数据采集及分析系统

核心词：声卡

数据采集

MATLAB

信号解决论文摘要：运用数据采集卡构建的数据采集系统普通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含有价格低廉、开发容易和系统灵活等优点。本文具体介绍了系统的开发背景,软件构造和特点,系统地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。

本文介绍了MATLAB及其数据采集工具箱,

运用声卡的A/

D、D/

A

技术和MATLAB

的方便编程及可视化功效,提出了一种基于声卡的数据采集与分析方案,该方案含有实现简朴、性价比和灵活度高的优点。用MATLAB

语言编制了对应软件,实现了该系统。该软件有着简洁的人机交互工作界面,操作方便,并且能够根据顾客的需求进行功效扩充。最后给出了应用该系统采集数据的应用实例。1绪论

1.1

课题背景

数据也称观察值，是实验、测量、观察、调查等的成果，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全部对象的原始数据收集、归类、整顿、录入到系统当中去。数据采集是机管理系统使用前的一种数据初始化过程。数据采集技术广泛引用在各个领域。例如摄像头，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)的多个参量(能够是物理量，也能够是化学量、生物量等)通过多个传感元件作适宜转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等环节，最后送到控制器进行数据解决或存储统计的过程。被采集数据是已被转换为电讯号的多个物理量，如温度、水位、风速、压力等，能够是模拟量，也能够是数字量。采集普通是采样方式，即隔一定时间（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种特性值。精确的数据测量是数据采集的基础。数据测量办法有接触式和非接触式，检测元件多个多样。不管哪种办法和元件，都以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以确保数据的对的性。数据采集含义很广，涉及对持续物理量的采集。在计算机辅助制图、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、信号解决以及自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题，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实用的技术。它广泛应用于信号检测、信号解决、仪器仪表等领域。近年来，随着数字化技术的不停，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。数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任务是把信号送入计算机或对应的信号解决系统，根据不同的需要进行对应的计算和解决。它将模拟量采集、转换成数字量后，再通过计算机解决得出所需的数据。同时，还能够用计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，其中一部分数据还将被用作生产过程中的反馈控制量。数据采集系统是计算机测控系统中非常重要的环节，现在，有多个数据采集卡或采集系统可供选择，以满足生产和科研实验等各方面的不同需要，但由于数据源以及顾客需求的多样性，有时并不能满足规定。特别是在某些应用中，需要同时高速采集多个通道的数据，并且为了分析比较各通道信号间的互有关系，经常规定全部通道的采集必须同时。现有的数据采集系统能够满足上述规定的比较少，且价格十分昂贵，体积较大，分量较重，使用十分不方便。普通模拟量是通过多个数据采集卡进行数据采集。现在惯用的是含有

ISA

总线、PCI

总线等接口形式的

A/D

采集卡，即使数据传输率很高，但是还存在整个系统笨重，缺少灵活性，不能实现即插即用，不适合小型、便携设备采用等缺点。另外这些类型的采集卡在计算机上安装比较麻烦，并且由于受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制不可能挂接诸多设备。因此，工程师们往往需要耗费大量的时间和资源用于系统搭建。随着工业技术的迅猛发展，生产规模的不停壮大，生产过程和制作工艺的日趋复杂，对自动测试和多个信息集成的规定也就越来越高。数据采集系统的好坏将直接影响自动测试系统的可靠性和稳定性，为了满足不同的测试需求，以及减少对资源的浪费，在系统的设计上应当尽量满足通用性和可扩展性。在高度发展的当今社会中，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然趋势，而它们的共同规定是必须建立在有着不停发展与提高的信息工业基础上。人们只有从外界获取大量精确、可靠的信息通过一系列的科学分析、解决、加工与判断，进而认识和掌握界与科学技术中的多个现象与其有关的变化，并通过对应的系统和办法实现科学实验研究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种问题就是必须根据从多个传感器得到的数据来检测、监视现场，以确保现场设备的正常工作。因此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对应的解决工作，以满足不同的需要。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下列缺点：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在某些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，造成采集的数据失真。而当代工业生产和科学研究的发展规定数据采集卡含有更加好的数据采集、解决能力，传统的

