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

基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計（二）

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)采集電路和與計算機的接口電路,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狀況下,可以利用計算機的聲卡作為數(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,采樣率甚至可以達到48khz。對于很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(shù)據(jù)采集卡的性能。將其用于數(shù)據(jù)采集,性價比相當高。

聲卡是一個特別優(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,就不需要購買特地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(nèi)可以完全滿意試驗要求。

3.3matlab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，所以在進行數(shù)據(jù)采集的同時，可以對采集的數(shù)據(jù)進行實時分析，或者存儲后再進行處理，或者針對數(shù)據(jù)分析的需要對測試條件的設(shè)立進行不斷的更新。應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工具箱供應(yīng)的命令和函數(shù)可以掌握任何類型的數(shù)據(jù)采集。例如，在硬件設(shè)備運行時，可以獵取大事信息，評估采集狀態(tài)，定義觸發(fā)器和回訪狀態(tài)，預(yù)覽數(shù)據(jù)以及進行實時分析，可以設(shè)置和顯示全部的硬件特性以滿意用戶的技術(shù)指標。

4系統(tǒng)設(shè)計方案

聲音信號的采集與分析處理在工程應(yīng)用中是常常需要解決的問題,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討論中是一項特別有意義的工作。LoCalHOSt

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(shù)進展已經(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。matlab則是一種功能強大、計算效率高、交互性好的數(shù)學計算和可視化計算機高級語言,它將數(shù)值分析、信號采集與處理和圖形顯示有機地融為一體,形成了一個極其便利、用戶界面友好的操作環(huán)境。本文所設(shè)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(zhuǎn)換功能和matlab強大的數(shù)據(jù)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(xiàn)的,因而使系統(tǒng)具有良好的交互性。

基于計算機聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點：

（1）價格低廉。在數(shù)據(jù)采集時，所要采納的是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對于某些應(yīng)用場合，可以利用計算機上所附帶的聲卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

（2）敏捷性強。用戶不僅可以進行實時監(jiān)視和掌握操作，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，還可以實時處理數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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100hz～15khz范圍內(nèi)。

總之，運用廉價的聲卡，構(gòu)成一個較高的采樣精度，中等采樣頻率，且具有很大敏捷性的數(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

matlab供應(yīng)了一個數(shù)據(jù)采集工具箱(dataacquisitiontoolbox),在該數(shù)據(jù)采集工具箱中,有一整套的命令和函數(shù),可用來直接掌握與pc機兼容的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)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(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中可以很簡單地實現(xiàn)信號采集與分析處理工作。

圖4-1系統(tǒng)實現(xiàn)的總體框圖

從系統(tǒng)框圖上看,整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔,而且數(shù)據(jù)的后續(xù)分析便利,不需要再進行數(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,只需必要的信號預(yù)處理電路和一臺一般的多媒體計算機(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,便可從聲卡獵取數(shù)據(jù)并保存為文件,然后再可依據(jù)實際需要進行數(shù)據(jù)分析處理。

4.2系統(tǒng)功能設(shè)計

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)采集部分是實現(xiàn)信號采集功能,依據(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)分析部分主要實現(xiàn)以下功能:(1)從信號采集部分獵取數(shù)據(jù),或者從數(shù)據(jù)文件讀取數(shù)據(jù);(2)實現(xiàn)將采集到的聲音信號數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),包括保存全部數(shù)據(jù)和部分數(shù)據(jù)的功能,同時保存對應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù);(4)顯示聲音信號數(shù)據(jù)的時域圖和頻譜圖;(5)其他功能。依據(jù)不同的需要,還可以進行修改,以選擇合適的試驗方案。

4.3系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

聲音信號采集功能的實現(xiàn)是由matlab掌握計算機聲卡將傳感器得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在計算機中;而信號分析功能是將采集得到的數(shù)據(jù)進行時、頻域分析和各項數(shù)值分析等。整個系統(tǒng)設(shè)計主要包括系統(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)分析及系統(tǒng)的界面設(shè)計四部分。

4.3.1聲音信號采集的硬件配置

將聲卡插入計算機的pci插槽,安裝好相應(yīng)的驅(qū)動程序后,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

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的硬件設(shè)備,需要留意的是對聲音傳感器的選擇,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特地為聲卡生成一個操作對象的函數(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)采納一個數(shù)據(jù)通道、手動觸發(fā)方式啟動工作。進行數(shù)據(jù)采集時,依據(jù)所配置的聲卡的工作特性和信號分析的設(shè)計要求,可設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來掌握聲卡在數(shù)據(jù)采集時的行為,如采樣頻率、采樣時間、估計模擬信號的輸入/輸出范圍、采樣的動身方式,采樣點數(shù)據(jù)的存儲等。另外需要留意的一點是采樣頻率是由聲卡的物理特性打算的,實際應(yīng)用中可以依據(jù)狀況選擇一個聲卡支持的采樣頻率.matlab支持電平觸發(fā)、大事觸發(fā)和手動觸發(fā)三種方式來啟動數(shù)據(jù)采集工作。聲音信號采集硬件配置的詳細實現(xiàn)過程:

sound=analoginput(‘winsound’);%‘winsound’為聲卡的驅(qū)動程序

channel=addchannel(sound,1);%添加通道為單聲道

set(sound,‘samplerate’,44100);%設(shè)置采樣頻率為44100hz

set(sound,‘samplespertrigger’,22050);%設(shè)置采樣時間為0.5s

set(sound,‘triggertype’,‘manual’);%設(shè)置觸發(fā)方式為手工觸發(fā)

