【正文】 整個科研工作的影響也 是很大的。這一過程是質(zhì)量 管理 體系的支持過程。只需利用計算機(jī)本身的軟硬件資源，而不需添加其他任何設(shè)備即可構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，使用 MATIAB語言編制簡潔的圖形用戶界面，該界面操作方便，并且可以根據(jù) 用戶的需求進(jìn)行功能擴(kuò)充。 數(shù)據(jù)采集卡是中低端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的必選產(chǎn)品。在高度發(fā)展的當(dāng)今 社會 中，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)過程的高度自動化已成為人所共知的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在有著不斷發(fā)展與提高的信息工業(yè)基礎(chǔ)上。另外這些類型的采集卡在計算機(jī)上安裝比較麻煩，而且由于受計算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制不可能掛接很多設(shè)備。特別是在某些應(yīng)用中，需要同時高速采集多個通道的數(shù)據(jù)，而且為了分析比較各通道信號間的相互關(guān)系，常常要求所有通道的采集必須同步。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應(yīng)用極為廣泛的模擬量測量設(shè)備，其基本任務(wù)是把信號送入計算機(jī)或相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理。 在智能儀器、信號處理以及 工業(yè) 自動控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題，常常需要對外部的溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)測量方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。 被采 集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。數(shù)據(jù)采集是 計算機(jī) 管理系統(tǒng)使用前的一個數(shù)據(jù)初始化過程。該軟件有著簡潔的人機(jī)交互工作界面 ,操作方便 ,并且可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行功能擴(kuò)充。聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡具有價格低廉、開發(fā)容易和系統(tǒng)靈活等優(yōu)點。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的開發(fā)背景 ,軟件結(jié)構(gòu)和特點 ,系統(tǒng)地分析了數(shù)據(jù)采集硬件和軟件設(shè)計技術(shù) ,在此基礎(chǔ)上以聲卡為數(shù)據(jù)采集卡 ,以 MATLAB為開發(fā)平臺設(shè)計了數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。最后給出了應(yīng)用該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用實例。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復(fù)采集。不論哪種方法和元件，都以不影響被測對象狀態(tài)和測量 環(huán)境 為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確 性。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一種流行且實用的 電子 技術(shù)。它將模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再經(jīng)過計算機(jī)處理得出所需的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿足上述要求的比較少，且價格十分昂貴，體積較大，分量較重，使用十分不方便。因此，工程師們往往需要花費(fèi)大量的時間和資源用于系統(tǒng)搭建。人們只有從外界獲取大量準(zhǔn)確、可靠的信息經(jīng)過一系列的科學(xué)分析、處理、加工與判斷，進(jìn)而認(rèn)識和掌握自然界與科學(xué)技術(shù)中的各種現(xiàn)象與其 相關(guān)的變化規(guī)律，并通過相應(yīng)的系統(tǒng)和方法實現(xiàn)科學(xué)實驗研究與生產(chǎn)過程的高度自動化?；? ISA、 PCI 的插卡式數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在以下缺陷：安裝麻煩；價格昂貴；受計算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差；在一些電磁干擾性強(qiáng)的測試現(xiàn)場，無法 專門對其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。 數(shù)據(jù)分析在整個科研工作中是個重要的必不可少的環(huán)節(jié)，它的目的是把隱沒在一大批看來雜亂無章的數(shù)據(jù)中的信息集中、萃取和提煉出來，以找出所研究對象的內(nèi)在規(guī)律。在產(chǎn)品的整個壽命周期，包括從 市場 調(diào)研到售后服務(wù)和最終處置的各個過程都需要適當(dāng)運(yùn)用數(shù)據(jù)分析過程，以提升有效性。因此研究一種質(zhì)量性能高的通用數(shù)據(jù)采集平臺具有很大的意義。 國內(nèi)外研究動態(tài) 數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段，數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息科學(xué)的一個重要分支，與傳感器、信號測量與處理、微型計算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的實用性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在雷達(dá)、通信、譜分析、瞬態(tài)分析、 電視 等應(yīng)用領(lǐng)域，為滿足實時檢測和高速采集的日益更新的需要，實現(xiàn)數(shù)據(jù) 采集的高速、高分辨率已成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。隨著微 電子 制造工藝水平的飛速提高及數(shù)據(jù)分析理論的進(jìn)一步完善與成熟，目前國內(nèi)外對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高性能方面的研究上取得了很大的成就。總之，伴隨著高性能微處理器的采用和用戶技術(shù)要求的不斷提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能也越來越完善。計算機(jī)的性能提升和由此引起的基于計算機(jī)的測量技術(shù)的創(chuàng)新，正在持續(xù)不斷地模糊著傳統(tǒng)儀器和基于計算機(jī)的測量儀器之間的界線。 