CPU

已经不能满足这一规定。针对以上规定，本文将叙述一种基于PC机的声卡技术，它安装容易，成本较低。只需运用计算机本身的软硬件资源，而不需添加其它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顾客界面，该界面操作方便，并且能够根据顾客的需求进行功效扩充。数据分析在整个科研工作中是个重要的必不可少的环节，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，以找出所研究对象的内在规律。在实用中，数据分析可协助人们作出判断，方便采用适宜行动。数据分析是组织有目的地收集数据、分析数据，使之成为信息的过程。这一过程是质量管理体系的支持过程。在产品的整个寿命周期，涉及从市场调研到售后服务和最后处置的各个过程都需要适宜运用数据分析过程，以提高有效性。例如，一种的领导人要通过市场调查，分析所得数据以鉴定市场动向，从而制订适宜的生产及销售计划。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。因此研究一种质量性能高的通用数据采集平台含有很大的意义。在近几十年来

IC

技术和计算机技术的高速发展，为数据采集与分析提供了非常良好与可靠的科学技术基础，也提出了更高的规定和强有力的推动。如今面临着先进的计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发展和生产过程的高度自动化。因此，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，特别是在发达的美、英、德、法日等国与我国，都对这一技术高度重视。1.2

国内外研究动态

数据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种重要分支，与传感器、信号测量与解决、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、解决及控制等作业，含有很强的实用性。随着科学技术的发展，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、控制办法以及抗干扰能力等提出了越来越高的规定，特别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发展。今天，数据采集技术己经在雷达、通信、水声、振开工程、无损监测、智能仪器、工业自动控制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效果。高速数据采集系统在国防、航天、边沿科学研究中及国民经济的各个领域的成功的应用，进一步引发了各方的关注，推动了它的研制和发展。随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛的应用。现在，国外诸多公司与厂商都投入巨款进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较知名的有

NEFF，

NI、HP，TEK

等。从数据采集系统产品来看，各大公司提供的系列产品都涉及了完毕数据采集的诸如信号放大、滤波、多路开关、模数转换和接口等多个模块。现有的高速数据采集器件和开发的产品中，现在还没有完全实现高速、高分辨率。在雷达、通信、谱分析、瞬态分析、电视等应用领域，为满足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、高分辨率已成为数据采集系统的一种发展方向。现有的高速

ADC

器件和产品价格都比较昂贵，有些高速、高分辨率的器件本身还存在着不稳定性，因此，在数据采集系统向高速、高分辨率发展的同时，开发和研制的器件和产品应不停地提高可靠性，减少成本，提高性价比，方便使之得到更广泛的应用。在国内，由于、技术等因素，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、原则化的通用产品，根本无法满足国内顾客不停增加的需要，也远远不能与国外产品抗衡，正因此使得价格高昂的国外产品占有了相称大的市场份额。1.3

数据采集系统的现状及发展

数据采集与分析始终是生产实践研究与应用领域的一种热点和难点。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，现在国内外对数据采集系统的高性能方面的研究上获得了很大的成就。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，为分析功效的加强提供了前提条件。而在数据分析的微解决器上，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停发展，新兴单片机的不停问世，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，近年来采用品有

DSP

功效的数据采集系统也己投入市场。同时，通用

PC

机的

CPU

用于数据解决也较为常见。总之，随着着高性能微解决器的采用和顾客技术规定的不停提高，数据采集系统的功效也越来越完善。数据采集系统的发展重要体现在下列几个趋势：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

机的解决能力平均每十八个月就增强一倍。为了充足运用解决器速度的发展，当代开放式测量平台结合了高速总线接口，如

PCI和

PXI/Compact

PCI，方便获得性能的进一步提高。计算机的性能提高和由此引发的基于计算机的测量技术的创新，正在持续不停地含糊着传统仪器和基于计算机的测量仪器之间的界限。另首先，在通用测控方面，采用嵌入式微解决器的方案也由早期的采用