...%其它的相關(guān)設(shè)置

4.3.2數(shù)據(jù)采集

啟動設(shè)備對象,掌握聲卡開頭采集數(shù)據(jù),采集過程中可以向聲卡發(fā)送掌握命令,如暫停采集、退出采集等。采集到的數(shù)據(jù)被臨時存放在計算機的內(nèi)存中,理論上可采集的最大數(shù)據(jù)量是由計算機的內(nèi)存量所打算的。同時,matlab能夠記錄采集設(shè)備的硬件屬性、采集的啟動時刻、采集時間、采樣頻率及采樣通道等信息,假如采集過程中消失了錯誤,則出錯的時刻、錯誤產(chǎn)生的來源等信息也都會被記錄下來供后續(xù)工作參考。需要留意的是,執(zhí)行完一次數(shù)據(jù)采集工作后應(yīng)刪除設(shè)備對象,將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲在硬盤上之后釋放數(shù)據(jù)存儲所占用的內(nèi)存空間,以備下一次采集能有足夠的內(nèi)存空間存儲新的數(shù)據(jù)，聲音信號采集的實現(xiàn)程序為:

start(sound);%啟動設(shè)備對象

try

time=0;data=0;

=getdata(sound);%獵取采樣數(shù)據(jù)

catch

time=0;data=0;disp(‘a(chǎn)timeoutoccurred’);

end

stop(sound);%停止設(shè)備對象

delete(sound);%刪除設(shè)備對象

4.3.3數(shù)據(jù)分析

在設(shè)計該部分時,不僅要求實現(xiàn)能從數(shù)據(jù)采集部分直接獵取數(shù)據(jù),還需實現(xiàn)能從文件中讀取以前所保持好的數(shù)據(jù)。之后,用戶可以依據(jù)實際討論的需要,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分別進行頻譜、功率譜分析等多種譜分析,并且可便利地將分析結(jié)果以圖形的形式顯示出來,如圖4-2所示。在討論蛋殼破損自動檢測過程中,通過對所采集的蛋殼聲音信號進行頻譜分析,找出區(qū)分損殼蛋與好殼蛋的特征變量,從而實現(xiàn)蛋殼破損的自動檢測。對所采集的聲音信號進行頻譜分析的程序為:

...%獵取采樣數(shù)據(jù)

px=abs(fft(data,512))2/512;%對所采集的數(shù)據(jù)進行傅立葉變換

px=px(1:256);

s=60+10*log10(px);

...%其它功能

圖4-2聲音信號的采集與頻譜分析

4.3.4系統(tǒng)界面設(shè)計

利用matlab軟件中g(shù)ui模塊進行設(shè)計,在matlab中可以便利地設(shè)計出基于對話框的圖形用戶界面,它供應(yīng)了諸如編輯框、按鈕、滾動條等圖形對象,通過對這些圖形對象的有機組合,再對相應(yīng)的圖形對象編寫程序,就可以設(shè)計出界面友好、操作便利的系統(tǒng)軟件。圖4-2所示為聲音信號采集與頻譜分析系統(tǒng)的運行界面,還可再依據(jù)實際需要進行擴展。

建立基于聲卡和matlab的信號采集與分析系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)信號采集、設(shè)備掌握、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)果顯示等功能。實踐證明該系統(tǒng)具有精度高、實時性好、性價比高、人機界面友好、升級修改簡潔等優(yōu)點。在進行項目討論過程中,經(jīng)常需要進行多次試驗,采集大量的數(shù)據(jù),并且要求對數(shù)據(jù)能實時地進行分析處理,該系統(tǒng)能很好地滿意這種討論需要。此外,這一系統(tǒng)還可以擴展應(yīng)用到其他相關(guān)的領(lǐng)域中,如在語音識別工作中可以用該系統(tǒng)采集語音信號并且加入語音處理的相關(guān)分析等。因此,該系統(tǒng)不僅具有良好的有用性,還可為其他的相關(guān)討論供應(yīng)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

語音信號分析處理系統(tǒng)一般由聲電傳感器(麥克風)、數(shù)據(jù)采集卡、處理器(計算機)、軟件系統(tǒng)等幾部分組成。商品數(shù)據(jù)采集卡(a/d板)都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和計算機接口電路,并同時供應(yīng)驅(qū)動程序,產(chǎn)品和種類繁多,性能價格各異,價格一般都比較貴。pc機的聲卡本身就是一個廉價同時又特別優(yōu)秀的語音信號采集系統(tǒng),它采納直接內(nèi)存讀取方式傳輸數(shù)據(jù),極大地降低了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,能夠滿意語音信號采集分析要求。

