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1、精品名师归纳总结封面可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结作者： PanHongliang仅供个人学习基于 MATLAB的数据采集与分析系统设计摘要：利用数据采集卡构建的数据采集系统一般价格昂贵且难以与实际需求完全匹配。声卡作为数据采集卡具有价格低廉、开发简洁和系统灵敏等优点。本文详细介绍了系统的开发背景 ,软件结构和特点 ,系统的分析了数据采集硬件和软件设计技术,在此基础上以声卡为数据采集卡 ,以 MATLAB为开发平台设计了数据采集与分析系统。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结本文介绍了 MA TLAB 及其数据采集工具箱 , 利用声卡的 A/ D 、D/ A技术和
2、 MA TLAB的便利编程及可视化功能 ,提出了一种基于声卡的数据采集与分析方案,该方案具有实现简洁、性 价比和灵敏度高的优点。用MATLAB语言编制了相应软件,实现了该系统。该软件有着简 洁的人机交互工作界面,操作便利 ,并且可以依据用户的需求进行功能扩充。最终给出了应用该系统采集数据的应用实例。关键词：声卡数据采集 MATLAB信号处理1 绪论1.1 课题背景数据也称观测值，是试验、测量、观看、调查等的结果，常以数量的形式给出。数据采集，又称数据猎取，就是将系统需要治理的全部对象的原始数据收集、归类、整理、录入到系统当中去。数据采集是运算机治理系统使用前的一个数据初始化过程。数据采集技术广
3、泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。数据采集（ Data Acquisition ）是将被测对象 外部世界、现场 的各种参量 可以是物理量，也可以是化学量、生物量等 通过各种传感元件作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最终送到把握器进行数据处理或储备记录的过程。被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔确定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特点值。精确的数据测量是数据采集的基础。数据测量方法有接触式和非接触式，检测元件多
4、种多样。不论哪种方法和元件，都以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包括对连续物理量的采集。在运算机帮忙制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量数据。在智能仪器、信号处理以及工业自动把握等领域，都存在着数据的测量与把握问题， 经常需要对外部的温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集。数据采集技术是一种流行且有用的电子技术。它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器外表等领域。近年来，随着数字化技术的不断进展，数据采集技术也显现出速度更高、通道更多、数据量更大的进展态势。数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任
5、务是把信号送入运算机或相应的信号处理系统，依据不同的需要进行相应的运算和处理。它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过运算机处理得出所需的数据。同时，仍可以用运算机将得到的数据进行储存、显示和打印，以实现对某些物理量的监视，其中一部分数据仍将被用作生产过程中的反馈把握量。数据采集系统是运算机测控系统中特殊重要的环节，目前，有各种数据采集卡或采集系统可供选择，以中意生产和科研试验等各方面的不同需要，但由于数据源以及用户需求的多样性，有时并不能中意要求。特殊是在某些应用中，需要同时高速采集多个通道的数据，而且为了分析比较各通道信号间的相互关系，经常要求全部通道的采集必需同步。现有的数据采集系统能够中