A/D

器件和原则单片机构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，即现在极为热门的

SOC

(System

On

Chip)。普通在一块芯片上会集成一种，能够采样多路模拟信号的

A/D

转换子系统和一种硬

CPU

核(例如增强型

80_52

内核)，并且其CPU

的运算解决速度和性能也较早期的原则

CPU

内核提高了数倍，并且有着极低的功耗。这种单芯片解决方案减少了系统的成本和设计的复杂性。另外，为理解决

SOC

方案中数据解决性能的局限性，采用

DSP

作为数据采集系统的

CPU

的研究与应用现在也逐步引发业内重视。但是这类产品现在仅仅处在发展的初级阶段，在精度、速度或其它性能指标上并不能较好的满足规定。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在展开。近年来随着芯片技术、计算机技术和技术的发展，数据采集技术获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首先是提高采集速率，另首先不停向两端延伸。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解决与事后解决。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行、高速、大量存储、实时分析解决、集成化等方向发展。(1)采样方式①过采样（Over

Sampling）。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。②欠采样（Under

Sampling）。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能够低于信号频率fch，但信号的频带宽度不得不小于0.5fs，运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11～14kHz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

=

2fs±fch

=

20

kHz±(11～14

kHz)=

31～34

kHz，或9～6

kHz③等效时间采样（Equivalent

Time

Sampling

）。重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，采用周期微差法，能够达成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，这种办法是无效的。④变速率变分辨率采样。(2)采集方式的发展①扫描式采集（Scanning

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

Acquisition)：多个通道同时并行采集，每个通道采用一种独立的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。③交替采集（Internative

Acquisition）：一种通道由多个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，能够高于单个A/D的转换速率。(3)采集数据的实时分析与解决软件现在国外的测试仪器或系统生产厂家，在生产硬件的同时，推出其对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；为终端顾客提供编写自己的顾客应用程序的手段。1.4

本文重要内容和章节安排

本文完毕了一种基于MATLAB的数据采集系统的方案的设计，实现了在MATLAB环境下运用声卡和MATLAB数据采集工具箱进行的数据采集与分析。全文的构造安排以下：第一章

绪论，阐明了研究背景、意义、国内外现状，以及系统的发呈现状。第二章

重要介绍了系统构造特点及性能第三章

重要介绍了声卡、MATLAB软件及其工具箱的使用第四章

重要讨论了系统构造功效设计与实现，以及数据采集与分析的具体过程第五章

重要对数据采集进行了举例

2数据采集系统构造特点

2.1

系统构成构造

数据采集系统重要由两部分构成：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解决的数字信号的功效等；计算机子系统实现对采集数据的控制、存储和解决等功效，计算机起着对采集数据的存储和解决、统计分析、提供人机接口与其它计算机的数据通信和交换的功效。数据采集系统涉及多学科，所研究的对象是物理或生物等多个非电或电信号。根据多个非电或电信号的特性，运用对应的归一化技术，将其转换为可真实反映事物特性的电信号后，经A／D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根据，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构成如图2-1所示。图2-1

典型数据采集系统的构成而普通的外置式数据采集系统构造如图2-2所示。模拟信号由传感器采得通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毕A／D转换，涉及采样、量化、编码，转化成数字信号后送入与之相连的PC机中。根据不同的规定，在PC机上运用MATLAB以及二次编程实现数据的实时分析与解决。顾客能够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，同时能够得到数据的采集与分析成果，

从而实现数据采集与分析的自动化。图2-2

普通的外置式数据采集系统构造运用声卡在WINDOWS环境下开发数据采集系统时，由于受编程语言的限制，其数据分析与解决的功效非常有限。例如，为了对所采集的数据进行功率谱分析，则需要顾客以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效的进一步扩展。而运用声卡作为A／D转换工具，通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，并运用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规定。顾客通过调用MATLAB命令，

