基于Matlab的数据采集器设计

1、 毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目：题目： 基于基于 Matlab 的数据采集器设计的数据采集器设计 基于 Matlab 的数据采集器设计 毕毕业业设设计计（论论文文）任任务务书书一、一、毕业设计（论文）任务毕业设计（论文）任务课题内容课题的主要内容：1、 MATLAB 的国内外应用现状；2、 MATLAB 数据采集工具箱；3、 基于 MATLAB 的数据采集器（系统）总体设计。4、编程实现。5、完成本科毕业论文一篇。课题任务要求MATLAB所处理的数据必须是现成的，因此，不能直接对硬件端口进行读写操作，不能直接实现对数据的实时采集。在传统的工程检测中，需要将采集到的数据存储起来，经过一系

2、列的处理和转换，才能利用MATLAB进行分析和处理，从而影响了它在测控系统开发上的应用范围。但MATLAB提供了应用程序接口API(Application Program Interface)，通过该接口，利用MEX文件和编译器(Compiler)，用户可以在MATLAB环境中调用C语言或FORTRAN程序、输入或输出数据，方便地完成MATLAB 与外部环境（数据和程序）的交互，与其他软件程序建立客户/服务器关系。本课题要求学生首先了解数据采集的基本理论、数据采集的过程、不同的数据采样方式（实时采样、等效时间采样等） 、MATLAB 软件的特点。然后，对比分析已有的基于MATLAB 的数据采集

3、系统的特点，提出自己的数据采集器总体设计方案，包括系统构成、接口方案、编程语言等等。可以利用 MATLAB 和 C（或 C+）语言交互，设计基于 MATLAB的数据采集器。也可以利用集成于 MATLAB 中的数据采集工具箱，通过调用其中的命令和函数,直接控制各种与 PC 机兼容的数据采集硬件设备的数据采集和通讯,并完成对所采集数据的实时分析或离线处理。最后，完成毕业论文撰写工作。通过本课题的工作，可以巩固和加深学生对数字信号处理技术的掌握，开阔视野，并提高学生主动发现、分析并解决问题的能力，通过毕业论文的训练，使其具备科研论文写作的基本功。 课题完成后应提交的资料（或图表、设计图纸）1、总体设

4、计方案；2、相关的设计和仿真图表及程序源码；3、完整的毕业论文一篇。主要参考文献与外文翻译文件（由指导教师选定）1 王海龙, 陈珊杰, 李茜等. 基于MATLAB的数据采集系统的研究J. 中国农学通讯，2007, 23(1):381-384.2 邱选兵. 基于 USB 数据采集的虚拟仪器设计D. 太原理工大学硕士学位论文，2006.3 张威.MATLAB 外部接口编程M.西安:西安电子科技大学出版社,2004:50-85.4 夏文芳，吴鸿修，李享元. 基于USB的实时数据采集系统及其在MATLAB中的应用 J. 电子技术应用, 2003, (2):15-17.5 马海潮. 超高速数据采集技术发

5、展现状 J. 测试技术学报, 2003，17(4):287292.6 J. Ludvig, J. Mcarthy, S. Meuendorffer etc. Reprogrammable Platforms for High-Speed Data Acquisition J. Design Automation for Embedded Systems，2002(7)，pp.341-364.7 伯晓晨 MATLAB 工具箱应用指南 M . 北京: 电子工业出版社, 2003.8 施阳,李俊.MATLAB 语言工具箱ToolBox 实用指南M.西安:西北工业大学出版社,1999.5098.9 付

6、俊庆, 李风铃 MATLAB 环境下的实时数据采集方法 J 测控技术, 2004 , 23 (1) : 3032 .10 薛定宇.控制系统计算机辅助设计 MATLAB 语言及应用. 清华大学出版社,1996.11 National Instruments Corporation. PXI specification Z . 2000.12 Rational Software Corp. Unified modeling language UML semantics EBOL . : Rational . com,1998.13 Ingle V K, Proakis J G 著.数字信号处理及其

7、 Matlab 实现M .陈怀琛等,译.北京:电子工业出版社,1998.14 Tektronix. TDS3000 series digital phosphor oscilloscopes programmer mannual Z . 1997.15 张宜华 编写精通MATLAB5 清华大学出版社, 1999.16 马明建 ,周长城. 数据采集与处理技术M. 西安:西安交通大学出版社 ,1989.17 VINAY K I,JOHN G P.Digital signal processing using MatlabM.Newyork:PWS Publishing Company,1996.1

