提供的命令和函數(shù)可以控制任何類型的數(shù)據(jù)采集。例如，在硬件設(shè)備運(yùn)行時(shí)，可以獲取事件信息，評(píng)估采集狀態(tài)，定義觸發(fā)器和回訪狀態(tài)，預(yù)覽數(shù)據(jù)以及進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，可以設(shè)置和顯示所有的硬件特性以滿足顧客的技術(shù)指標(biāo)。4系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

聲音信號(hào)的采集與分析處理在工程應(yīng)用中是常常需要處理的問(wèn)題,怎樣實(shí)時(shí)采集聲音信號(hào)并對(duì)其分析處理,從而找出聲音信號(hào)的特性在科學(xué)研究中是一項(xiàng)非常故意義的工作。聲卡是多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本、最常用的硬件之一,其技術(shù)已經(jīng)成熟,它具有AD/DA轉(zhuǎn)換功能,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于聲音信號(hào)采集和虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。MATLAB則是一種功能強(qiáng)大、計(jì)算效率高、交互性好的數(shù)學(xué)計(jì)算和可視化計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言,它將數(shù)值分析、信號(hào)采集與處理和圖形顯示有機(jī)地融為一體,形成了一種極其以便、顧客界面友好的操作環(huán)境。本文所設(shè)計(jì)的聲音信號(hào)采集與分析系統(tǒng)就是充足運(yùn)用了聲卡的AD/DA轉(zhuǎn)換功能和MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,同步,該系統(tǒng)還是建立在MATLAB軟件的圖形界面實(shí)現(xiàn)的,因而使系統(tǒng)具有良好的交互性。基于計(jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：（1）價(jià)格低廉。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，所要采用的是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)所，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)上所附帶的聲卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。（2）靈活性強(qiáng)。顧客不僅可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制操作，還可以把數(shù)據(jù)保留到硬盤，供后來(lái)分析使用。在CPU足夠快的條件下，還可以實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示波形的頻譜、功率譜。此外在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，可以插若干塊聲卡，構(gòu)成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（3）頻率范圍較窄，不能測(cè)直流。由于受聲卡的硬件限制，要得到很好的波形，輸入信號(hào)的頻率最佳在100Hz～15kHz范圍內(nèi)?？傊?，運(yùn)用廉價(jià)的聲卡，構(gòu)成一種較高的采樣精度，中等采樣頻率，且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)于某些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。4.1

系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)

MATLAB提供了一種數(shù)據(jù)采集工具箱(Data

Acquisition

Toolbox),在該數(shù)據(jù)采集工具箱中,有一整套的命令和函數(shù),可用來(lái)直接控制與PC機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,因此,運(yùn)用MATLAB的這一工具箱便可進(jìn)行聲音信號(hào)的采集。然后在MATLAB中直接調(diào)用頻譜分析函數(shù)、功率譜分析函數(shù)或數(shù)值分析函數(shù)等,就可以將采集到的聲音信號(hào)分別進(jìn)行頻譜、功率譜分析等多種譜分析。因此,在MATLAB中可以很輕易地實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與分析處理工作。

圖4-1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體框圖

從系統(tǒng)框圖上看,整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)樸,并且數(shù)據(jù)的后續(xù)分析以便,不需要再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移,而直接在MATLAB軟件中完畢分析處理工作。在該系統(tǒng)中,從硬件上來(lái)講,只需必要的信號(hào)預(yù)處理電路和一臺(tái)一般的多媒體計(jì)算機(jī)(或筆記本電腦)即可;從軟件上來(lái)講,則只需使用本文中所編制的程序,便可從聲卡獲取數(shù)據(jù)并保留為文獻(xiàn),然后再可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。4.2

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大部分構(gòu)成,數(shù)據(jù)采集部分是實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集功能,根據(jù)顧客選擇的采樣頻率和預(yù)設(shè)的采樣樣本數(shù)從聲卡獲得顧客需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析部分重要實(shí)現(xiàn)如下功能:(1)從信號(hào)采集部分獲取數(shù)據(jù),或者從數(shù)據(jù)文獻(xiàn)讀取數(shù)據(jù);(2)實(shí)現(xiàn)將采集到的聲音信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,畫出頻譜圖以圖形方式很直觀地反應(yīng)出信號(hào)特性;(3)保留數(shù)據(jù),包括保留所有數(shù)據(jù)和部分?jǐn)?shù)據(jù)的功能,同步保留對(duì)應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù);(4)顯示聲音信號(hào)數(shù)據(jù)的時(shí)域圖和頻譜圖;(5)其他功能。根據(jù)不一樣的需要,還可以進(jìn)行修改,以選擇合適的試驗(yàn)方案。4.3

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

聲音信號(hào)采集功能的實(shí)現(xiàn)是由MATLAB控制計(jì)算機(jī)聲卡將傳感器得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中;而信號(hào)分析功能是將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)、頻域分析和各項(xiàng)數(shù)值分析等。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要包括系統(tǒng)的硬件配置、編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)四部分。4.3.1