可对采集的数据进行分析和解决。整个系统可分为数据采集和数据分析两大部分，以和谐的图形界面与顾客进行交互沟通。数据采集部分实现数据采集功效，根据顾客选择的采样频率和预设的采样时间，从声卡获得顾客需要的数据；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顾客面前。另外，还提供保存数据以及回放数据的功效。图2-3给出了基于MATLAB的数据采集系统的简图，重要部件数据采集工具箱提供了硬件驱动程序和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-文献函数．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、数据和事件；数据采集引擎用来存储各个设备对象，以及每个设备对象的属性值；对采集到的数据进行存储并且使不同事件同时；M-文献用来创立设备对象、采集或输出数据、配备属性值和检测数据采集状态和数据采集设备。2.2

系统的特点和性能指标

数据采集系统到今天，普通来说含有以下重要特点：（1）当代采集系统普通都由机控制，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）数据采集与数据解决互相结合的日益紧密，形成数据采集与解决系统，可实现从数据采集、解决到控制的全部工作。（4）数据采集过程普通都含有“实时”特性，实时的原则是能满足实际需要；对于通用采集系统普通但愿有尽量高的速度，以满足更多的应用环境。（5）随着技术的发展，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构造的发展起着重要作用。评价一种数据采集系统的性能有诸多指标，但是普通采用下列几个比较惯用的指标进行评价。（1）系统分辨率系统分辨率是指数据采集系统能够分辨的输入信号的最小变化量。普通能够用以下几个办法表达系统分辨率：使用系统所采用的

A/D

转换器的位数表达系统分辨率；使用最低有效位值（LSB）占系统满度值的比例表达系统分辨率；使用系统可分辨的实际电压数值表达系统分辨率；使用满度值能够分的级数表达系统分辨率。（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成的转换精度。A/D

转换器的精度是系统精度的极限值。事实上，系统精度往往达不到A/D

转换器的精度。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成

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，它是系统多个误差的总和，普通表达为满度值的百分数。（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毕的采集次数，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”涉及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）动态范畴动态范畴是指某个拟定的物理量的变化范畴。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

系统常见的几个构造形式

（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以下图所示，这种构造形式采用分时转换工作的方式，多路被测信号共用一种采样/保持器和一种

A/D

转换器。当采样保持器的输出已充足逼近输入信号（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，系统不停重复以上的操作，能够实现对多通道模拟信号的数据采集。采样方式能够按次序或随机进行。多通道共享采样保持器和

AD

转换器数据采集系统图这种采集系统构造形式最简朴，所用芯片数量少，合用于信号变化率不高、对采样信号不规定同时的场合。如果被测信号变化速率较慢，能够不用采样保持器，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）多通道同时数据采集系统多通道同时型数据采集系统图其构造如上图所示，也属于分时转换系统。多路模拟输入信号共用一种

A/D

转换器，但是每个通道各有一种采样/保持器，在同一采样指令控制下对各路信号同时进行信号采样，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。这些同时数据能够描述各路信号的相位关系，因此这种构造被称为同时型数据采集系统。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，这种采集构造的速度仍然较慢。（3）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。这种构造形式中，每个通道都有自己的采样保持器和A/D转换器，通过A/D转换的数据通过接口电路送到计算机中。相对于前两种数据采集系统，这种构造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，每个模块能够认为是实时、并行地工作，每个模块仅完毕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构造形式中，系统各部件之间的空间距离很近，逻辑上耦合程度紧密，都能够称之为数据采集系统。这种系统的优点是：构造简朴，容易实现，能满足中小规模的集中数据采集的规定。在市面上都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、构造形式和性能设计等因素，这类系统也存在不少缺点：由于系统构造不灵活，不易扩展，因此不适合大规模的数据采集应用场合。抗干扰能力差，特别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，所受的干扰不容无视的。可靠性差。系统构造中某一部件出现故障会造成整个系统工作崩溃。由于各部件之间紧密耦合，造成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”的思想设计的系统构造形式，由若干个“数据采集点”和上位机以及通信接口构成。分布式数据采集系统构造以下图所示：分布式数据采集系统图处在分散部位的数据采集点相称于小型的集中数据采集系统，位于被测对象的附近，可独立完毕数据采集和预解决任务，并将采集的数据转换为数字信号的形式传送给上位机，采用数据传输的办法能够克服模拟信号传输的固有缺点。分布式数据采集系统的重要特点是：（1）系统适应能力强。由于能够通过选用适宜数量的数据采集点来构成对应规模的系统,因此无论是大规模的系统，还是中小规模的系统，分布式构造都能够适应。（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，而不会对系统的其它部分造成任何影响。（3）系统实时对应性好。由于系统各个数据采集点之间是真正“并行”工作的，因此系统的实时对应性较好。（4）另外，这种数据采集系统是用数字信号传输替代模拟信号传输，有助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。现在对于大规模的数据采集场合普通都采用分布式构造，根据不同的数据采集工作原理、构造形式和性能特点，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，最后构成整个数据采集系统。3

