【正文】 基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原 第 10 頁 始聲音信號加以轉換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設備，其數(shù)字信號處理器包括模數(shù)轉換器 (ADC) 和數(shù)模轉換器 (DAC) ,ADC 用于采集音頻信號 ,DAC 用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音 ,轉換率達到 。可以預見不久的將來，在國內(nèi)工程界 MATLAB 一定會盛行起來。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。 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，這樣就給工程應用帶來了很大不便。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構如 圖 6所示 。 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。 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) 其結構如圖 4 所示，也屬于分時轉換系統(tǒng)。采樣方式可以按順序或隨機進行。 系統(tǒng)常見的幾種結構形式 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的分類 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的 結構形式 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 。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。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、模擬多路開關等。 使用系統(tǒng)所采用的 A/D 轉換器的位數(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。 （ 6） 總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應用，總線技術它對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構的發(fā)展起著重要作用。 （ 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)設計的靈活性 。 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動程序和 MATLAB 環(huán)境之間 “ 對話 ” 所需的硬件驅動程序適配器、數(shù)據(jù)采集引擎和 M文件函數(shù) 。 圖 1 一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構 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。模擬信號由傳感器采得經(jīng)過信號調(diào)理模塊送入數(shù)據(jù)采集硬件設備。 （ 3） 交替采集（ Internative Acquisition）：一個通道由多個 A/D 轉換器交替采集，使每個通道采樣速率等于多個 A/D 的轉換速率之和，可以高于單個 A/D 的轉換速率。 （ 4） 變速率變分辨率采樣 。 （ 2） 欠采樣（ Under Sampling）。但是 ,隨著分布式控制在各個領域里越來越普遍地應刷 ,數(shù)據(jù)采集設備開始同控制設備相結合。其次 ,總 線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量正在增大 ,與個人計算機兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加。數(shù)據(jù)采集技術已經(jīng)成為一種專門的技術，在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此獲得了驚人的發(fā)展。而 MATLEB 提供的數(shù)據(jù)采集工具箱匯集了 MATLEB 集成的 M 文件和 MEX 文件動態(tài)連接庫，可以實時顯示通過計算機數(shù)據(jù)采集硬件采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集、轉換成數(shù)字 量，并進行存儲、處理、顯或打印的系統(tǒng)。 Based on sound card。 在文章里具體 介紹了 該課題的 背景 ,當今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 結構和特點 ， 介紹了MATLAB 及其數(shù)據(jù)采集工具箱 , 利用聲卡的 A/D、 D/A 轉換技術 和 MATLAB 的功能 ,提 出了一種 高性價比的 基于聲卡的數(shù)據(jù)采集與分析方案。 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 摘要： MATLAB 具備高性能的數(shù)值計算和可視化的科學工程計算功能，支持解釋性語言輸入，編程實現(xiàn)簡單，具有豐富的數(shù)學函數(shù)功能支持 ，并擁有功能強大的數(shù)據(jù)采集工具箱，支持聲卡 。 并詳細 分析 和闡述了利用MATLAB 語言 編程實現(xiàn)該 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng) 的過程和辦法。 DAQ 目 錄 1 緒論 .............................................................. 1 課題背景 .................................................... 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 .................................... 1 采集和采樣方式 .............................................. 2 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構 .................................................. 3 系統(tǒng)結構 .................................................... 3 系統(tǒng)的特點和性能指標 ........................................ 4 系統(tǒng)分辨率 ............................................ 5 系統(tǒng)精度 .............................................. 5 采集速率 .............................................. 5 動態(tài)范圍 .............................................. 5 系統(tǒng)常見的幾種結構形式 ...................................... 6 多通道共享采樣 /保持器和 A/D 轉換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ........ 6 多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ................................ 6 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ................................ 7 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) .................................... 7 3 MATLAB 及聲卡 ..................................................... 9 MATLAB 簡介 ................................................. 