8、8 Eva Part-Enander Anders Sjoberg.MATLAB5手册M.北京:机械工业出版社,2000.200246.19 李人厚译校.精通MATLAB综合辅导与指南M.西安交通大学出版社,1999.20 黄锡泉.基于COM组件的VB与MATLAB 接口编程(J).电脑编程技巧与维护 ,2004,(8):1921.21 MAXIM公司.1995 NEW REL EASES DATA BOO KZ,1996.22 ANALOG DEVICES INC. Design-in Reference ManualZ,1994.23 程卫国 ,冯峰,姚东,徐昕 编著.MATLAB5.3

9、应用指南 . 人民邮电出版社,1999.11.外文翻译文件：Muller etc. First Experience with the Scalable Coherent Interface. 1993.同组设计者无注：1. 此任务书由指导教师填写。如不够填写，可另加页。2. 此任务书最迟必须在毕业设计（论文）开始前一周下达给学生。3. 此任务书可从教务处网页表格下载区下载 基于 Matlab 的数据采集器设计 基于 Matlab 的数据采集器设计摘要在当今社会各个领域,包括科研和实验研究,数据采集系统有着不可代替的作用。但使用数据采集卡构建的数据采集系统一般价格较高，而声卡作为数据采集卡具有

10、价钱低廉、开发容易和系统灵敏等优点。本文具体介绍了系统的开发背景,软件结构和特点,系统地分析了数据采集硬件和软件设计方法,并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：利用 Matlab 数据采集工具箱、声卡良好的A/D、D/A 性能和 Matlab 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，并用 Matlab 编制了相应软件,实现了该系统。该方案具有实现简单、性价比和灵敏度较高的优势，且该软件有着较为精简的人机交互工作界面,操作较便利,而且可以按照用户的需求进行功能扩充。最后对该数据采集系统进行了调试及仿真，并给出了相应结果。关键

11、词：数据采集；Matlab；数据采集工具箱；A/D；D/A；声卡 基于 Matlab 的数据采集器设计 THE DESIGN OF DATA ACQUISITION BASED ON MATLABABSTRACTNowadays, in all fields of our society, including scientific research and experimental research, data acquisition system has an irreplaceable role. But, generally, data acquisition system constr

12、ucted by using data acquisition card is more expensive. However, using sound card as data acquisition card has many advantages, such as lower price, easy implementation and more sensitive and so on.This paper describes the specific system development background, software architecture and features. T

13、hen systemly analyzing the data acquisition design methods of hardware and software, and on this basis, developing the data acquisition and analysis system by the use of sound card as data acquisition cards and Matlab platform : With Matlab data acquisition toolbox, sound card with good A / D, D / A

14、 performance and convenience of Matlab programming and visualization capability,I come up with a sound card based data acquisition and analysis system, and using Matlab to design corresponding software developed to achieve the system .The system has advantages of simple, cost-effective, and high sen

15、sitivity. The software has a simple human-computer interaction interface, and can be operate more conveniently. Moreover , its function can be expanded according to users needs. Finally debug and simulate the data acquisition system, showing corresponding results.Key words: data acquisition; Matlab;

16、 data acqusition toolbox; A/D; D/A; sound card 基于 Matlab 的数据采集器设计 目 录1 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 本文主要内容和章节安排 .42 数据采集系统分析 .52.1 数据采集原理 .52.2 系统结构组成 .72.3 系统的特点和性能指标 .92.4 系统常见的几种结构形式 .102.5 本章小结 .133 基于 Matlab 的数据采集 .143.1 Matlab 简介.143.2 Matlab 数据采集工具箱（ DAT）及其使用 .173.2.1 MATLAB 数据采集工具箱的内

17、部结构 .173.2.2 DAT 的使用方法 .193.3 利用 Matlab 的数据采集工具箱实现实时数据采 .233.3.1 基于 Matlab 的数据采集系统 .243.3.2 数据采集命令流程 .253.3.3 设备对象 .253.4 本章小结 .264 基于 Matlab 及多媒体声卡的数据采集系统设计 .274.1 系统结构框图 .274.2 系统功能设计 .284.3 系统设计实现 .284.3.1 声音信号采集的硬件配置 .284.3.2 数据采集实现 .29 基于 Matlab 的数据采集器设计 4.4 软件设计 .314.4.1 基于 Matlab 的数据采集程序 .324