MATLAB软件3.1

MATLAB

介绍

MATLAB

是美国MathWorks

公司开发的一种功效极其强大的高技术计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计算的软件，该软件涉及基本部分和专业扩展两大部分．扩展部分称为工具箱，用于解决某首先的专业问题．它以矩阵和向量的运算以及运算成果的可视化为基础,把广泛应用于各个学科领域的数值分析、矩阵计算、函数生成、信号解决、图形及图像解决、建模与仿真等诸多强大功效集成在一种便于顾客使用的交互式环境中,为使用者提供了一种高效的编程工具及丰富的算法资源。对于信号解决和图像解决等数字解决领域,MATLAB

更是得天独厚,它丰富的M文献和强大的绘图可视功效为使用者带来了极大的方便,

被广泛的应用于信号与图像解决、控制系统设计、通信、系统仿真等诸多领域，特别对初学者可起到事半功倍之效。MATLAB是一种解释语言，全部的程序和指令都必须在MATLAB解释器中读入后才干运行，因而极大地限制了代码执行速度。MATLAB强大的计算功效只能在其平台上才干使用，也就是说，必需在安装了其解释器的机器上才干使用MATLAB的M文献，这样就给工程应用带来了很大不便。对于普通顾客来讲，MATLAB只能作为离线的计算和分析工具，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提供了应用程序接口(API，ApplicationProgram

Interface)和编译器(Compiler)。运用MATLAB和C语言交互，也能够开发基于MATLAB的数据采集系统。如果配上数据采集线路，该系统就能够作为一种虚拟仪器来使用。3.2

数据采集工具箱及声卡介绍

MATLAB

自带的数据采集工具箱(Data

Acquisitiontoolbox,

DAQ)

能更容易地将实验测得的数据进行分析和可视化操作。数据采集设备涉及:

多媒体声卡、美国国家仪器E系列和1200

系列接口板、Hewlett-Packard-VXIE1432-

系列接口板及其它多个数据采集硬件设备。数据采集硬件设备的内部特性对MATLAB

的接口完全透明,

无论是使用一种或几个硬件设备,

数据采集工具箱都会向全部硬件设备提供单一和统一的接口。通过调用MATLAB

命令和函数可对与计算机兼容的数据采集硬件设备进行访问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函数文献和MEX动态链接库文献的集合，包含3大区域的组件：M文献函数、数据采集引擎及硬件驱动适配器。它含有以下特点：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，子系统还涉及同时模拟输入输出的转换；支持声卡；事件驱动采集。在MATLAB数据采集工具箱里集成了数据采集的M

文献格式的函数和MEX文献格式的动态链接库。其重要特性以下：(1)提供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，涉及模拟量I／O实时变换。(3)支持PC声卡和业界非常流行的数据采集设备如NI卡、并行口(LPT1-LPT3)、Keithley卡等。(4)采用事件驱动模式进行数据采集。数据采集工具箱由3部分构成：M文献格式的函数、数据采集引擎和硬件驱动，如图3-1所示。这些构成部分使得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现在市面上的数据采集卡普通都包含了完整的数据采集电路和与机的接口电路,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,能够说比较昂贵。在采样频率规定不高的状况下,能够运用计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。普通的声卡都能够实现双通道、16