聲音信號(hào)采集的硬件配置

將聲卡插入計(jì)算機(jī)的PCI插槽,安裝好對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序后,將聲音傳感器設(shè)備與聲卡的模擬輸入端連接起來(lái),這就構(gòu)建了聲音采集的硬件設(shè)備,需要注意的是對(duì)聲音傳感器的選擇,應(yīng)選擇音頻專用電纜或屏蔽電纜以減小噪聲信號(hào)的引入,最佳能選擇單向性聲音傳感器。在MATLAB的信號(hào)采集工具箱中有專門為聲卡生成一種操作對(duì)象的函數(shù),初始化該操作對(duì)象即能建立MATLAB與聲卡的通信,并為已創(chuàng)立的聲卡設(shè)備對(duì)象增長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集通道和觸發(fā)方式。若缺省設(shè)置則系統(tǒng)采用一種數(shù)據(jù)通道、手動(dòng)觸發(fā)方式啟動(dòng)工作。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),根據(jù)所配置的聲卡的工作特性和信號(hào)分析的設(shè)計(jì)規(guī)定,可設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)來(lái)控制聲卡在數(shù)據(jù)采集時(shí)的行為,如采樣頻率、采樣時(shí)間、估計(jì)模擬信號(hào)的輸入/輸出范圍、采樣的出發(fā)方式,采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。此外需要注意的一點(diǎn)是采樣頻率是由聲卡的物理特性決定的,實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)狀況選擇一種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(dòng)觸發(fā)三種方式來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集工作。聲音信號(hào)采集硬件配置的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程:sound=analoginput(‘winsound’);%

‘winsound’為聲卡的驅(qū)動(dòng)程序channel=addchannel(sound,1);%

添加通道為單聲道set(sound,

‘SampleRate’,44100);%

設(shè)置采樣頻率為44100Hzset(sound,

‘SamplesPerTrigger’,22050);%

設(shè)置采樣時(shí)間為0.5sset(sound,

‘TriggerType’,

‘manual’);%

設(shè)置觸發(fā)方式為手工觸發(fā)...%

其他的有關(guān)設(shè)置4.3.2

數(shù)據(jù)采集

啟動(dòng)設(shè)備對(duì)象,控制聲卡開始采集數(shù)據(jù),采集過(guò)程中可以向聲卡發(fā)送控制命令,如暫停采集、退出采集等。采集到的數(shù)據(jù)被臨時(shí)寄存在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中,理論上可采集的最大數(shù)據(jù)量是由計(jì)算機(jī)的內(nèi)存量所決定的。同步,

MATLAB可以記錄采集設(shè)備的硬件屬性、采集的啟動(dòng)時(shí)刻、采集時(shí)間、采樣頻率及采樣通道等信息,假如采集過(guò)程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤,則出錯(cuò)的時(shí)刻、錯(cuò)誤產(chǎn)生的來(lái)源等信息也都會(huì)被記錄下來(lái)供后續(xù)工作。需要注意的是,執(zhí)行完一次數(shù)據(jù)采集工作后應(yīng)刪除設(shè)備對(duì)象,將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤上之后釋放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所占用的內(nèi)存空間,以備下一次采集能有足夠的內(nèi)存空間存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)，聲音信號(hào)采集的實(shí)現(xiàn)程序?yàn)?start(sound);%

啟動(dòng)設(shè)備對(duì)象trytime=0;data=0;[data,time]=getdata(sound);%

獲取采樣數(shù)據(jù)catchtime=0;data=0;disp(‘A

timeout

occurred’);endstop(sound);%

停止設(shè)備對(duì)象delete(sound);%

刪除設(shè)備對(duì)象4.3.3

數(shù)據(jù)分析

在設(shè)計(jì)該部分時(shí),不僅規(guī)定實(shí)現(xiàn)能從數(shù)據(jù)采集部分直接獲取數(shù)據(jù),還需實(shí)現(xiàn)能從文獻(xiàn)中讀取此前所保持好的數(shù)據(jù)。之后,顧客可以根據(jù)實(shí)際研究的需要,在MATLAB中調(diào)用頻譜分析函數(shù)(periodogram等)、功率譜分析函數(shù)(psd等)或數(shù)值分析函數(shù)(fminbnd等),就可以將采集到的聲音信號(hào)分別進(jìn)行頻譜、功率譜分析等多種譜分析,并且可以便地將分析成果以圖形的形式顯示出來(lái),如圖4-2所示。在研究蛋殼破損自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中,通過(guò)對(duì)所采集的蛋殼聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,找出辨別損殼蛋與好殼蛋的特性變量,從而實(shí)現(xiàn)蛋殼破損的自動(dòng)檢測(cè)。對(duì)所采集的聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的程序?yàn)?...%

獲取采樣數(shù)據(jù)Px=abs(fft(data,512))

2/512;%

對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換px=Px(1:256);s=60+10*log10(px);...%

