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

1、基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)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與其數(shù)據(jù)采集工具箱, 利用聲卡的A/ D、D/ A 技術(shù)和MATLAB 的方便編程與可視化功能,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

2、著簡潔的人機(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。關(guān)鍵詞：聲卡  數(shù)據(jù)采集  MATLAB  信號處理1緒論1.1課題背景數(shù)據(jù)也稱觀測值，是實(shí)驗(yàn)、測量、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，麥克風(fēng)，都是數(shù)據(jù)采集工具。數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition）是將被測對象(外部世界

3、、現(xiàn)場)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)間的一個(gè)特征值。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測量是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。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

4、。在計(jì)算機(jī)輔助制圖、測圖、設(shè)計(jì)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(shí)被采集的是幾何量數(shù)據(jù)。在智能儀器、信號處理以與工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)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(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)用于信號檢測、信號處理、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。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應(yīng)用極為廣泛的模擬量測量設(shè)備，其基本任務(wù)是把信號送入計(jì)算機(jī)或相應(yīng)的信號處理系統(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

5、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)源以與用戶需求的多樣性，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

6、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，對自動(dòng)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(dòng)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，以與減少對資源的浪費(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

7、。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，而它們的共同要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、監(jiān)視現(xiàn)場，以保證現(xiàn)場設(shè)備的正常工作。所以對現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是重要的前期基礎(chǔ)工作，然后再對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和相應(yīng)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

8、集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必選產(chǎn)品?；?ISA、PCI 的插卡式數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在以下缺陷：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；在一些電磁干擾性強(qiáng)的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，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 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(jī)的聲卡技術(shù)，它安裝容易，成本較低。只需利用計(jì)算機(jī)本身的軟硬件資源，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(jìn)行功能擴(kuò)充。數(shù)據(jù)分析在整個(gè)科

9、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，以找出所研究對象的在規(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，包括從市場調(diào)研到售后服務(wù)和最終處置的各個(gè)過程都需要適當(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)人要通過市場調(diào)查，分析所得數(shù)據(jù)以判定市場動(dòng)向，從而制定合適的生產(chǎn)與銷售計(jì)劃。因此數(shù)據(jù)分析有極其廣泛的應(yīng)用圍。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)工作的質(zhì)量和速度如何，對整個(gè)科研工作的影響也是很大的。因此研究一種質(zhì)

10、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都大量投入進(jìn)行信息采集與分析的工作，尤其是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的美、英、德、法日等國與我國，都對這一技術(shù)高度重視。1.2國外研究動(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、信號測量與處理、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

11、信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理與控制等作業(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、輸入圍、控制方法以與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，高速與超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生并且得到了快速發(fā)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、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以與生物醫(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)在國防、航天、邊緣科學(xué)研究中與國民經(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)

12、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?，F(xiàn)有的高速 ADC 器件和產(chǎn)品價(jià)格都比較昂貴，有些高

13、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，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、測點(diǎn)少、測量距離小、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，根本無法滿足國用戶不斷增長的需要，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與國外產(chǎn)品抗衡，正因此使得價(jià)格高昂的國外產(chǎn)品占有了相當(dāng)大的市場份額。1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(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與數(shù)據(jù)分析理論的進(jìn)一步完善與成熟，目

14、前國外對數(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(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。同時(shí)，通用 PC 機(jī)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(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)

15、在以下幾個(gè)趨勢：首先，在專業(yè)測控方面，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(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 (Syste

16、m 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 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 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)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)重視。但是這類產(chǎn)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(biāo)上并不能很好的滿足要求。因此，國外以 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)

17、、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。一端是輸入的信號調(diào)理，另一端是采集后的數(shù)字化信號的實(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，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(chǎn)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 Samplin

18、g）。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可以低于信號頻率fch，但信號的頻帶寬度不得大于0.5fs，利用采樣信號產(chǎn)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(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 ）。主要是對于重復(fù)的周期波形進(jìn)行等