位、高保真的数据采集,采样率甚至能够达成48KHz。对于许多实验和工程测量来说,其样本量化精度和采样率是足够高的,甚至优于现在惯用数据采集卡的性能。将其用于数据采集,性价比相称高。声卡是一种非常优秀的音频信号采集系统,其数字信号解决器涉及模数转换器(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,转换率达成44.1KHz。声卡已成为多媒体计算机的一种原则配备,运用声卡进行采样与输出,就不需要购置专门的采集卡能够减少虚拟仪器的开发成本,且在音频范畴内能够完全满足实验规定。3.3

MATLAB在数据采集中的应用

数据采集工具箱集成于MATLAB中，因此在进行数据采集的同时，能够对采集的数据进行实时分析，或者存储后再进行解决，或者针对数据分析的需要对测试条件的设立进行不停的更新。应用数据采集工具箱提供的命令和函数能够控制任何类型的数据采集。例如，在硬件设备运行时，能够获取事件信息，评定采集状态，定义触发器和回访状态，预览数据以及进行实时分析，能够设立和显示全部的硬件特性以满足顾客的技术指标。4系统设计方案

声音信号的采集与分析解决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解决,从而找出声音信号的特性在科学研究中是一项非常故意义的工作。声卡是多媒体计算机系统中最基本、最惯用的硬件之一,其技术已经成熟,它含有AD/DA转换功效,现已被广泛应用于声音信号采集和虚拟仪器系统的设计。MATLAB则是一种功效强大、计算效率高、交互性好的数学计算和可视化计算机高级语言,它将数值分析、信号采集与解决和图形显示有机地融为一体,形成了一种极其方便、顾客界面和谐的操作环境。本文所设计的声音信号采集与分析系统就是充足运用了声卡的AD/DA转换功效和MATLAB强大的数据解决功效,同时,该系统还是建立在MATLAB软件的图形界面实现的,因而使系统含有良好的交互性。基于计算机声卡的数据采集系统有下列特点：（1）价格低廉。在数据采集时，所要采用的是模数转换芯片，对于某些应用场合，能够运用计算机上所附带的声卡实现数据采集任务。（2）灵活性强。顾客不仅能够进行实时监视和控制操作，还能够把数据保存到硬盘，供后来分析使用。在CPU足够快的条件下，还能够实时解决数据，动态显示波形的频谱、功率谱。另外在一台计算机上，能够插若干块声卡，构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，输入信号的频率最佳在100Hz～15kHz范畴内。总之，运用便宜的声卡，构成一种较高的采样精度，中档采样频率，且含有很大灵活性的数据采集系统，对于某些应用领域是一种较好的选择。4.1

系统构造设计

MATLAB提供了一种数据采集工具箱(Data

Acquisition

Toolbox),在该数据采集工具箱中,有一整套的命令和函数,可用来直接控制与PC机兼容的数据采集设备进行数据采集,因此,运用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,就能够将采集到的声音信号分别进行频谱、功率谱分析等多个谱分析。因此,在MATLAB中能够很容易地实现信号采集与分析解决工作。

图4-1系统实现的总体框图

从系统框图上看,整个系统构造简朴,并且数据的后续分析方便,不需要再进行数据转移,而直接在MATLAB软件中完毕分析解决工作。在该系统中,从硬件上来讲,只需必要的信号预解决电路和一台普通的多媒体计算机(或笔记本电脑)即可;从软件上来讲,则只需使用本文中所编制的程序,便可从声卡获取数据并保存为文献,然后再可根据实际需要进行数据分析解决。4.2