6、意上述要求的比较少，且价格特殊昂贵，体积较大，重量较重， 使用特殊不便利。一般模拟量是通过各种数据采集卡进行数据采集。目前常用的是具有 ISA 总线、 PCI总线等接口形式的A/D采集卡，虽然数据传输率很高，但是仍存在整个系统笨重，缺乏灵敏性，不能实现即插即用，不适合小型、便携设备接受等缺点。另外这些类型的采集卡在 运算机上安装比较麻烦，而且由于受运算机插槽数量、的址、中断资源的限制不行能挂接 许多设备。因此，工程师们往往需要花费大量的时间和资源用于系统搭建。随着现代工业技术的迅猛进展，生产规模的不断壮大，生产过程和制作工艺的日趋复可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结杂，对自动测试
7、和各种信息集成的要求也就越来越高。数据采集系统的好坏将直接影响自动测试系统的牢靠性和稳固性，为了中意不同的测试需求，以及削减对资源的铺张，在系统的设计上应当尽量中意通用性和可扩展性。在高度进展的当今社会中，科学技术的突飞猛进和生产过程的高度自动化已成为人所共知的必定趋势，而它们的共同要求是必需建立在有着不断进展与提高的信息工业基础上。人们只有从外界猎取大量精确、牢靠的信息经过一系列的科学分析、处理、加工与判定，进而熟识和把握自然界与科学技术中的各种现象与其相关的变化规律，并通过相应的系统和方法实现科学试验争论与生产过程的高度自动化。换言之，生产过程的自动化面临的第一个问题就是必需依据从各种传感
8、器得到的数据来检测、监视现场，以保证现场设备的正常工作。所以对现场进行数据采集是重要的前期基础工作，然后再对现场数据进行传输和相应的处理工作，以中意不同的需要。数据采集卡是中低端数据采集系统设计的必选产品。基于 ISA 、PCI 的插卡式数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦。价格昂贵。受运算机插槽数量、的址、中断资源限制， 可扩展性差。在一些电磁干扰性强的测试现场，无法特的对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。而现代工业生产和科学争论的进展要求数据采集卡具有更好的数据采集、处理能力，传统的 CPU 已经不能中意这一要求。针对以上要求，本文将论述一种基于PC 机的声卡技术，它安装简洁，成本较低。只需
9、利用运算机本身的软硬件资源，而不需添加其他任何设备即可构成数据采集与分析系统，使用MATIAB语言编制简洁的图形用户界面，该界面操作便利，并且可以依据用户的需求进行功能扩充。数据分析在整个科研工作中是个重要的必不行少的环节，它的目的是把隐没在一大批看来杂乱无章的数据中的信息集中、萃取和提炼出来，以找出所争论对象的内在规律。在有用中，数据分析可帮忙人们作出判定，以便实行适当行动。数据分析是组织有目的的收集数据、分析数据，使之成为信息的过程。这一过程是质量治理体系的支持过程。在产品的整个寿命周期，包括从市场调研到售后服务和最终处置的各个过程都需要适当运用数据分析过程，以提升有效性。例如，一个企业的
10、领导人要通过市场调查，分析所得数据以判定市场动向，从而制定合适的生产及销售方案。因此数据分析有极其广泛的应用范畴。数据分析系统工作的质量和速度如何，对整个科研工作的影响也是很大的。因此争论一种质量性能高的通用数据采集平台具有很大的意义。在近几十年来 IC技术和运算机技术的高速进展，为数据采集与分析供应了特殊良好与牢靠的科学技术基础，也提出了更高的要求和强有力的推动。如今面临着先进的运算机 技术和信息技术与落后的信息采集与分析技术的现实差距，那将大大影响科学技术的高度 进展和生产过程的高度自动化。所以，近几十年来世界各国都大量投入进行信息采集与分 析的工作，特殊是在经济发达的美、英、德、法日等国
11、与我国，都对这一技术高度重视。1.2 国内外争论动态数据采集是猎取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型运算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它争论信息数据的采集、储备、处理及把握等作业，具有很强的有用性。随着科学技术的进展，数据采集系统得到了越来越广泛得应用，同时人们对数据采集系统的各项技术指标，如：采样率、线性度、精度、输入范畴、把握方法以及抗干扰才能等提出了越来越高的要求，特殊是精度和采样率更是使用者和设计者所共同关注的重要问题，于是，高速及超高速数据采集系统应运而生并且得到了快速进展。今日，数据采集技术己经在雷达、通信、水声、振动工