18、.4.2 数据采集界面程序设计 .334.5 系统仿真实现 .344.6 本章小结 .355 结论 .36参考文献 .37致谢 .39附录 .40附件:附件 1 开题报告（文献综述）附件 2 译文及原文影印件 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 0 页 共 46 页1 绪论1.1 课题背景及意义数据也称观测值，是实验、测量、观察、调查等的结果，常以数量的形式给出。数据采集，又称数据获取，就是将系统需要管理的所有对象的原始数据收集、归类、整理、录入到系统当中去。数据采集是计算机管理系统使用前的一个数据初始化过程。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具35。数据

19、采集是获取信息的基本手段，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、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的实用性。数据采集（Data Acquisition）12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，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。基于 PC 的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采

20、集系统根据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题，常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实用的电子技术。它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域。近年来，随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更高、通道更多、数据量更大的发展态势。1.2 国内外研究现状数据采集与分析一直是生产实践研究与应用领域的一个热点和难点。传统 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 1 页 共 46 页的数据采集系统一般由数据采集卡7构成 。数据采集卡通

21、常由单片机与 A/D 转换芯片构成, 具体的数据采集任务由单片机完成, 采得的数据实时传送到计算机进行分析处理。其价格是与性能成正比的 , 比较昂贵。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研究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，采样通道从单通道发展到双通道、多通道，采样频率、分辨率、精度逐步提高，为分析功能的加强提供了前提条件。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发展，新兴单片机的不断问世，十六位、三十二位单片机也为数据采集系统研制厂家所采用，近年来采用

22、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，伴随着高性能微处理器的采用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。数据采集系统的发展主要体现在以下几个趋势： 首先，在专业测控方面，基于 PC 计算机的数据采集系统911越来越成熟和智能化。在过去的二十年中，开放式架构 PC 机的处理能力平均每十八个月就增强一倍。为了充分利用处理器速度的发展，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。计算机的性能提升和由此引起的基于计算机的测量技术的创新，正在持续不断

23、地模糊着传统仪器和基于计算机的测量仪器之间的界线。 其次，在通用测控方面，采用嵌入式微处理器的方案也由早期的采用 A/D器件和标准单片机组成应用系统发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 8052 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，为了解决 SOC 方案中数据处理性能的不足，采用 DSP 作为数据采集系统的

24、 CPU 的研究与应用目前也逐渐引起业内重视。但是这类产品目前仅仅处于发展的初级阶段，在精度、速度或其它性能指标上并不能很好的满足要求。因此，国内外以 DSP 作为数据采集系统的采样控制和分析运算的研究与应用正 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 2 页 共 46 页在展开。 近年来随着芯片技术、计算机技术和网络技术的发展，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发展一方面是提高采集速率，另一方面不断向两端延伸。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 年代末，随着数字技术快速发展，数据采集技术已向着并

25、行、高速、大量存储、实时分析处理、集成化等方向发展。 (1)采样方式 过采样（Over Sampling）13。采样方式中最早是过采样，根据采样定理，采样频率 fs 必须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，采样频率必须高于 20kHz。 欠采样（Under Sampling）15。在通信和动态数据的采集中，发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第二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

26、 1114kHz 的信号(频带宽度为 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 = 20 kHz(1114 kHz)= 3134 kHz，或 96 kHz 等效时间采样（Equivalent Time Sampling）19。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 数字存储示波器，其实际的采样频率为 1 GS/s( 1GHz )，对于重复的周期信号，采取周期微差法，可以达到 250GS/s(250GHz)的等效时间采样。例如对于 1 GHz 的方波，进行周期微差法采

27、样，每个周期的采样只有微小的时差，将若干个周期中的样点集中排列，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。 变速率变分辨率采样。 (2)采集方式的发展 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 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 3 页 共 46 页采用一个独立的 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）21：一个通道由多个 A/D 转换器交替

28、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，如为产品开发者提供的软件工具；为系统集成者提供系统应用软件的集成的环境；为终端用户提供编写自己的用户应用程序的手段。 1.3 本文主要内容和章节安排 本文完成了一种基于 Matlab 的数据采集系统的方案的设计，实现了在Matlab 环境下利用声卡和 Matlab 数据采集工具箱进行的数据采集与分析。全文的结构安排如下： 第一章 绪论，说明了基于 Matlab 的数据采集器设计的研