系统功效设计

本系统由数据采集和数据分析两大部分构成,数据采集部分是实现信号采集功效,根据顾客选择的采样频率和预设的采样样本数从声卡获得顾客需要的数据。数据分析部分重要实现下列功效:(1)从信号采集部分获取数据,或者从数据文献读取数据;(2)实现将采集到的声音信号数据进行频谱分析,画出频谱图以图形方式很直观地反映出信号特性;(3)保存数据,涉及保存全部数据和部分数据的功效,同时保存对应的频谱数据;(4)显示声音信号数据的时域图和频谱图;(5)其它功效。根据不同的需要,还能够进行修改,以选择适宜的实验方案。4.3

系统设计实现

声音信号采集功效的实现是由MATLAB控制计算机声卡将传感器得到的模拟信号转换为数字信号并存储在计算机中;而信号分析功效是将采集得到的数据进行时、频域分析和各项数值分析等。整个系统设计重要涉及系统的硬件配备、编制程序实现数据采集、编制程序实现数据分析及系统的界面设计四部分。4.3.1

声音信号采集的硬件配备

将声卡插入计算机的PCI插槽,安装好对应的驱动程序后,将声音传感器设备与声卡的模拟输入端连接起来,这就构建了声音采集的硬件设备,需要注意的是对声音传感器的选择,应选择音频专用电缆或屏蔽电缆以减小噪声信号的引入,最佳能选择单向性声音传感器。在MATLAB的信号采集工具箱中有专门为声卡生成一种操作对象的函数,初始化该操作对象即能建立MATLAB与声卡的通信,并为已创立的声卡设备对象增加数据采集通道和触发方式。若缺省设立则系统采用一种数据通道、手动触发方式启开工作。进行数据采集时,根据所配备的声卡的工作特性和信号分析的设计规定,可设立对应的参数来控制声卡在数据采集时的行为,如采样频率、采样时间、预计模拟信号的输入/输出范畴、采样的出发方式,采样点数据的存储等。另外需要注意的一点是采样频率是由声卡的物理特性决定的,实际应用中能够根据状况选择一种声卡支持的采样频率.MATLAB支持电平触发、事件触发和手动触发三种方式来启动数据采集工作。声音信号采集硬件配备的具体实现过程:sound=analoginput(‘winsound’);%

‘winsound’为声卡的驱动程序channel=addchannel(sound,1);%

添加通道为单声道set(sound,

‘SampleRate’,44100);%

设立采样频率为44100Hzset(sound,

‘SamplesPerTrigger’,22050);%

设立采样时间为0.5sset(sound,

‘TriggerType’,

‘manual’);%

设立触发方式为手工触发...%

其它的有关设立4.3.2

数据采集

启动设备对象,控制声卡开始采集数据,采集过程中能够向声卡发送控制命令,如暂停采集、退出采集等。采集到的数据被临时寄存在计算机的内存中,理论上可采集的最大数据量是由计算机的内存量所决定的。同时,

MATLAB能够统计采集设备的硬件属性、采集的启动时刻、采集时间、采样频率及采样通道等信息,如果采集过程中出现了错误,则出错的时刻、错误产生的来源等信息也都会被统计下来供后续工作。需要注意的是,执行完一次数据采集工作后应删除设备对象,将内存中的数据存储在硬盘上之后释放数据存储所占用的内存空间,以备下一次采集能有足够的内存空间存储新的数据，声音信号采集的实现程序为:start(sound);%

启动设备对象trytime=0;data=0;[data,time]=getdata(sound);%

获取采样数据catchtime=0;data=0;disp(‘A

timeout

occurred’);endstop(sound);%

停止设备对象delete(sound);%

删除设备对象4.3.3

数据分析

在设计该部分时,不仅规定实现能从数据采集部分直接获取数据,还需实现能从文献中读取以前所保持好的数据。之后,顾客能够根据实际研究的需要,在MATLAB中调用频谱分析函数(periodogram等)、功率谱分析函数(psd等)或数值分析函数(fminbnd等),就能够将采集到的声音信号分别进行频谱、功率谱分析等多个谱分析,并且可方便地将分析成果以图形的形式显示出来,如图4-2所示。在研究蛋壳破损自动检测过程中,通过对所采集的蛋壳声音信号进行频谱分析,找出辨别损壳蛋与好壳蛋的特性变量,从而实现蛋壳破损的自动检测。对所采集的声音信号进行频谱分析的程序为:...%