12、程、无损监测、智能仪器、工业自动把握以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用并且收到了良好的成效。高速数据采集系统在国防、航天、边缘科学争论中及国民经济的各个领域的成功的应用，进一步引起了各方的关注，推动了它的研制和进展。随着科学技术的进展，数据采集系统得到了越来越广泛的应用。目前，国外许多公司与厂商都投可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较著名的有NEFF， NI 、HP， TEK等。从数据采集系统产品来看，各大公司供应的系列产品都包括了完成数据采集的诸如信号放大、滤波、多路开关、模数转换和接口等各种模块。现有的高速数据采集器件和
13、开发的产品中，目前仍没有完全实现高速、高辨论率。在雷达、通信、谱分析、瞬态分析、电视等应用领域，为中意实时检测和高速采集的日益更新的需要，实现数据采集的高速、高辨论率已成为数据采集系统的一个进展方向。现有的高速 ADC 器件和产品价格都比较昂贵，有些高速、高辨论率的器件本身仍存在着不稳固性，因此，在数据采集系统向高速、高辨论率进展的同时，开发和研制的器件和产品应不断的提高牢靠性，降低成本，提高性价比，以便使之得到更广泛的应用。在国内，由于历史、技术等缘由，我们的产品普遍存在：通用性差、用途单一、测点少、测量距离小、环境适应性差等缺点，远没有形成系列化、模块化、标准化的通用产品，根本无法中意国内
14、用户不断增长的需要，也远远不能与国外产品抗衡，正因此使得价格昂扬的国外产品占有了相当大的市场份额。1.3 数据采集系统的现状及进展数据采集与分析始终是生产实践争论与应用领域的一个热点和难点。随着微电子制造工艺水平的飞速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟，目前国内外对数据采集系统的高性能方面的争论上取得了很大的成就。就A/D转换的精度、速度和通道数来说，采样通道从单通道进展到双通道、多通道，采样频率、辨论率、精度逐步提高，为分析功能的加强供应了前提条件。而在数据分析的微处理器上，最初的数据采集系统以8位单片机为核心，随着微电子技术的不断进展，新兴单片机的不断问世，十六位、三十二位单片机也为数据
15、采集系统研制厂家所接受，近年来接受具有DSP 功能的数据采集系统也己投入市场。同时，通用 PC 机的 CPU 用于数据处理也较为常见。总之，相伴着高性能微处理器的接受和用户技术要求的不断提高，数据采集系统的功能也越来越完善。数据采集系统的进展主要表达在以下几个趋势：第一，在专业测控方面，基于PC 运算机的数据采集系统越来越成熟和智能化。在过去的二十年中，开放式架构PC 机的处理才能平均每十八个月就增强一倍。为了充分利用处理器速度的进展，现代开放式测量平台结合了高速总线接口，如PCI和 PXI/Compact PCI，以便获得性能的进一步提升。运算机的性能提升和由此引起的基于运算机的测量技术的创
16、新，正在连续不断的模糊着传统仪器和基于运算机的测量仪器之间的界线。其次，在通用测控方面，接受嵌入式微处理器的方案也由早期的接受A/D器件和标准单片机组成应用系统进展到在单芯片上实现完整的数据采集与分析，即目前极为热门的SOC System On Chip。通常在一块芯片上会集成一个，可以采样多路模拟信号的A/D转换子系统和一个硬CPU 核 比如增强型 80_52内核 ，而且其 CPU 的运算处理速度和性能也较早期的标准 CPU 内核提高了数倍，而且有着极低的功耗。这种单芯片解决方案降低了系统的成本和设计的复杂性。此外，为明白决SOC 方案中数据处理性能的不足，接受DSP 作为数据采集系统的CP