29、究背景，提出课题的研究意义，并了解国内外研究现状以及系统的发展趋势。 第二章 主要对数据采集原理进行探讨，首先介绍了数据采集原理，指出了数据采集的理论依据及混频差的计算。再者，着重介绍了数据采集系统结构特点、性能指标及几种常见结构。第三章 本章主要探讨了如何利用 Matlab 数据采集工具箱设计基于Matlab 的数据采集器。首先，本文对 Matlab 进行了一些简略的介绍，让读者对Matlab 的特点、应用及优势有了大致的了解；接下来，着重介绍了 Matlab 数据采集工具箱，针对数据采集工具箱内部结构及其使用方法进行阐述；最后，对怎样利用 Matlab 数据采集工具箱实现实时数据采集进行探

30、讨，设计数据采集命令流程。第四章 本章主要根据课题要求设计利用多媒体声卡设计基于Matlab的数据采集器。首先，提出了系统结构框图，并进行了系统功能设计；然后，对数据采集系统硬件进行配置，以实现数据采集；接着，针对系统功能进行软件设计，主要设计了以Matlab为平台的数据采集程序，并对其进行视图化界面设 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 4 页 共 46 页计；最后，对本数据采集系统进行调试仿真，给出结果图并得出结论。第五章 主要对本设计进行总结。 2 数据采集系统分析2.1 数据采集原理在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型

31、信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。假设现在对一个模拟信号 x(t) 每隔 t 时间采样一次。时间间隔 t 被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数 1/t 被称为采样频率，单位是采样数 / 每秒。 t=0, t,2 t,3 t 等等，x(t) 的数值就被称为采样值。所有 x(0),xt),x(2t) 都是采样值。图 2.1 显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。样间隔是 t，注意，采样点在时域上是分散的。 图 2.1 模拟信号和采样显示 如果对信号 x(t)采集 N 个采样点，那么 x(t)就可以用下面这个

32、数列表示： x(0),x(t),x(2t),x(3t),x(4t),x(5t)x(kt)这个数列被称为信号 x(t)的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 5 页 共 46 页仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或 t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号 x(t)的频率。 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流

33、和恩奎斯特频率之间畸变。 图 2.2 显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。 采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠(alias)。出现的混频偏差(alias frequency)是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。 图 2.2 不同采样率的采样结果 图 2.3 给出了一个例子。假设采样频率 fs 是 100HZ, 信号中含有25、70、160、和 510Hz 的成分。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50 Hz)的信号可以被正确采样。而频率高于 50HZ 的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了 30 、4

34、0 和 10 Hz 的畸变频率 F2、F3 和 F4 。 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 6 页 共 46 页图 2.3 说明混叠的例子计算混频偏差的公式是： 混频偏差ABS(采样频率的最近整数倍输入频率) 其中 ABS 表示“绝对值” ，例如： 混频偏差 F2 = |10070| = 30 Hz 混频偏差 F3 = |(2)100160| = 40 Hz 混频偏差 F4 = |(5)100510| = 10 Hz 为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图的例子中，这个滤波器的截止频率自然是 25HZ 。

35、这个滤波器称为抗混叠滤波器。 采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的 2 倍就够了，实际上工程中选用 510 倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。2.2 系统结构组成 数据采集系统主要由两部分组成：采集子系统和计算机子系统，即下位机智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计算机处理的数字信号的功能等；计算机子系统实现对采集数据的控制、存储和处

36、理等功能，计算机起着对采集数据的存储和处理、统计分析、提供人机接口与其他计算机的数据通信和交换的功能。 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 7 页 共 46 页数据采集系统涉及多学科，所研究的对象是物理或生物等各种非电或电信号。根据各种非电或电信号的特征，利用相应的归一化技术，将其转换为可真实反映事物特征的电信号后，经 AD 转换器转换为计算机可识别的有限长二进制数字编码，以此作为研究自然科学和实现工业实时控制的重要依据，实现对宏观和微观自然科学的量化认识，典型的数据采集系统组成如图 2-1 所示。 图 2.4 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

37、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 AD 转换，包括采样、量化、编码，转化成数字信号后送入与之相连的 PC 机中。根据不同的要求，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 2.5 一般的外置式数据采集系统结构 传感器物理量信号调理数据分析变换器数据采集硬件CPUSOFTWARE信 号 源传 感 器信号调理数据采集备软件环境MATLAB信号处理与分析PC机 基于 Matlab

