【文章內(nèi)容簡介】 通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)形式中，每個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)過接口電路送到計算機中。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。采樣保持采樣保持CPU采樣保持控制器A/D轉(zhuǎn)換器I/OI/OI/OI/OA/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器圖5多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計算機技術(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)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，由若干個“數(shù)據(jù)采集點”和上位機以及通信接口組成。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。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)采集點圖6分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。MATLAB也是一種解釋語言，所有的程序和指令都必須在MATLAB解釋器中讀入后才能運行，因而極大地限制了代碼執(zhí)行速度。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(yīng)用帶來了很大不便。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。幸運的是，開發(fā)MATLAB的MathWorks公司為廣大的應(yīng)用者提供了應(yīng)用程序接口(API，Application Program Interface)和編譯器(Compiler)。利用MATLAB和C語言交互，也可以開發(fā)基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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。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(xué)科，多種工作平臺的功能強大的大型軟件。在國外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗，在歐美高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動控制理論，數(shù)據(jù)統(tǒng)計，數(shù)字信號處理等高級課程的基本教學(xué)工具；成為大學(xué)生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決具體問題。可以預(yù)見不久的將來，在國內(nèi)工程界MATLAB一定會盛行起來。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(qū)動適配器。它具有如下特點：是一種通過使用與PC機兼容的、即插即用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備在MATLAB環(huán)境中的架構(gòu)；支持模擬信號的輸入輸出以及數(shù)字信號的輸入、輸出，子系統(tǒng)還包括同步模擬輸入輸出的轉(zhuǎn)換；支持聲卡；事件驅(qū)動采集。聲卡 (Sound Card)也叫音頻卡，是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波／數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設(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,。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。 MATLAB在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工具箱集成于MATLAB中，所以在進行數(shù)據(jù)采集的同時，可以對采集的數(shù)據(jù)進行實時分析，或者存儲后再進行處理，或者針對數(shù)據(jù)分析的需要對測試條件的設(shè)立進行不斷的更新。應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工具箱提供的命令和函數(shù)可以控制任何類型的數(shù)據(jù)采集。例如，在硬件設(shè)備運行時，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。4系統(tǒng)設(shè)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(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)用于聲音信號采集和虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計。MATLAB則是一種功能強大、計算效率高、交互性好的數(shù)學(xué)計算和可視化計算機高級語言,它將數(shù)值分析、信號采集與處理和圖形顯示有機地融為一體,形成了一個極其方便、用戶界面友好的操作環(huán)境。本文所設(shè)計的聲音信號采集與分析系統(tǒng)就是充分利用了聲卡的AD/DA轉(zhuǎn)換功能和MATLAB強大的數(shù)據(jù)處理功能,同時,該系統(tǒng)還是建立在MATLAB軟件的圖形界面實現(xiàn)的,因而使系統(tǒng)具有良好的交互性。基于計算機聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點。價格低廉。在數(shù)據(jù)采集時，所要采用的是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對于某些應(yīng)用場合，可以利用計算機上所附帶的聲卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。靈活性強。用戶不僅可以進行實時監(jiān)視和控制操作，還可以把數(shù)據(jù)保存到硬盤，供以后分析使用。在CPU足夠快的條件下，還可以實時處理數(shù)據(jù)，動態(tài)顯示波形的頻譜、功率譜。另外在一臺計算機上，可以插若干塊聲卡，組成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。頻率范圍較窄，不能測直流。由于受聲卡的硬件限制，要得到較好的波形，輸入信號的頻率最好在100Hz～15kHz范圍內(nèi)。 總之，運用廉價的聲卡，構(gòu)成一個較高的采樣精度，中等采樣頻率，且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對于一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。MATLAB提供了一個數(shù)據(jù)采集工具箱(Data Acquisition Toolbox),在該數(shù)據(jù)采集工具箱中,有一整套的命令和函數(shù),可用來直接控制與PC機兼容的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集,因此,利用MATLAB的這一工具箱便可進行聲音信號的采集。然后在MATLAB中直接調(diào)用頻譜分析函數(shù)、功率譜分析函數(shù)或數(shù)值分析函數(shù)等,就可以將采集到的聲音信號分別進行頻譜、功率譜分析等多種譜分析。因此,在MATLAB中可以很容易地實現(xiàn)信號采集與分析處理工作，如圖7所示。被測對象采樣保持信號調(diào)理聲卡計算機圖7系統(tǒng)實現(xiàn)的總體框圖本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大部分組成,數(shù)據(jù)采集部分是實現(xiàn)信號采集功能,根據(jù)用戶選擇的采樣頻率和預(yù)設(shè)的采樣樣本數(shù)從聲卡獲得用戶需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析部分主要實現(xiàn)以下功能。(1)從信號采集部分獲取數(shù)據(jù),或者從數(shù)據(jù)文件讀取數(shù)據(jù)。(2)實現(xiàn)將采集到的聲音信號數(shù)據(jù)進行頻譜分析,畫出頻譜圖以圖形方式很直觀地反映出信號特征。(3)保存數(shù)據(jù),包括保存所有數(shù)據(jù)和部分數(shù)據(jù)的功能,同時保存對應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)。(4)顯示聲音信號數(shù)據(jù)的時域圖和頻譜圖。(5)其他功能。根據(jù)不同的需要,還可以進行修改,以選擇合適的實驗方案。聲音信號采集功能的實現(xiàn)是由MATLAB控制計算機聲卡將傳感器得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在計算機中。而信號分析功能是將采集得到的數(shù)據(jù)進行時、頻域分析和各項數(shù)值分析等。整個系統(tǒng)設(shè)計主要包括系統(tǒng)的硬件配置、編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)的界面設(shè)計四部分。將聲卡插入計算機的PCI插槽,安裝好相應(yīng)的驅(qū)動程序后,將聲音傳感器設(shè)備與聲卡的模擬輸入端連接起來,這就構(gòu)建了聲音采集的硬件