【文章內(nèi)容簡介】 根據(jù)不同的要求，在PC機(jī)上利用MATLAB以及二次編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與處理。用戶可以通過人機(jī)交互界面修改、設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)來控制數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，同時(shí)可以得到數(shù)據(jù)的采集與分析結(jié)果， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析的自動(dòng)化。　　　　　　　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(shí)，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。例如，為了對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，則需要用戶以VB或C語言來編寫功率譜分析的子程序，這顯然增加了開發(fā)的難度，并且也極不利于分析功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。而利用聲卡作為A／D轉(zhuǎn)換工具，經(jīng)過衰減和取樣電路得到的模擬信號送至聲卡的線路輸入端LINEIN，并利用MATLAB中提供的數(shù)據(jù)采集工具箱，可滿足控制聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的要求。用戶通過調(diào)用MATLAB命令， 可對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。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。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。全部數(shù)據(jù)的時(shí)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(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23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(diǎn)和性能指標(biāo) 　　現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展到今天，一般來說具有如下主要特點(diǎn)：（1）現(xiàn)代采集系統(tǒng)一般都由計(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。（4）數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性，實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實(shí)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(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)。（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。通?？梢杂萌缦聨追N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(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。（2）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。A/D 轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。實(shí)際上，系統(tǒng)精度往往達(dá)不到A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。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。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。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實(shí)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?jǐn)?shù)。（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(shí)間內(nèi)所能完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個(gè)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(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲的全部過程。（4）動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是指某個(gè)確定的物理量的變化范圍。信號的動(dòng)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 　?。?）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(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。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(shí)，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)，A/D 轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)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(shí)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(jī)進(jìn)行。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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。如果信號很弱而干擾噪聲強(qiáng)，需要在系統(tǒng)電路中增加信號放大電路和濾波環(huán)節(jié)。（1）多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)　　　通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖其結(jié)構(gòu)如上圖所示，也屬于分時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?！　《嗦纺M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。模擬開關(guān)分時(shí)將各路采樣/保持器切換到 A/D 轉(zhuǎn)換器上，進(jìn)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)。由于各路信號必須串行的在共用的 A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換和計(jì)算，若采樣信號回路過多時(shí)，這種采集結(jié)構(gòu)的速度仍然較慢。（1）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。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。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。 通用型模擬量數(shù)據(jù)采集模塊則屬于這一類的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊是屬于單片機(jī)的智能器件，在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，每個(gè)模塊可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)、并行地工作，每個(gè)模塊僅完成幾路信號的檢測和采集，實(shí)時(shí)響應(yīng)性能優(yōu)。（4）分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以上介紹的三種結(jié)構(gòu)形式中，系統(tǒng)各部件之間的空間距離很近，邏輯上耦合程度緊密，可以稱之為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，能滿足中小規(guī)模的集中數(shù)據(jù)采集的要求。在市面上均有成熟產(chǎn)品可供選用。系統(tǒng)的體積和設(shè)備量小，造價(jià)低。由于工作原理、結(jié)構(gòu)形式和性能設(shè)計(jì)等原因，這類系統(tǒng)也存在不少缺點(diǎn)：因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)不靈活，不易擴(kuò)展，所以不適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場合?？垢蓴_能力差，尤其對于被測對象物理位置分散、傳感器輸出的微弱信號需要長距離傳輸時(shí)，所受的干擾不容忽視的?？煽啃圆?。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中某一部件出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作崩潰。由于各部件之間緊密耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性差。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，由若干個(gè)“數(shù)據(jù)采集點(diǎn)”和上位機(jī)以及通信接口組成。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：　　　　　　　　　　　分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖　　處于分散部位的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)相當(dāng)于小型的集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，位于被測對象的附近，可獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理任務(wù)，并將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的形式傳送給上位機(jī)，采用數(shù)