38、的数据采集器设计 第 8 页 共 46 页利用声卡在 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非常有限。例如，为了对所采集的数据进行功率谱分析，则需要用户以 VB 或 C 语言来编写功率谱分析的子程序，这显然增加了开发的难度，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 中提供的数据采集工具箱，可满足控制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

39、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，根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地呈现于用户面前。此外，还提供保存数据以及回放数据的功能。 2.3 系统的特点和性能指标 现代数据采集系统发展到今天，一般来说具有如下主要特点： （1）现代采集系统一般都由计算机控制，使得数据采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活性。 （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

40、、处理到控制的全部工作。 （4）数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要；对于通用采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 （5）随着电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出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发展起着重要作用。 评价一个数据采集系统的性能有很多指标，但是一般采用以下几个比较常 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 9 页 共 46 页用的指标进行评价。 (1) 系统分辨率 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通

41、常可以用如下几种方法表示系统分辨率： 使用系统所采用的 A/D 转换器的位数表示系统分辨率； 使用最低有效位值（LSB）占系统满度值的百分比表示系统分辨率；使用系统可分辨的实际电压数值表示系统分辨率； 使用满度值可以分的级数表示系统分辨率。 （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 转换器的精度。因为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

42、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，是指在满足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、传输和存储的全部过程。 （4）动态范围 动态范围是指某个确定的物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅度和最小幅度之比的分贝数。 2.4 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 这种系统构成如图

43、2.6 所示，这种结构形式采用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逼近输入信号（按给定精度）时，在控制命令的作用下，采样保持器由采样 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 10 页 共 46 页状态进入保持状态，A/D 转换器开始进行转换，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。采样方式可以按顺序或随机进行。 图 2.6 多通道共享采样保持器和 A/D 转换器数据采集系统图这种采集系统结构形式最简单，所用芯片数量少，适用于信

44、号变化率不高、对采样信号不要求同步的场合。如果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。如果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。 （2）多通道同步数据采集系统 图 2.7 多通道同步型数据采集系统图 其结构如图 2.7 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，在同一采样指令控制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 转换器上，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

45、统。 多路开关采样/保持A/D 转换IO 接口CPU控制器多路开关采样保持采样保持采样保持控制器缓冲器A/D 转换I/OCPU 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 11 页 共 46 页由于各路信号必须串行的在共用的 A/D 转换器中进行转换和计算，若采样信号回路过多时，这种采集结构的速度仍然较慢。 （3）多通道并行数据采集系统 图 2.8 多通道并行数据采集系统框图多通道并行数据采集系统框图如图 2.8 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计算机中。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

46、的硬件电路复杂，成本较高。 通用型模拟量数据采集模块则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，每个模块可以认为是实时、并行地工作，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，逻辑上耦合程度紧密，都可以称之为数据采集系统。这种系统的优点是：结构简单，容易实现，能满足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原因，这类系统也存在不少缺点： 因为系统结构不灵活，不易扩展，所以不适合

47、大规模的数据采集应用场合。抗干扰能力差，尤其对于被测对象物理位置分散、传感器输出的微弱信号需要长距离传输时，所受的干扰不容忽视的。可靠性差。系统结构中某一部件出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活性差。分布式数据采集系统是数据采集技术、计算机技术和通信技术综合和发展的产物，基于“分散采集、集中管理”的思想设计的系统结构形式，采样保持采样保持采样保持控制器A/D 转换器A/D 转换器A/D 转换器I/OI/OI/OI/OCPU 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 12 页 共 46 页由若干个“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

48、统结构如图 2.9 所示。 图 2.9 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，位于被测对象的附近，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，采用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）系统适应能力强。因为可以通过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，还是中小规模的系统，分布式结构都能够适应。 （2）系统可靠性高。由于采用了多个数据采集点，若某个数据采集点出现故障，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

49、性好。由于系统各个数据采集点之间是真正“并行”工作的，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，这种系统特别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采用分布式结构，根据不同的数据采集工作原理、结构形式和性能特点，在本系统中采用集中式的数据采集器件作为数据采集终端，采用上下位的连接方式，最终组成整个数据采集系统。 2.5 本章小结上位机I/O 接口数据采集点数据采集点数据采集点 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 13 页 共 46 页本章主要对数据采集系统设计进行探讨，首先阐述了数据采