17、U 的争论与应用目前也逐步引起业内重视。但是这类产品目前仅仅处于进展的初级阶段，在精度、速度或其它性能指标上并不能很好的中意要求。因此，国内外以DSP 作为数据采集系统的采样把握和分析运算的争论与应用正在开放。近年来随着芯片技术、运算机技术和网络技术的进展，数据采集技术取得了许多新的技术成果，市场上推出了繁多的新产品。高速数据采集技术的进展一方面是提高采集速 率，另一方面不断向两端延长。一端是输入的信号调理，另一端是采集后的数字化信号的实时处理与事后处理。20 世纪 90 岁月末，随着数字技术快速进展，数据采集技术已向着并行、高速、大量储备、实时分析处理、集成化等方向进展。可编辑资料 - -
18、- 欢迎下载精品名师归纳总结（1）采样方式过采样（ Over Sampling）。采样方式中最早是过采样，依据采样定理，采样频率 fs 必需高于被采信号最高频率fch 的两倍，才不致产生频率混叠现象。例如信号最高频率为 10kHz，采样频率必需高于20kHz。欠采样（ Under Sampling）。在通信和动态数据的采集中，进展了一种欠采样技术，即采样频率 fs 可以低于信号频率 fch ，但信号的频带宽度不得大于 0.5fs ，利用采样信号产生的高次谐波，将采样后的信号移至其次或者更高的奈奎斯特区。例如采样频率fs 为 10kHz，可对频带 fch 落于 11 14kHz 的信号 频带宽度
19、为 3kHz，低于 0.5fs=5kHz 进行欠采样。于是在采样频率2 次谐波两边产生的采样后的信号频带为f2ch = 2fsfch =20kHz11 14 kHz= 3134 kHz ，或 9 6 kHz等效时间采样（Equivalent Time Sampling）。主要是对于重复的周期波形进行等 效时间采样。例如美国泰克公司的TDS784D数字储备示波器，其实际的采样频率为1 GS/s 1GHz ，对于重复的周期信号，实行周期微差法，可以达到250GS/s250GHz 的等效时间采样。例如对于1 GHz的方波，进行周期微差法采样，每个周期的采样只有微小的时差，将如干个周期中的样点集中排列
20、，即可测出方波上升沿和下降沿的波形。对于单次瞬态信号，这种方法是无效的。变速率变辨论率采样。(2) 采集方式的进展扫描式采集（ Scanning Acquisition）：时分制、多通道巡回采集。并行式采集（ Parallel Acquisition：多个通道同步并行采集，每个通道接受一个独立的 A/D 转换器，通道采集速率只取决于A/D 的转换速率，与通道数无关。交替采集（ Internative Acquisition）：一个通道由多个A/D 转换器交替采集，使每个通道采样速率等于多个A/D 的转换速率之和，可以高于单个A/D 的转换速率。(3) 采集数据的实时分析与处理软件目前国外的测试
21、仪器或系统生产厂家，在生产硬件的同时，推出其相应的支持软件或软件开发平台，如为产品开发者供应的软件工具。为系统集成者供应系统应用软件的集成的环境。为终端用户供应编写自己的用户应用程序的手段。2 数据采集系统结构特点2.1 系统组成结构数据采集系统主要由两部分组成：采集子系统和运算机 子系统，即下位机警能数据采集系统和上位机 HMI （Human Machine Interface）系统。采集子系统实现将客观世界被测对象信号采集和转换为能被运算机处理的数字信号的功能等。运算机子系统实现对采集数据的把握、储备和处理等功能，运算机起着对采集数据的储备和处理、统计 分析、供应人机接口与其他运算机的数据
22、通信和交换的功能。数据采集系统涉及多学科，所争论的对象是物理 或生物等各种非电或电信号。依据各种非电或电信号的特点，利用相应的归一化技术，将其转换为可真实反映事物特点的电信号后，经 A D 转换器转换为运算机可识别的有限长二进制数字编码，以此作为争论自然科学和实现 工业实时把握的重要依据，实现对宏观和微观自然科学的量化熟识，典型的数据采集系统组成如图2-1 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2-1典型数据采集系统的组成而一般的外置式数据采集系统结构如图2-2 所示。模拟信号由传感器采得经过信号调理模块送入数据采集硬件设备。在数据采集设备中完成A D转换，包括采样、量化、