19、效時(shí)間采樣。例如美國泰克公司的TDS784D數(shù)字存儲(chǔ)示波器，其實(shí)際的采樣頻率為 1 GS/s ( 1GHz )，對于重復(fù)的周期信號，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(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

20、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外的測試儀器或系統(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。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)

21、和上位機(jī) HMI（Human Machine Interface）系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將客觀世界被測對象信號采集和轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號的功能等；計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的控制、存儲(chǔ)和處理等功能，計(jì)算機(jī)起著對采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理、統(tǒng)計(jì)分析、提供人機(jī)接口與其他計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信和交換的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉與多學(xué)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(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)對宏觀和微觀自然科學(xué)的量化認(rèn)識(shí)，典型

22、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(jié)構(gòu)如圖2-2所示。模擬信號由傳感器采得經(jīng)過信號調(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以與二次編程實(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。圖2-2 一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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

23、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

24、的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析部分對采集到的數(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)以與回放數(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)圖2-3  基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡圖硬件驅(qū)動(dòng)程序適配器在硬件驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集引擎之間交換屬性數(shù)值、數(shù)據(jù)和事件；數(shù)據(jù)采集引擎用來存儲(chǔ)各個(gè)設(shè)備對象，以與每個(gè)設(shè)備對象的屬性值；對采集到的數(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)備對象、采集或輸出數(shù)

25、據(jù)、配置屬性值和檢測數(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)是能滿足實(shí)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(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

26、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)它對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。評價(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)

27、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，通常表示為滿度值的百分?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)對輸入的模擬信號在單位時(shí)間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”包括對被

28、測物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲(chǔ)的全部過程。（4）動(dòng)態(tài)圍動(dòng)態(tài)圍是指某個(gè)確定的物理量的變化圍。信號的動(dòng)態(tài)圍是指信號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，多路被測信號共用一個(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（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。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)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(fù)以上的操

29、作，可以實(shí)現(xiàn)對多通道模擬信號的數(shù)據(jù)采集。采樣方式可以按順序或隨機(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)結(jié)構(gòu)形式最簡單，所用芯片數(shù)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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。如果信號很弱而干擾噪聲強(qiáng)，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖其結(jié)構(gòu)如上圖所示，也屬于分時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。多路模擬輸入信號共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，但是每個(gè)通道各有一個(gè)采樣/保持器，在同一采樣指令控制下對各路信號同步進(jìn)行信號采樣，得到各路信號在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。

30、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)可以描述各路信號的相位關(guān)系，所以這種結(jié)構(gòu)被稱為同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于各路信號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，若采樣信號回路過多時(shí)，這種采集結(jié)構(gòu)的速度仍然較慢。（1）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。這種結(jié)構(gòu)形式中，每個(gè)通道都有自己的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)過接口電路送到計(jì)算機(jī)中。相對于前兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)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

31、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)模塊僅完成幾路信號的檢測和采集，實(shí)時(shí)響應(yīng)性能優(yōu)。（4）分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以上介紹的三種結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，能滿足中小規(guī)模的集中數(shù)據(jù)采集的要求。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、結(jié)構(gòu)形式和性能設(shè)計(jì)等原因，這類系統(tǒng)也存在不少缺點(diǎn)：因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)不靈活，不易擴(kuò)展，所以不適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場合。抗干擾能力差，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(shí)，所受的

32、干擾不容忽視的?？煽啃圆睢Ｏ到y(tǒng)結(jié)構(gòu)中某一部件出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作崩潰。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)結(jié)構(gòu)形式，由若干個(gè)“數(shù)據(jù)采集點(diǎn)”和上位機(jī)以與通信接口組成。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖處于分散部位的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)相當(dāng)于小型的集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，位于被測對象的附近，可獨(dú)立完成數(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)字信號的形式傳送給上位機(jī)，采用數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒梢钥朔M信號傳輸?shù)墓逃腥毕?。分布式?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：（1）系