50、集原理，指出了数据采集的理论依据及混频差的计算。再者，着重介绍了数据采集系统结构特点及性能指标，接着又探讨了几种常见的数据采集设计方案，并对其优缺点进行了分析。3 基于 Matlab 的数据采集3.1 Matlab 简介Matlab 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。现在已发展成为能够同时进行数学运算,数据采集,信号分析,模型建立和可视化解释等的强大综合功能的科学软件。它使用方便,输入简

51、洁,运算效率高,内容丰富,可由用户自行扩展,是当今世界上科学研究必不可少的工具。Matlab 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 Matlab 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MathWork 也吸收了 Maple 等软件的优点 ,使Matlab 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持。用户可以直接调用 ,也可以将自己编写的实用程序导入到 Matlab 函数库中方便自己以后调用，此外许多的Matlab爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接下载就可用。(1) M

52、atlab 的特点 此高级语言可用于技术计算 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 二维和三维图形函数可用于可视化数据 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面 各种函数可将基于 Matlab 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 14 页 共 46 页不支持大写输入，内核仅仅支持小写(2) Matlab 的应用Matlab 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众

53、多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 Matlab 函数集）扩展了 Matlab 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。Matlab 产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字图像处理 技术 数字信号处理 技术 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程(3) Matlab 的优势a. 友好的工作平台和编程环境Matlab 由一系列工具组成。这些工具方便用户使用Matlab 的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括Matlab 桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器

54、。b. 简单易用的程序语言Matlab 一个高级的矩阵 /阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M 文件）后再一起运行。新版本的 Matlab 语言是基于最为流行的 C语言基础上的，因此语法特征与 C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。c. 强大的科学计算机数据处理能力 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 15 页 共 46 页Matlab 是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600 多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需

55、的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C 和 C+ 。在计算要求相同的情况下，使用 Matlab 的编程工作量会大大减少。d. 出色的图形处理功能Matlab 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。另外新版本的 Matlab 还着重在图形用户界面（ GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。e. 应用广泛的模块

56、集合工具箱Matlab 对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，Matlab 已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、小波分析、信号处理、图像处理、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP 与通讯等，都在工具箱（ Toolbox）家族中有了自己的一席之地。f. 实用的程序接口和发布平台新版本的 Matlab 可以利用 Matlab 编译器和 C/C+数学库和图形库，将自己的 Matlab 程序自动转换为独立于 Matlab 运行的

57、 C 和 C+代码。允许用户编写可以和 Matlab 进行交互的 C 或 C+语言程序。另外， Matlab 网页服务程序还容许在 Web 应用中使用自己的 Matlab 数学和图形程序。g. 应用软件开发（包括用户界面）在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel 和 HDF5 进行连接。 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 16 页 共 46 页(4) Matlab 常用工具箱Matlab 包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具

58、包。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充Matlab 的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。常用工具箱如下：Matlab Main ToolboxMatlab 主工具箱Control System Toolbox控制系统工具箱Communication Toolbox通讯工具箱Data Acquisition Toolbox数据采集工具箱Image Processing Toolbox图象处理工具箱LMI Control Toolbox线性矩阵不等式工具箱Model p

59、redictive Control Toolbox模型预测控制工具箱Signal Processing Toolbox信号处理工具箱Spline Toolbox样条工具箱Symbolic Math Toolbox符号数学工具箱Simulink Toolbox动态仿真工具箱Wavele Toolbox小波工具箱3.2 Matlab 数据采集工具箱（ DAT）及其使用本文主要研究如何应用 Matlab 数据采集工具箱来实现数据的实时采集，下面将对数据采集工具箱进行简要的介绍。数据采集工具箱是一组 M-File 函数集和 MEX-File 等动态链接链接库所组成的, 专门使用在数据采集方面的一组函数

60、库. 它提供了以下主要的功能：1） 以相同的指令操作 模拟输入(AI), 模拟输出(AO), 数字输出入(DIO)和同步模拟输入输出转换各式功能, 不会因不同硬件而产生不同的指令。2） 一个实时数据采集环境, 被测量的数据不需经由转换可直接进入MATLAB 直接进行分析。 3） 支持主要的数据采集卡的厂商, 如:凌华, Agilent, ComputerBoards 和 National Instruments。 基于 Matlab 的数据采集器设计 第 17 页 共 46 页4） 支持事件驱动(Event-driven)的数据采集。3.2.1 Matlab 数据采集工具箱的内部结构 数据采集