其他功能圖4-2

聲音信號(hào)的采集與頻譜分析4.3.4

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

運(yùn)用MATLAB軟件中GUI模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),在MATLAB中可以以便地設(shè)計(jì)出基于對(duì)話框的圖形顧客界面,它提供了諸如編輯框、按鈕、滾動(dòng)條等圖形對(duì)象,通過(guò)對(duì)這些圖形對(duì)象的有機(jī)組合,再對(duì)對(duì)應(yīng)的圖形對(duì)象編寫程序,就可以設(shè)計(jì)出界面友好、操作以便的系統(tǒng)軟件。圖4-2所示為聲音信號(hào)采集與頻譜分析系統(tǒng)的運(yùn)行界面,還可再根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展。建立基于聲卡和MATLAB的信號(hào)采集與分析系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)分析以及成果顯示等功能。實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性好、性價(jià)比高、人機(jī)界面友好、升級(jí)修改簡(jiǎn)樸等長(zhǎng)處。在進(jìn)行項(xiàng)目研究過(guò)程中,常常需要進(jìn)行多次試驗(yàn),采集大量的數(shù)據(jù),并且規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)地進(jìn)行分析處理,該系統(tǒng)能很好地滿足這種研究需要。此外,這一系統(tǒng)還可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他有關(guān)的領(lǐng)域中,如在語(yǔ)音識(shí)別工作中可以用該系統(tǒng)采集語(yǔ)音信號(hào)并且加入語(yǔ)音處理的有關(guān)分析等。因此,該系統(tǒng)不僅具有良好的實(shí)用性,還可為其他的有關(guān)研究提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。語(yǔ)音信號(hào)分析處理系統(tǒng)一般由聲電傳感器(麥克風(fēng))

、數(shù)據(jù)采集卡、處理器(計(jì)算機(jī))

、軟件系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。商品數(shù)據(jù)采集卡(A/

D

板)

都包括了完整的數(shù)據(jù)采集電路和計(jì)算機(jī)接口電路,并同步提供驅(qū)動(dòng)程序,產(chǎn)品和種類繁多,性能價(jià)格各異,價(jià)格一般都比較貴。PC

機(jī)的聲卡自身就是一種廉價(jià)同步又非常優(yōu)秀的語(yǔ)音信號(hào)采集系統(tǒng),它采用直接內(nèi)存讀取方式傳播數(shù)據(jù),極大地減少了CPU

的占用率;不僅如此,聲卡16

位的A/

D

轉(zhuǎn)換精度比一般16

位A/

D

卡要高,可以滿足語(yǔ)音信號(hào)采集分析規(guī)定。5

應(yīng)用設(shè)計(jì)

一、

對(duì)聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對(duì)象(AI)

進(jìn)行操作聲卡是MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱所支持的一種硬件，用聲卡完畢一種簡(jiǎn)樸的數(shù)據(jù)采集過(guò)程，麥克風(fēng)就成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器．1)創(chuàng)立設(shè)備對(duì)象，這里創(chuàng)立的是一種聲卡AI設(shè)備對(duì)象，硬件設(shè)備標(biāo)示符為2．a(chǎn)i=analoginput(‘winsound’,2)；2)給設(shè)備對(duì)象添加通道，這里添加1個(gè)通道．a(chǎn)ddchannel(ai,1)；3)設(shè)定設(shè)備屬性值，控制數(shù)據(jù)采集．freq=8

000；

＼采樣頻率8

000

Hzset(AI，SampleRate．freq)duration=2；

＼采樣時(shí)間2

sset(AI，SamplesPerTrigger,duration*freq)；4)數(shù)據(jù)采集及成果處理．在這里首先將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行迅速傅立葉變換，然后轉(zhuǎn)化成分貝，并顯示成果的實(shí)數(shù)部分．start(ai)；data=getdata(ai)；fftdata=

abs(fft(data))；mag

=20*logl0(fftdata)；mag=

mag(1：end／2)；5)清除內(nèi)存中的設(shè)備對(duì)象．delete(ai)；clear

ai；圖5-1

采樣過(guò)程中沒(méi)有對(duì)麥克風(fēng)發(fā)言圖5-2

采樣過(guò)程中對(duì)麥克風(fēng)發(fā)言成果分析：圖5-1是在采樣過(guò)程中打開麥克風(fēng)，不過(guò)沒(méi)有對(duì)麥克風(fēng)發(fā)言的成果(對(duì)不一樣品牌、質(zhì)量的聲卡，成果也許有所不一樣)，圖5-2是在采樣的過(guò)程中對(duì)麥克風(fēng)發(fā)言的成果．可以看出，發(fā)言與否(傳感器感受端的變化)變化了所采集到的數(shù)據(jù)的成果．二、

直接運(yùn)用MATLAB數(shù)據(jù)采集箱中提供的函數(shù)命令進(jìn)行采集一般的采樣過(guò)程是對(duì)聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對(duì)象(AI)

進(jìn)行操作的,由于機(jī)配置和模擬通道的運(yùn)用使得數(shù)據(jù)采集過(guò)程顯得啰嗦難以理解,有時(shí)還不易獲得采樣數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)一種更為簡(jiǎn)樸實(shí)用的措施可以