【正文】 從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析的自動化。 圖 1 一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 整個系統(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行交互溝通。數(shù)據(jù)采集部分實現(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 采樣時間，從聲卡獲得用戶需要的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析部分對采集到的數(shù)據(jù)進行頻譜分析。全部信號源 傳感器 信號 處理 數(shù)據(jù)采集設(shè)備 PC MATLAB軟件 環(huán)境 信號處理分析 第 4 頁 數(shù)據(jù)的時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)以及回放數(shù)據(jù)的功能。 圖 2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)動程序和 MATLAB 環(huán)境之間 “ 對話 ” 所需的硬件驅(qū)動程序適配器、數(shù)據(jù)采集引擎和 M文件函數(shù) 。 圖 2 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡圖 硬 件驅(qū)動程序適配器在硬件驅(qū)動程序和數(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)采集引擎用來存儲各個設(shè)備對象，以及每個設(shè)備對象的屬性值；對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲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)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。 系統(tǒng)的特點和性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般具有 以下幾個 特點 。 （ 1） 現(xiàn)代采集系統(tǒng)一般都由計算機控制，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)，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處 理到控制的全部工作。 數(shù)據(jù)采集工具箱 MATLAB 硬件 驅(qū)動程序 硬件 磁盤文件 傳感器 執(zhí)行器 數(shù)據(jù)采集引擎 硬件驅(qū)動程序適配器 M 文件函數(shù) 第 5 頁 （ 4） 數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實際需要；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。 評價一個數(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比較常用的指標(biāo)進行評價。 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。通常可以用如下幾種方法表示系 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。 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，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能達到的轉(zhuǎn)換精度。 A/D轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。實際上，系統(tǒng)精度往往達不到 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。因為系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(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，系統(tǒng)精度才有可能達到 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實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數(shù)。 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間內(nèi)所能完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。這里說的 “采集 ”包括對被測物理量進行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲的全部過程。 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍最 早是 信號 系統(tǒng)的概念，一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍被定義成最大不失真 電平 和噪聲電平的差。而在實際用途中，多用對數(shù)和比值來表示一個信號系統(tǒng)的 第 6 頁 動態(tài)范圍， 指某個確定的物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍是指信號的最大幅度和最小幅度之比的分貝數(shù)。 系統(tǒng)常見的幾種結(jié)構(gòu)形式 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的分類 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的 結(jié)構(gòu)形式 多種多樣 ， 用途和功能也各不相同， 常見的 分類方法有以下 幾種 。 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)成如圖 3所示，這種結(jié)構(gòu)形式采用分時轉(zhuǎn)換工作的方式，多路被測信號共用一個采樣 /保 持器和一個 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，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)，A/D 轉(zhuǎn)換 器開始進行轉(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)以上的操作，可以實現(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進行。 圖 3 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，直接進行 A/D 轉(zhuǎn)換。如果信號很弱而干擾噪聲強，需要在系統(tǒng)電路中增加信號放大電路和濾波環(huán)節(jié)。 多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，也屬于分時轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 多路開關(guān) 控制器 采樣 /保持 A/D 轉(zhuǎn)換 I/O 接口 CPU 第 7 頁 圖 4 多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多路模擬輸入信號共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器，但是每個通道各有一個采樣 /保持器，在同一采樣指令控制下對各路信號同步進行信號采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。模擬開關(guān)分時將各路采樣 /保持器切換到 A/D 轉(zhuǎn)換器上，進行 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)。 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)框圖如圖 5所示。這種結(jié)構(gòu)形式中，每個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)過接口電路送到計算機中。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。 圖 5 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計算 機技術(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)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，由若干個 “ 數(shù)據(jù)采集點 ” 和上位機以及通信接口組成。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 6所示 。 多路開關(guān) 控制器 緩沖器 A/D I/O CPU 采樣保持 采樣保持 采樣保持 采樣保持 采樣保持 CPU 采樣保持 控制器 A/D 轉(zhuǎn)換器 I/O I/O I/O I/O A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器 第 8 頁 圖 6 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 上位機 I/O 接口 數(shù)據(jù)采集點 數(shù)據(jù)采集點 數(shù)據(jù)采集點 第 9 頁 3 MATLAB 及聲卡 MATLAB 簡介 MATLAB 是由美國 Mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的 視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。 MATLAB 也 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行，因而極大地限制了代碼執(zhí)行速度。 MATLAB 強大的計算功能只能在其平臺上才能使用，也就是說，必需在安裝了其解釋器的機器上才能使用 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 只能作為離線的計算和分析工具，而不能作為實時的工程工具。幸運的是，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， Application Program 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)就可以作為一個虛擬儀器來使用。 時至今日，經(jīng)過 MathWorks 公司不斷完善， MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺的功能強大的大型軟件。在國外， MATLAB 已 經(jīng)經(jīng)受了多年考驗，在歐美高校， MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動控制理論，數(shù)據(jù)統(tǒng)計，數(shù)字信號處理等高級課程的基本教學(xué)工具；成為大學(xué)生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計研究單位和工業(yè)部門， MATLAB 被廣泛用于科學(xué)研究和解決具體問題?？梢灶A(yù)見不久的將來，在國內(nèi)工程界 MATLAB 一定會盛行起來。 數(shù)據(jù)采集工具箱及聲卡簡介 MATLAB 的 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 動態(tài)鏈接庫文件的集合，包含 3大區(qū)域的組件： M 文件函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎及硬件驅(qū)動適配器。它具有如下特點： 是一種通過使用與 PC機兼容的、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及數(shù)字信號的輸入、輸出，子系統(tǒng)還包括同步模擬輸入輸出的轉(zhuǎn)換；支持聲卡；事件驅(qū)動采集。 聲卡 (Sound Card)也叫音頻卡，是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波／數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原 第 10 頁 始聲音信號加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設(shè)備，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 。聲卡已成為多媒體計算機的一個標(biāo)準(zhǔn)配置 ,利用聲卡進行采樣與輸出 ,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 ,且在音頻范圍內(nèi)可以完全滿足實驗要求。 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)備運行時，可以獲取事件信息， 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)置和顯示所有的硬件特性以滿足用戶的技術(shù)指標(biāo)。 第 11 頁 4 系統(tǒng)設(shè)計方案 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) 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。MATLAB 則是一種功能強大、計算效率高、交互性好的數(shù)學(xué)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 ,形成了一個極其方便、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 。 價格低廉。在數(shù)據(jù)采集時，所要采用的是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對于某些應(yīng)用場合，可以利用計算機上所附帶的聲卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。 靈活性強。用戶不僅可以進行實時監(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)。 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。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 MATLAB 提供了一個數(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 中可以很容易地實現(xiàn)信號采集與分析處理工作 ，如圖 7所示 。 圖 7 系統(tǒng)實現(xiàn)的總體框圖 被測對象 采樣保持信號調(diào)理 聲卡 計算機 第 12 頁 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 ,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) ,包括保存所有數(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