23、编码，转化成数字信号后送入与之相连的PC机中。依据不同的要求，在PC机上利用 MATLAB以及二次编程实现数据的实时分析与处理。用户可以通过人机交互界面修改、设定各项参数来控制数据采集硬件设备的工作状态，同时可以得到数据的采集与分析结果，从而实现数据采集与分析的自动化。图 2-2一般的外置式数据采集系统结构利用声卡在 WINDOWS环境下开发数据采集系统时，由于受编程语言的限制，其数据分 析与处理的功能特殊有限。例如，为了对所采集的数据进行功率谱分析，就需要用户以VB 或 C 语言来编写功率谱分析的子程序，这明显增加了开发的难度，并且也极不利于分析功能的进一步扩展。而利用声卡作为 AD 转换工
24、具，经过衰减和取样电路得到的模拟信号送至声卡的线路输入端 LINEIN ，并利用 MATLAB中供应的数据采集工具箱，可中意把握声卡进行数据采集的要求。用户通过调用 MATLAB命令， 可对采集的数据进行分析和处理。整个系统可分为数据采集和数据分析两大部分，以友好的图形界面与用户进行交互沟通。数据采集部分实现数据采集功能，依据用户选择的采样频率和预设的采样时间，从声卡获得用户需要的数据。数据分析部分对采集到的数据进行频谱分析。全部数据的时域和频域波形以图形方式直观的显现于用户面前。此外，仍供应储存数据以及回放数据的功 能。图 2-3 给出了基于 MATLAB的数据采集系统的简图，主要部件数据采
25、集工具箱供应了硬件驱动程序和MATLAB环境之间“对话”所需的硬件驱动程序适配器、数据采集引擎和M-文件函数图 2-3基于 MATLAB的数据采集系统简图硬件驱动程序适配器在硬件驱动程序和数据采集引擎之间交换属性数值、数据和大事。数据采集引擎用来储备各个设备对象，以及每个设备对象的属性值。对采集到的数据进行储备并且使不同大事同步。M-文件用来创建设备对象、采集或输出数据、配置属性值和检测数据采集状态和数据采集设备。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.2 系统的特点和性能指标现代数据采集系统进展到今日，一般来说具有如下主要特点：（ 1）现代采集系统一般都由运算机 把握，使得数据采
26、集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件 投资 。（ 2）软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵敏性。（ 3）数据采集与数据处理相互结合的日益紧密，形成数据采集与处理系统，可实现从数据采集、处理到把握的全部工作。（ 4）数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能中意实际需要。对于通用采集系统一般期望有尽可能高的速度，以中意更多的应用环境 。（ 5）随着 电子 技术的进展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，牢靠性越来越高，甚至显现了单片数据采集系统。（ 6）总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术它对数据采集系统结构的进展起着重要作用。评判一个数据采集系统的
27、性能有许多指标，但是一般接受以下几个比较常用的指标进行评判。（1） 系统辨论率系统辨论率是指数据采集系统可以辨论的输入信号的最小变化量。通常可以用如下几种方法表示系统辨论率：使用系统所接受的A/D转换器的位数表示系统辨论率。使用最低有效位值（ LSB）占系统满度值的百分比表示系统辨论率。 使用系统可辨论的实际电压数值表示系统辨论率。使用满度值可以分的级数表示系统辨论率。（2） 系统精度系统精度是指当系统工作在额定采集速率下，整个数据采集系统所能达到的转换精度。 A/D 转换器的精度是系统精度的极限值。实际上，系统精度往往达不到A/D 转换器的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结精度
28、。由于系统精度取决于系统的各个环节（子系统）的精度，如前置放大器、滤波器、模拟多路开关等。只有当这些子系统的精度都明显优于A/D转换器的精度时，系统精度才有可能达到 A/D转换器的精度。系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和，通常表示为满度值的百分数。（3） 采集速率采集速率又称为系统通过速率或吞吐率，是指在中意系统精度指标的前提下，系统对输入的模拟信号在单位时间内所能完成的采集次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的有效数据的数量。这里说的“采集”包括对被测物理 量进行采样、量化、编码、传输和储备的全部过程。（4） 动态范畴动态范畴是指某个确定的物理量的变化范畴