获取采样数据Px=abs(fft(data,512))

2/512;%

对所采集的数据进行傅立叶变换px=Px(1:256);s=60+10*log10(px);...%

其它功效图4-2

声音信号的采集与频谱分析4.3.4

系统界面设计

运用MATLAB软件中GUI模块进行设计,在MATLAB中能够方便地设计出基于对话框的图形顾客界面,它提供了诸如编辑框、按钮、滚动条等图形对象,通过对这些图形对象的有机组合,再对对应的图形对象编写程序,就能够设计出界面和谐、操作方便的系统软件。图4-2所示为声音信号采集与频谱分析系统的运行界面,还可再根据实际需要进行扩展。建立基于声卡和MATLAB的信号采集与分析系统,能够实现信号采集、设备控制、数据分析以及成果显示等功效。实践证明该系统含有精度高、实时性好、性价比高、人机界面和谐、升级修改简朴等优点。在进行项目研究过程中,经常需要进行多次实验,采集大量的数据,并且规定对数据能实时地进行分析解决,该系统能较好地满足这种研究需要。另外,这一系统还能够扩展应用到其它有关的领域中,如在语音识别工作中能够用该系统采集语音信号并且加入语音解决的有关分析等。因此,该系统不仅含有良好的实用性,还可为其它的有关研究提供理论和应用基础。语音信号分析解决系统普通由声电传感器(麦克风)

、数据采集卡、解决器(计算机)

、软件系统等几部分构成。商品数据采集卡(A/

D

板)

都包含了完整的数据采集电路和计算机接口电路,并同时提供驱动程序,产品和种类繁多,性能价格各异,价格普通都比较贵。PC

机的声卡本身就是一种便宜同时又非常优秀的语音信号采集系统,它采用直接内存读取方式传输数据,极大地减少了CPU

的占用率;不仅如此,声卡16

位的A/

D

转换精度比普通16

位A/

D

卡要高,能够满足语音信号采集分析规定。5

应用设计

一、

对声卡产生的模拟输入对象(AI)

进行操作声卡是MATLAB数据采集工具箱所支持的一种硬件，用声卡完毕一种简朴的数据采集过程，麦克风就成了数据采集系统中的传感器．1)创立设备对象，这里创立的是一种声卡AI设备对象，硬件设备标示符为2．ai=analoginput(‘winsound’,2)；2)给设备对象添加通道，这里添加1个通道．addchannel(ai,1)；3)设定设备属性值，控制数据采集．freq=8

000；

＼采样频率8

000

Hzset(AI，SampleRate．freq)duration=2；

＼采样时间2

sset(AI，SamplesPerTrigger,duration*freq)；4)数据采集及成果解决．在这里首先将所采集到的数据进行快速傅立叶变换，然后转化成分贝，并显示成果的实数部分．start(ai)；data=getdata(ai)；fftdata=

abs(fft(data))；mag

=20*logl0(fftdata)；mag=

mag(1：end／2)；5)去除内存中的设备对象．delete(ai)；clear

ai；图5-1

采样过程中没有对麦克风讲话图5-2

采样过程中对麦克风讲话成果分析：图5-1是在采样过程中打开麦克风，但是没有对麦克风讲话的成果(对不同品牌、质量的声卡，成果可能有所不同)，图5-2是在采样的过程中对麦克风讲话的成果．能够看出，讲话与否(传感器感受端的变化)变化了所采集到的数据的成果．二、

直接运用MATLAB数据采集箱中提供的函数命令进行采集普通的采样过程是对声卡产生的模拟输入对象(AI)

进行操作的,由于机配备和模拟通道的运用使得数据采集过程显得烦琐难以理解,有时还不易获得采样数据。实验过程发现一种更为简朴实用的办