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正文內(nèi)容

基于matlab的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-07-23 17:58 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(hù)可以通過(guò)人機(jī)交互界面修改、設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)來(lái)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?!      D22 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(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí),由于受編程語(yǔ)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(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析,則需要用戶(hù)以VB或C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)功率譜分析的子程序,這顯然增加了開(kāi)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(guò)衰減和取樣電路得到的模擬信號(hào)送至聲卡的線(xiàn)路輸入端LINEIN,并利用MATLAB中提供的數(shù)據(jù)采集工具箱,可滿(mǎn)足控制聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的要求。用戶(hù)通過(guò)調(diào)用MATLAB命令, 可對(duì)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(hù)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(hù)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(hù)需要的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)分析部分對(duì)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(guān)地呈現(xiàn)于用戶(hù)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(jiǎn)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(duì)話(huà)”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(jiǎn)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(lái)存儲(chǔ)各個(gè)設(shè)備對(duì)象,以及每個(gè)設(shè)備對(duì)象的屬性值;對(duì)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(lái)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象、采集或輸出數(shù)據(jù)、配置屬性值和檢測(cè)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(lái)說(shuō)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(lái)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(guò)程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性,實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是能滿(mǎn)足實(shí)際需要;對(duì)于通用采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度,以滿(mǎn)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(lái)越小,可靠性越來(lái)越高,甚至出現(xiàn)了單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。(6)總線(xiàn)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,總線(xiàn)技術(shù)它對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。評(píng)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(píng)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(hào)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(mǎn)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(mǎn)度值可以分的級(jí)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(kāi)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(mǎn)度值的百分?jǐn)?shù)。(3)采集速率采集速率又稱(chēng)為系統(tǒng)通過(guò)速率或吞吐率,是指在滿(mǎn)足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下,系統(tǒng)對(duì)輸入的模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所能完成的采集次數(shù),或者說(shuō)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(shuō)的“采集”包括對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲(chǔ)的全部過(guò)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(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最大幅度和最小幅度之比的分貝數(shù)。 系統(tǒng)常見(jiàn)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(cè)信號(hào)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(hào)(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(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號(hào)。在轉(zhuǎn)換期間,多路開(kāi)關(guān)將下一路信號(hào)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(duì)多通道模擬信號(hào)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(jiǎn)單,所用芯片數(shù)量少,適用于信號(hào)變化率不高、對(duì)采樣信號(hào)不要求同步的場(chǎng)合。如果被測(cè)信號(hào)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(hào)很弱而干擾噪聲強(qiáng),需要在系統(tǒng)電路中增加信號(hào)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(hào)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(duì)各路信號(hào)同步進(jìn)行信號(hào)采樣,得到各路信號(hào)在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。模擬開(kāi)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(hào)的相位關(guān)系,所以這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于各路信號(hào)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(hào)回路過(guò)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)接口電路送到計(jì)算機(jī)中。相對(duì)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(lèi)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(hào)的檢測(cè)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(chēng)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(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),能滿(mǎn)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(lèi)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(chǎng)合??垢蓴_能力差,尤其對(duì)于被測(cè)對(duì)象物理位置分散、傳感器輸出的微弱信號(hào)需要長(zhǎng)距離傳輸時(shí),所受的干擾不容忽視的。可靠性差。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(cè)對(duì)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(hào)的形式傳送給上位機(jī),采用數(shù)
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