29、。信号的动态范畴是指信号的最大幅度和最小幅度之比的分贝数。2.3 系统常见的几种结构形式（1）多通道共享采样/ 保持器和 A/D转换器数据采集系统这种系统构成如下图所示，这种结构形式接受分时转换工作的方式，多路被测信号 共用一个采样 / 保持器和一个A/D转换器。当采样保持器的输出已充分靠近输入信号（按给定精度）时，在把握命令的作用下，采样保持器由采样状态进入保持状态，A/D转换器开头进行转换，转换完毕后输出数字信号。在转换期间，多路开关将下一路信号 切换到采样 / 保持器的输入端，系统不断重复以上的操作，可以实现对多通道模拟信号的数据采集。采样方式可以按次序或随机进行。多通道共享采样保持器和
30、AD 转换器数据采集系统图这种采集系统结构形式最简洁，所用芯片数量少，适用于信号变化率不高、对采样信号不要求同步的场合。假如被测信号变化速率较慢，可以不用采样保持器，直接进行A/D转换。假如信号很弱而干扰噪声强，需要在系统电路中增加信号放大电路和滤波环节。（1）多通道同步数据采集系统通道同步型数据采集系统图其结构如上图所示，也属于分时转换系统。多路模拟输入信号共用一个A/D转换器，但是每个通道各有一个采样/保持器，在同一采样指令把握下对各路信号同步进行信号采样，得到各路信号在同一时刻的瞬时值。模拟开关分时将各路采样/保持器切换到 A/D 转可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结换器上
31、，进行模数转换。这些同步数据可以描述各路信号的相位关系，所以这种结构被称为同步型数据采集系统。由于各路信号必需串行的在共用的A/D转换器中进行转换和运算，如采样信号回路过多时，这种采集结构的速度仍然较慢。（1） 多通道并行数据采集系统多通道并行数据采集系统框图如上图所示。这种结构形式中，每个通道都有自己的采样保持器和 A/D 转换器，经过 A/D 转换的数据经过接口电路送到运算机 中。相对于前两种数据采集系统，这种结构形式的数据采集速度最快，但所用的硬件电路复杂，成本较高。通用型模拟量数据采集模块就属于这一类的数据采集子系统。数据采集模块是属于单片机的智能器件，在整个数据采集系统中，每个模块可
32、以认为是实时、并行的工作，每个模块仅完成几路信号的检测和采集，实时响应性能优。（ 4）分布式数据采集系统以上介绍的三种结构形式中，系统各部件之间的空间距离很近，规律 上耦合程度紧密， 可以称之为数据采集系统。这种系统的优点是：结构简洁，简洁实现，能中意中小规模的集中数据采集的要求。在市面上均有成熟产品可供选用。系统的体积和设备量小，造价低。由于工作原理、结构形式和性能设计等缘由，这类系统也存在不少缺点：由于系统结构不灵敏，不易扩展，所以不适合大规模的数据采集应用场合。抗干扰 才能差，特殊对于被测对象物理 位置分散、传感器输出的脆弱信号需要长距离传输时， 所受的干扰不容忽视的。牢靠性差。系统结构
33、中某一部件显现故障会导致整个系统工作 崩溃。由于各部件之间紧密耦合，导致系统的可扩展性和灵敏性差。分布式数据采集系统是数据采集技术、运算机技术和通信技术综合和进展的产物，基于“分散采集、集中 治理”的思想设计的系统结构形式，由如干个“数据采集点 ”和上位机以及通信接口组成。分布式数据采集系统结构如下图所示：分布式数据采集系统图处于分散部位的数据采集点相当于小型的集中数据采集系统，位于被测对象的邻近，可独立完成数据采集和预处理任务，并将采集的数据转换为数字信号的形式传送给上位机，接受数据传输的方法可以克服模拟信号传输的固有缺陷。分布式数据采集系统的主要特点是：（ 1）系统适应才能强。由于可以通过
34、选用适当数量的数据采集点来构成相应规模的系统 ,所以无论是大规模的系统，仍是中小规模的系统，分布式结构都能够适应。（ 2 ）系统牢靠性高。由于接受了多个数据采集点，如某个数据采集点显现故障，只会影响某项数据的采集，而不会对系统的其他部分造成任何影响。（ 3）系统实时相应性好。由于系统各个数据采集点之间是真正“并行 ”工作的，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结所以系统的实时相应性较好。（ 4）另外，这种数据采集系统是用数字信号传输代替模拟信号传输，有利于克服常模干扰和共模干扰。因此，这种系统特殊适合于在恶劣的环境 下工作。目前对于大规模的数据采集场合一般都接受分布式结构，依据不同的
