【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(zhuǎn)換，輸出到耳機(jī)、揚(yáng)聲器、擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)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(dá)到 ?？梢灶A(yù)見不久的將來，在國內(nèi)工程界 MATLAB 一定會(huì)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(gè)虛擬儀器來使用。 MATLAB 強(qiáng)大的計(jì)算功能只能在其平臺(tái)上才能使用，也就是說，必需在安裝了其解釋器的機(jī)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。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖 4 所示，也屬于分時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。采樣方式可以按順序或隨機(jī)進(jìn)行。 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 。這里說的 “采集 ”包括對被測物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲(chǔ)的全部過程。因?yàn)橄到y(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個(gè)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。 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(shí)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(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。 （ 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(jì)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(qū)動(dòng)程序和 MATLAB 環(huán)境之間 “ 對話 ” 所需的硬件驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu) 整個(gè)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(jìn)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(shè)備。 （ 3） 交替采集（ Internative Acquisition）：一個(gè)通道由多個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器交替采集，使每個(gè)通道采樣速率等于多個(gè) A/D 的轉(zhuǎn)換速率之和，可以高于單個(gè) A/D 的轉(zhuǎn)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(gè)領(lǐng)域里越來越普遍地應(yīng)刷 ,數(shù)據(jù)采集設(shè)備開始同控制設(shè)備相結(jié)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(gè)人計(jì)算機(jī)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(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(dòng)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(dòng)態(tài)連接庫，可以實(shí)時(shí)顯示通過計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換成數(shù)字 量，并進(jìn)行存儲(chǔ)、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(dāng)今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) ， 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(zhuǎn)換技術(shù) 和 MATLAB 的功能 ,提 出了一種 高性價(jià)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(shè)計(jì) 摘要： MATLAB 具備高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化的科學(xué)工程計(jì)算功能，支持解釋性語言輸入，編程實(shí)現(xiàn)簡單，具有豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)功能支持 ，并擁有功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集工具箱，支持聲卡 。 并詳細(xì) 分析 和闡述了利用MATLAB 語言 編程實(shí)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(jié)構(gòu) .................................................. 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .................................................... 3 系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能指標(biāo) ........................................ 4 系統(tǒng)分辨率 ............................................ 5 系統(tǒng)精度 .............................................. 5 采集速率 .............................................. 5 動(dòng)態(tài)范圍 .............................................. 5 系統(tǒng)常見的幾種結(jié)構(gòu)形式 ...................................... 6 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) ........ 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(yīng)用 .................................. 10 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 ..................................................... 11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................... 11 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) ............................................... 12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)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(yīng)用實(shí)例 ................................................... 14 5 結(jié)語 ............................................................. 17 [參考文獻(xiàn) ] ........................................................ 18 附錄 .............................................................. 19 致謝 ............................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。在當(dāng)今社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，包括科研和實(shí)驗(yàn)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(jìn)行得越及時(shí)，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)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(jì) 90年代至今，在國際上技術(shù)先進(jìn)的國家，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在軍事 、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。該階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個(gè)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(jìn)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(lǐng)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，發(fā)展了一種欠采樣技術(shù)，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(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 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(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，即下位機(jī)智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī) HMI（ Human Machine Interface） 系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中完成 A／ D轉(zhuǎn)換，包括 采樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后送入與之相連的 PC 機(jī)中。數(shù)據(jù)采集部分實(shí)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(shí)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(jìn)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(qū)動(dòng)程序適配器在硬件驅(qū)動(dòng)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(chǔ)各個(gè)設(shè)備對象，以及每個(gè)設(shè)備對象的屬性值；對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)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。 （ 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(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處 理到控制的全部工作。 評價(jià)一個(gè)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(gè)比較常用的指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。 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(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。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(shí)，系統(tǒng)精度才有可能達(dá)到 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍最 早是 信號 系統(tǒng)的概念，一個(gè)信號系統(tǒng)的動(dòng)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(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(shí)轉(zhuǎn)換工作的方式，多路被測信號共用一個(gè)采樣 /保 持器和一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。 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。 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(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，但是每個(gè)通道各有一個(gè)采樣 /保持器，在同一采樣指令控制下對各路信號同步進(jìn)行信號采樣，得到各路信號在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。這種結(jié)構(gòu)形式中，每個(gè)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(jì)算機(jī)中。 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(jī) I/O 接口 數(shù)據(jù)采集點(diǎn) 數(shù)據(jù)采集點(diǎn) 數(shù)據(jù)采集點(diǎn) 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(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。對于一般用戶來講， MATLAB 只能作為離線的計(jì)算和分析工具，而不能作為實(shí)時(shí)的工程工具。 時(shí)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(tái)的功能強(qiáng)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(dòng)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(dòng)適配器。聲卡已成為多媒體計(jì)算機(jī)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置 ,利用聲卡進(jìn)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(shí)驗(yàn)要求。 第 11 頁 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 聲卡是多媒體計(jì)算機(jī)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