9 數(shù)據(jù)采集工具箱及聲卡簡介 .................................... 9 MATLAB 在數(shù)據(jù)采集中的應用 .................................. 10 4 系統(tǒng)設計方案 ..................................................... 11 系統(tǒng)結構設計 ............................................... 11 系統(tǒng)功能設計 ............................................... 12 系統(tǒng)設計實現(xiàn) ............................................... 12 聲音信號采集的硬件配置 ............................... 12 數(shù)據(jù)采集 ............................................. 13 數(shù)據(jù)分析 ............................................. 14 應用實例 ................................................... 14 5 結語 ............................................................. 17 [參考文獻 ] ........................................................ 18 附錄 .............................................................. 19 致謝 ............................................... 錯誤 !未定義書簽。在當今社會各個領域，包括科研和實驗研究，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有著不可代替的作用，數(shù)據(jù)采集和處理進行得越及時，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟效益就越大。利用該數(shù)據(jù)采集 工具箱可以方便地建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 20 世紀 90年代至今，在國際上技術先進的國家，數(shù)據(jù)采集技術已經(jīng)在軍事 、航空電子設備及宇航技術、工業(yè)等領域被廣泛應用。該階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進的模塊式結構，根據(jù)不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結合系統(tǒng)編程，就可擴展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個新的系統(tǒng)。本文評述了近期市場上的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品 ,并進一步指出了這些產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。 采集和采樣方式 在數(shù)據(jù)采集領域，有許多采樣方式，以下介紹幾種常見的采樣方式。在通信和動態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，發(fā)展了一種欠采樣技術，即采樣頻率 fs 可以低于信號頻率 fch，但信號的頻帶寬度不得大于 ，利用采樣信號產(chǎn)生的高次諧波，將采樣后的信號移至第二或者更高的奈奎斯特區(qū)。 而常見 的采集方式則有以下幾種。 第 3 頁 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構 系統(tǒng)結構 數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩部分組成：采集子系統(tǒng)和計算機子系統(tǒng)，即下位機智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機 HMI（ Human Machine Interface） 系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集設備中完成 A／ D轉換，包括 采樣、量化、編碼，轉化成數(shù)字信號后送入與之相連的 PC 機中。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設的 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。 圖 2 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡圖 硬 件驅動程序適配器在硬件驅動程序和數(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備對象，以及每個設備對象的屬性值；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)采集設備。 （ 3） 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結合的日益緊密，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。 評價一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能有很多指標，但是一般采用以下幾個比較常用的指標進行評價。 系統(tǒng)精度 系統(tǒng)精度是指當系統(tǒng)工作在額定采集速率下，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能達到的轉換精度。只有當這些子系統(tǒng)的精度都明顯優(yōu)于 A/D 轉換器的精度時，系統(tǒng)精度才有可能達到 A/D 轉換器的精度。 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。 多通道共享采樣 /保持器和 A/D 轉換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 這種系統(tǒng)構成如圖 3所示，這種結構形式采用分時轉換工作的方式，多路被測信號共用一個采樣 /保 持器和一個 A/D 轉換器。 圖 3 多通道共享采樣保持器和 AD 轉換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖 這種采集系統(tǒng)結構形式最簡單，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。 多路開關 控制器 采樣 /保持 A/D 轉換 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。這種結構形式中，每個通道都有自己的采樣保持器和 A/D 轉換器，經(jīng)過 A/D轉換的數(shù)據(jù)經(jīng)過接口電路送到計算機中。 多路開關 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 轉換器 I/O I/O I/O I/O A/D 轉換器 A/D 轉換器 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)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。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。 時至今日，經(jīng)過 MathWorks 公司不斷完善， MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多學科，多種工作平臺的功能強大的大型軟件。 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)采集引擎及硬件驅動適配器。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。 第 11 頁 4 系統(tǒng)設計方案 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 發(fā)展 已經(jīng)成熟 ,它具有 AD/DA 轉換功能 ,現(xiàn)已被廣泛應用于聲音信號