35、数据采集工作原理、结构形式和性能特点，在本系统中接受集中式的数据采集器件作为数据采集终端，接受上下位的连接方式，最终组成整个数据采集系统。3 MATLAB软件3.1 MA TLAB简介MATLAB是美国 MathWorks 公司开发的一种功能极其强大的高技术运算机语言和内容极其丰富的软件库，它适合于工程各领域的分析设计与复杂运算的软件，该软件包括基本部分和专业扩展两大部分扩展部分称为工具箱，用于解决某一方面的专业问题它以矩阵和向量的运算以及运算结果的可视化为基础,把广泛应用于各个学科领域的数值分析、矩阵运算、函数生成、信号处理、图形及图像处理、建模与仿真等诸多强大功能集成在一个便于用户使用的交
36、互式环境中,为使用者供应了一个高效的编程工具及丰富的算法资源。对于信号处理和图像处理等数字处理领域,MA TLAB更是得天独厚 ,它丰富的 M 文件和强大的绘图可视功能为使用者带来了极大的便利, 被广泛的应用于信号与图像处理、把握系统设计、通信、系统仿真等诸多领域，特殊对初学者可起到事半功倍之效。MATLAB是一种说明语言，全部的程序和指令都必需在MATLAB说明器中读入后才能运行，因而极大的限制了代码执行速度。MATLAB强大的运算功能只能在其平 台上才能使用，也就是说，必需在安装了其说明器的机器上才能使用MA TLAB的 M 文件，这样就给工程应用带来了很大不便。对于一般用户来讲，MATL
37、AB只能作为离线的运算和分析工具，而不能作为实时的工程工具。幸运的是，开发MATLAB的 MathWorks 公司为广大的应用者供应了应用程序接口API ， ApplicationProgramInterface 和编译器Compiler 。利用 MA TLAB和 C 语言交互，也可以开发基于MA TLAB 的数据采集系统。假如配上数据采集线路，该系统就可以作为一个虚拟仪器来使用。3.2 数据采集工具箱及声卡简介MATLAB自带的数据采集工具箱Data Acquisitiontoolbox,DAQ能更简洁的将试验测得的数据进行分析和可视化操作。数据采集设备包括 : 多媒体声卡、美国国家仪器E
38、系列和1200 系列接口板、 Hewlett-Packard-VXIE1432-系列接口板及其他各种数据采集硬件设备。数据采集硬件设备的内部特性对MATLAB的接口完全透亮 , 无论是使用一个或几个硬件设备, 数据采集工具箱都会向全部硬件设备供应单一和统一的接口。通过调用MATLAB命令和函数可对与运算机兼容的数据采集硬件设备进行拜望并对其属性进行可视化监控。数据采集工具箱是一种建立在MATLAB环境下的 M 函数文件和MEX 动态链接库文件的集合，包含3 大区域的组件： M文件函数、数据采集引擎及硬件驱动适配器。它具有如下特点：是一种通过使用与PC 机兼容的、即插即用的数据采集设备在可编辑资
39、料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结MATLAB环境中的架构。支持模拟信号的输入输出以及数字信号的输入、输出，子系统仍包括同步模拟输入输出的转换。支持声卡。大事驱动采集。在 MATLAB数据采集工具箱里集成了数据采集的M 文件格式的函数和MEX文件格式的动态链接库。其主要特点如下：(1) 供应了将实时测量数据从数据采集硬件采集到MATLAB中的框架。(2) 支持模拟量输入 AI 、模拟量输出 A0 以及数字量 I 0 子系统，包括模拟量I O实时变换。(3) 支持 PC 声卡和业界特殊流行的数据采集设备如NI 卡、并行口 LPT1-LPT3 、Keithley 卡等。(4) 接受大事驱动模
40、式进行数据采集。数据采集工具箱由3 部分组成： M文件格式的函数、数据采集引擎和硬件驱动，如图3-1 所示。这些组成部分使得MATLAB与数据采集硬件之间的信息传递成为可能。图 3-1数据采集引擎与硬件驱动目前市面上的数据采集卡一般都包含了完整的数据采集电路和与运算机 的接口电路 , 如NI 公司的 E 系列数据采集卡、研华的数据采集卡等,其价格是与性能成正比的, 可以说比较昂贵。在采样频率要求不高的情形下, 可以利用运算机的声卡作为数据采集的输入和输出。而如今声卡技术已经成熟, 成本越来越低。一般的声卡都可以实现双通道、16 位、高保真的数据采集 , 采样率甚至可以达到48KHz。对于许多科