5應(yīng)用設(shè)計

一、對聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對象(ai)進行操作

聲卡是matlab數(shù)

基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計（二）

據(jù)采集工具箱所支持的一種硬件，用聲卡完成一個簡潔的數(shù)據(jù)采集過程，麥克風就成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器．

1)創(chuàng)建設(shè)備對象，這里創(chuàng)建的是一個聲卡ai設(shè)備對象，硬件設(shè)備標示符為2．

ai=analoginput(‘winsound’,2)；

2)給設(shè)備對象添加通道，這里添加1個通道．

addchannel(ai,1)；

3)設(shè)定設(shè)備屬性值，掌握數(shù)據(jù)采集．

freq=8000；＼采樣頻率8000hz

set(ai，samplerate．freq)

duration=2；＼采樣時間2s

set(ai，samplespertrigger,duration*freq)；

4)數(shù)據(jù)采集及結(jié)果處理．在這里首先將所采集到的數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換，然后轉(zhuǎn)化成分貝，并顯示結(jié)果的實數(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)備對象．

delete(ai)；

clearai；

圖5-1采樣過程中沒有對麥克風講話

圖5-2采樣過程中對麥克風講話

結(jié)果分析：圖5-1是在采樣過程中打開麥克風，但是沒有對麥克風講話的結(jié)果(對不同品牌、質(zhì)量的聲卡，結(jié)果可能有所不同)，圖5-2是在采樣的過程中對麥克風講話的結(jié)果．可以看出，講話與否(傳感器感受端的變化)轉(zhuǎn)變了所采集到的數(shù)據(jù)的結(jié)果．

二、直接利用matlab數(shù)據(jù)采集箱中供應(yīng)的函數(shù)命令進行采集

一般的采樣過程是對聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對象(ai)進行操作的,由于計算機配置和模擬通道的運用使得數(shù)據(jù)采集過程顯得煩瑣難以理解,有時還不易獲得采樣數(shù)據(jù)。試驗過程發(fā)覺一種更為簡潔有用的方法可以進行數(shù)據(jù)采集。在闡述之前,首先介紹一下matlab數(shù)據(jù)采集箱中的幾條有關(guān)命令:

wavrecord:wavrecord利用windows音頻輸入設(shè)備記錄聲音,其調(diào)用形式為:wavrecord(n,fs,ch)。利用windows音頻輸入設(shè)備記錄n個音頻采樣,頻率為fshz,通道數(shù)為ch。采樣值返回到一個大小為n*ch的矩陣中。缺省時,fs=11025,ch=1。

waveplay:waveplay利用windows音頻輸出設(shè)備播放聲音,其調(diào)用形為:waveplay(y,fs)。以采樣頻率fs向windows音頻設(shè)備發(fā)送向量信號。標準的音頻采樣率有:8000、11025、22050和44100hz。

wavread:wavread用于讀取microsoft的擴展名為“.wav”的聲音文件。其調(diào)用形式為:y=wavread(file)。其作用是從字符串file所指的文件路徑讀取wave文件,將讀取的采樣數(shù)據(jù)送到y(tǒng)中。y的取值范圍:。

sound:音頻信號是以向量的形式表示聲音采樣的。sound函數(shù)用于將向量轉(zhuǎn)換為聲音,其調(diào)用形式為:sound(y,fs),作用是向揚聲器送出向量y中的音頻信號(采樣頻率為fs)。

應(yīng)用上述所講到的matlab數(shù)據(jù)采集箱供應(yīng)的函數(shù)進行一次簡潔的語音信號的采集試驗。記錄5秒鐘的8位音頻語音信號并回放之,采樣頻率設(shè)為11025hz。

﹥﹥fs=11025;\設(shè)置采樣頻率

﹥﹥y1=wavrecord(5*fs,fs,‘uint8’);\進行無語音采集

﹥﹥plot(y1);

﹥﹥y2=wavrecord(5*fs,fs,‘uint8’);\開頭采集8位語音信號,時間為5s

﹥﹥plot(y2);

﹥﹥wavplay(y2,fs);\回放所采集的語音

﹥﹥sound(y2,fs);

﹥﹥y1=fft(y2);\做信號的fft變換

﹥﹥plot(y2);

圖5-3無聲音信號輸入波形

圖5-4有聲音信號輸入波形

圖5-5聲音信號傅里葉變換

圖形分析：用

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戶可以變換采樣頻率及采樣時間,也可以不同的頻率回放語音。感受不同函數(shù)在相同的頻率下回放的語音信號是否全都。此例進行的是實時回放,若要事后回放則可用wavread函數(shù)。從程序語言及實現(xiàn)上可看出此方法簡便了很多,而且試驗結(jié)果與傳統(tǒng)方法得到的試驗結(jié)果完全全都。圖5-3為在采樣過程中打開麥克風,但是沒有對麥克風講話的結(jié)果(對