33、統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)。因?yàn)榭梢酝ㄟ^選用適當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)來構(gòu)成相應(yīng)規(guī)模的系統(tǒng),所以無論是大規(guī)模的系統(tǒng)，還是中小規(guī)模的系統(tǒng)，分布式結(jié)構(gòu)都能夠適應(yīng)。（2）系統(tǒng)可靠性高。由于采用了多個(gè)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)對系統(tǒng)的其他部分造成任何影響。（3）系統(tǒng)實(shí)時(shí)相應(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，所以系統(tǒng)的實(shí)時(shí)相應(yīng)性較好。（4）另外，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是用數(shù)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(shù)據(jù)采集場合一般都采用分布式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集工作原理、結(jié)構(gòu)形式和性能特點(diǎn)

34、，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，最終組成整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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(qiáng)大的高技術(shù)計(jì)算機(jī)語言和容極其豐富的軟件庫，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?jǐn)U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(yùn)算以與運(yùn)算結(jié)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、信號處理、圖形與圖像處理、建模與仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)便于用戶使用的交互式環(huán)境中,為使用者提供了一個(gè)高效的編

35、程工具與豐富的算法資源。對于信號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文件和強(qiáng)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(yīng)用于信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信、系統(tǒng)仿真等諸多領(lǐng)域，尤其對初學(xué)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(yùn)行，因而極限制了代碼執(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，必需在安裝了其解釋器的機(jī)器上才能使用MATLAB的M文件，這樣就給工程應(yīng)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(jì)算和分析工具，而不能作為實(shí)時(shí)的工程工

36、具。幸運(yùn)的是，開發(fā)MATLAB的MathWorks公司為廣大的應(yīng)用者提供了應(yīng)用程序接口(API，ApplicationProgram Interface)和編譯器(Compiler)。利用MATLAB和C語言交互，也可以開發(fā)基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如果配上數(shù)據(jù)采集線路，該系統(tǒng)就可以作為一個(gè)虛擬儀器來使用。3.2 數(shù)據(jù)采集工具箱與聲卡簡介 MATLAB 自帶的數(shù)據(jù)采集工具箱(Data Acquisitiontoolbox, DAQ) 能更容易地將實(shí)驗(yàn)測得的數(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、美國國家儀器E系列和1200 系列接口板、Hewlett-Packard-V

37、XIE1432- 系列接口板與其他各種數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備。數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的部特性對MATLAB 的接口完全透明, 無論是使用一個(gè)或幾個(gè)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。通過調(diào)用MATLAB 命令和函數(shù)可對與計(jì)算機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備進(jìn)行訪問并對其屬性進(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)文件和MEX動(dòng)態(tài)庫文件的集合，包含3大區(qū)域的組件：M文件函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎與硬件驅(qū)動(dòng)適配器。它具有如下特點(diǎn)：是一種通過使用與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)；支持模擬信號的輸入輸出以與數(shù)字信號的輸入、輸出，子系統(tǒng)還包括

38、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 文件格式的函數(shù)和MEX文件格式的動(dòng)態(tài)庫。其主要特征如下：(1)提供了將實(shí)時(shí)測量數(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)以與數(shù)字量I0子系統(tǒng)，包括模擬量IO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部分組成：M文件格式的函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎和硬件驅(qū)動(dòng)，如圖3-1所示。這些組成部分使得MATLAB與數(shù)據(jù)采集硬件之間的信息傳

39、遞成為可能。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)采集卡一般都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計(jì)算機(jī)的接口電路,如NI公司的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,可以說比較昂貴。在采樣頻率要求不高的情況下,可以利用計(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,采樣率甚至可以達(dá)到48KHz。對于許多科學(xué)試驗(yàn)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(shù)據(jù)采集卡的性能。將其用于數(shù)據(jù)采集,性價(jià)比相當(dāng)高。聲卡是一個(gè)非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng),其數(shù)字信號處理器包括模