41、学试验和工程测量来说, 其样本量化精度和采样率是足够高的, 甚至优于目前常用数据采集卡的性能。将其用于数据采集, 性价比相当高。声卡是一个特殊优秀的音频信号采集系统, 其数字信号处理器包括模数转换器 ADC 和数模转换器 DAC ,ADC用于采集音频信号,DAC用于重现这些数字声音, 转换率达到 44.1KHz 。声卡已成为多媒体运算机的一个标准配置, 利用声卡进行采样与输出, 就不需要购买特的的采集卡可以降低虚拟仪器的开发成本, 且在音频范畴内可以完全中意试验要求。3.3 MATLAB 在数据采集中的应用数据采集工具箱集成于MATLAB中，所以在进行数据采集的同时，可以对采集的数据进行实时分
42、析，或者储备后再进行处理，或者针对数据分析的需要对测试条件的设立进行不断的更新。应用数据采集工具箱供应的命令和函数可以把握任何类型的数据采集。例如，在硬件设备运行时，可以猎取大事信息， 评估采集状态，定义触发器和回访状态，预览数据以及进行实时分析，可以设置和显示所有的硬件特性以中意用户的技术指标。4 系统设计方案声音信号的采集与分析处理在工程应用中是经常需要解决的问题,如何实时采集声音信号并对其分析处理, 从而找出声音信号的特点在科学争论中是一项特殊有意义的工作。声卡是多媒体运算机系统中最基本、最常用的硬件之一, 其技术进展已经成熟 , 它具有 AD/DA 转换功能 , 现已被广泛应用于声音信
43、号采集和虚拟仪器系统的设计。MATLAB就是一种功能强大、运算效率高、交互性好的数学 运算和可视化运算机高级语言 ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结它将数值分析、信号采集与处理和图形显示有机的融为一体, 形成了一个极其便利、用户界面友好的操作 环境 。本文所设计的声音信号采集与分析系统就是充分利用了声卡的AD/DA 转换功能和 MATLAB强大的数据处理功能 , 同时 , 该系统仍是建立在MATLAB软件的图形界面实现的 , 因而使系统具有良好的交互性。基于运算机声卡的数据采集系统有以下特点：（ 1）价格低廉。在数据采集时，所要接受的是模数转换芯片，对于某些应用场合，可以利用运
44、算机上所附带的声卡实现数据采集任务。（ 2）灵敏性强。用户不仅可以进行实时监视和把握操作，仍可以把数据储存到硬盘，供以后分析使用。在CPU足够快的条件下，仍可以实时处理数据，动态显示波形的频谱、功率谱。另外在一台运算机上，可以插如干块声卡，组成多通道数据采集系统。（ 3）频率范畴较窄，不能测直流。由于受声卡的硬件限制，要得到较好的波形， 输入信号的频率最好在100Hz15kHz 范畴内。总之，运用廉价的声卡，构成一个较高的采样精度，中等采样频率，且具有很大灵敏性的数据采集系统，对于一些应用领域是一种很好的选择。4.1 系统结构设计MATLAB供应了一个数据采集工具箱Data Acquisiti
45、on Toolbox,在该数据采集工具箱中 , 有一整套的命令和函数, 可用来直接把握与PC机兼容的数据采集设备进行数据采集, 因此 , 利用 MATLAB的这一工具箱便可进行声音信号的采集。然后在 MATLAB中直接调用频谱分析函数、功率谱分析函数或数值分析函数等, 就可以将采集到的声音信号分别进行频谱、功率谱分析等多种谱分析。因此, 在 MATLAB中可以很简洁的实现信号采集与分析处理工作。图 4-1 系统实现的总体框图从系统框图上看 , 整个系统结构简洁, 而且数据的后续分析便利, 不需要再进行数据转移, 而直接在 MATLAB软件中完成分析处理工作。在该系统中, 从硬件上来讲 , 只需必要的信号预处理电路和一台一般的多媒体运算机 或笔记本电脑 即可。从软件上来讲 , 就只需使用本文中所编制的程序 , 便可从声卡猎取数据并储存为文件, 然后再可依据实际需要进行数据分析处理。4.2 系统功能设计本系统由数据采集和数据分析两大部分组成, 数据采集部分是实现信号采集功能 , 依据用户选择的采样频率和预设的采样样本数从声卡获得用户需要