此外，為了解決 SOC 方案中數(shù)據(jù)處理性能的不足，采用 DSP 作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 CPU 的研究與應(yīng)用目前也逐漸引起業(yè)內(nèi)重視。高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展一方面是提高采集速率，另一方面不斷向兩端延伸。采樣方式中最早是過采樣，根據(jù)采樣定理，采樣頻率 fs必須高于被采信號最高頻 率 fch的兩倍，才不致產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。例如采樣頻率 fs為 10kHz，可對頻帶 fch落于 11～ 14kHz的信號 (頻帶寬度為 3kHz，低于 =5kHz)進(jìn)行欠采樣。主要是對于重復(fù)的周期波形進(jìn)行等效時間采樣。 ④ 變速率變分辨率采樣。 (3)采集數(shù)據(jù)的實時分析與處理軟件 目前國外的測試儀器或系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，在生產(chǎn)硬件的同時，推出其相應(yīng)的支持軟件或軟件開發(fā)平臺，如為產(chǎn)品開發(fā)者提供的軟件工具；為系統(tǒng)集成者提供系統(tǒng)應(yīng)用軟件的集成的環(huán)境；為終端用戶提供編寫自己的用戶應(yīng)用程序的手段。采集子系統(tǒng)實現(xiàn)將客觀世界被測對象信號采集和轉(zhuǎn)換為能被計算機(jī)處理的數(shù)字信號的功能等；計算機(jī)子系統(tǒng)實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的控制、存儲和處理等功能，計算機(jī)起著對采集數(shù)據(jù)的存儲和處理、 統(tǒng)計 分析、提供人機(jī)接口與其他計算機(jī)的數(shù)據(jù) 通信 和交換的功能。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。 圖 22 一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 利用聲卡在 WINDOWS環(huán)境下開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，由于受編程 語言 的限制，其數(shù)據(jù)分析與處理的功能非常有限。 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(jìn)行交互溝通。 圖 23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 23 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(jìn)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。 （ 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 。 （ 1）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。實際上，系統(tǒng)精度往往達(dá)不到 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。 （ 3）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。 系統(tǒng)常見的幾種結(jié) 構(gòu)形式 （ 1）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)成如下圖所示，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。 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(jìn)行信號采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。 （ 3）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)框圖如上圖所示。數(shù)據(jù)采集模塊是屬于單片機(jī)的智能器件，在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，每個模塊可以認(rèn)為是實時、并行地工作，每個模 塊僅完成幾路信號的檢測和采集，實時響應(yīng)性能優(yōu)。系統(tǒng)的體積和設(shè)備量小，造價低。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中某一部件出現(xiàn)故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作崩潰。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要特點是： （ 1）系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)。 （ 3）系統(tǒng)實時相應(yīng)性好。目前對于大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集場合一般都采用分布式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集工作原理、結(jié)構(gòu)形式和性能特點，在本系統(tǒng)中采用集中式的數(shù)據(jù)采集器件作為數(shù)據(jù)采集終端，采用上下位的連接方式，最終組成整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。 MATLAB強(qiáng)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(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。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。通過調(diào)用 MATLAB 命令和函數(shù)可對與計算機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備進(jìn)行訪問并對其屬性進(jìn)行可視化監(jiān)控。其主要特征如下： (1)提供了將實時測量數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集硬件采集到 MATLAB中的框架。數(shù)據(jù)采集工具箱由 3 部分組成： M 文件格式的函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎和硬件驅(qū)動，如圖 31 所 示。而如今聲卡技術(shù)已經(jīng)成熟 ,成本 越來越低。 聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng) ,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。例如，在硬件設(shè)備運(yùn)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(jìn)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)。本文所設(shè)計的聲音信號采集與分析系統(tǒng)