40、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,DAC用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音,轉(zhuǎn)換率達(dá)到44.1KHz。聲卡已成為多媒體計(jì)算機(jī)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置,利用聲卡進(jìn)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,且在音頻圍可以完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。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，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，或者存儲(chǔ)后再進(jìn)行處理，或者針對數(shù)據(jù)分析的需要對測試條件的設(shè)立進(jìn)行不斷的更新。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，評估采集狀態(tài)，定

41、義觸發(fā)器和回訪狀態(tài)，預(yù)覽數(shù)據(jù)以與進(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用戶的技術(shù)指標(biāo)。4系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 聲音信號的采集與分析處理在工程應(yīng)用中是經(jīng)常需要解決的問題,如何實(shí)時(shí)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(xué)研究中是一項(xiàng)非常有意義的工作。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)發(fā)展已經(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)高級語言,它將數(shù)值分析、信號采集與處理和圖形顯示有機(jī)地融為一體,形成了一個(gè)極其方便、用戶界面友好的操作環(huán)境。本文所設(shè)

42、計(jì)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(zhuǎn)換功能和MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,同時(shí),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?；谟?jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點(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，對于某些應(yīng)用場合，可以利用計(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)。用戶不僅可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制操作，還可以把數(shù)據(jù)保存到硬盤，供以后分析使用。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。另外在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，可以插若干塊聲卡，組成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（3）頻率圍較窄，不能測直流。由

43、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圍。    總之，運(yùn)用廉價(jià)的聲卡，構(gòu)成一個(gè)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)，對于一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) MATLAB提供了一個(gè)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,利用MATLAB的這一工具箱便可進(jìn)行聲音信號的采集。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

44、號分別進(jìn)行頻譜、功率譜分析等多種譜分析。因此,在MATLAB中可以很容易地實(shí)現(xiàn)信號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)結(jié)構(gòu)簡單,而且數(shù)據(jù)的后續(xù)分析方便,不需要再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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

45、的信號預(yù)處理電路和一臺(tái)普通的多媒體計(jì)算機(jī)(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(shù)據(jù)并保存為文件,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)分析兩大部分組成,數(shù)據(jù)采集部分是實(shí)現(xiàn)信號采集功能,根據(jù)用戶選擇的采樣頻率和預(yù)設(shè)的采樣樣本數(shù)從聲卡獲得用戶需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)從信號采集部分獲取數(shù)據(jù),或者從數(shù)據(jù)文件讀取數(shù)據(jù);(2)實(shí)現(xiàn)將采集到的聲音信號數(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映出信號特征;(3)保存數(shù)據(jù),包括保存所有數(shù)據(jù)和部分?jǐn)?shù)據(jù)的功能,同時(shí)保存對應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù);(4)顯示聲音信

46、號數(shù)據(jù)的時(shí)域圖和頻譜圖;(5)其他功能。根據(jù)不同的需要,還可以進(jìn)行修改,以選擇合適的實(shí)驗(yàn)方案。4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 聲音信號采集功能的實(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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中;而信號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)主要包括系統(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)分析與系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)四部分。4.3.1 聲音信號采集的硬件配置 將聲卡插入計(jì)算機(jī)的PCI插槽,安裝好相應(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,這就構(gòu)建了聲音采集的硬件設(shè)備,需要注意的是對聲音傳感器的選擇,應(yīng)選擇音頻專用

47、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(gè)操作對象的函數(shù),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(shè)備對象增加數(shù)據(jù)采集通道和觸發(fā)方式。若缺省設(shè)置則系統(tǒng)采用一個(gè)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分析的設(shè)計(jì)要求,可設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來控制聲卡在數(shù)據(jù)采集時(shí)的行為,如采樣頻率、采樣時(shí)間、預(yù)計(jì)模擬信號的輸入/輸出圍、采樣的出發(fā)方式,采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。另外需要注意的一點(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)情況選擇一個(gè)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)三種方式來啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集工作。聲音信號采集硬件配置的具體實(shí)現(xiàn)過程: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)