【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(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。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(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)如圖6所示。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)圖6分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 MATLAB及聲卡 MATLAB 簡(jiǎn)介MATLAB是由美國(guó)Mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)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。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)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(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB也是一種解釋語(yǔ)言，所有的程序和指令都必須在MATLAB解釋器中讀入后才能運(yùn)行，因而極大地限制了代碼執(zhí)行速度。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(shuō)，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(lái)了很大不便。對(duì)于一般用戶來(lái)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。幸運(yùn)的是，開(kāi)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(yǔ)言交互，也可以開(kāi)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(gè)虛擬儀器來(lái)使用。時(shí)至今日，經(jīng)過(guò)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。在國(guó)外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)，在歐美高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動(dòng)控制理論，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理等高級(jí)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(jì)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(wèn)題。可以預(yù)見(jiàn)不久的將來(lái)，在國(guó)內(nèi)工程界MATLAB一定會(huì)盛行起來(lái)。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(kù)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。它具有如下特點(diǎn)：是一種通過(guò)使用與PC機(jī)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(hào)的輸入輸出以及數(shù)字信號(hào)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(dòng)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(shí)現(xiàn)聲波／數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。聲卡的基本功能是把來(lái)自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號(hào)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(hào)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(hào),DAC用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音,。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(gòu)買專門的采集卡可以降低虛擬儀器的開(kāi)發(fā)成本,且在音頻范圍內(nèi)可以完全滿足實(shí)驗(yàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，或者存儲(chǔ)后再進(jìn)行處理，或者針對(duì)數(shù)據(jù)分析的需要對(duì)測(cè)試條件的設(shè)立進(jìn)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(yùn)行時(shí)，可以獲取事件信息，評(píng)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(shí)時(shí)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)。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(hào)采集和虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。MATLAB則是一種功能強(qiáng)大、計(jì)算效率高、交互性好的數(shù)學(xué)計(jì)算和可視化計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言,它將數(shù)值分析、信號(hào)采集與處理和圖形顯示有機(jī)地融為一體,形成了一個(gè)極其方便、用戶界面友好的操作環(huán)境。本文所設(shè)計(jì)的聲音信號(hào)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,同時(shí),該系統(tǒng)還是建立在MATLAB軟件的圖形界面實(shí)現(xiàn)的,因而使系統(tǒng)具有良好的交互性。基于計(jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。價(jià)格低廉。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，所要采用的是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合，可以利用計(jì)算機(jī)上所附帶的聲卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。靈活性強(qiáng)。用戶不僅可以進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示波形的頻譜、功率譜。另外在一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(cè)直流。由于受聲卡的硬件限制，要得到較好的波形，輸入信號(hào)的頻率最好在100Hz～15kHz范圍內(nèi)。 總之，運(yùn)用廉價(jià)的聲卡，構(gòu)成一個(gè)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(duì)于一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。MATLAB提供了一個(gè)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(lái)直接控制與PC機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,因此,利用MATLAB的這一工具箱便可進(jìn)行聲音信號(hào)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(hào)分別進(jìn)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(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與分析處理工作，如圖7所示。被測(cè)對(duì)象采樣保持信號(hào)調(diào)理聲卡計(jì)算機(jī)圖7系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)現(xiàn)以下功能。(1)從信號(hào)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(shí)現(xiàn)將采集到的聲音信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,畫出頻譜圖以圖形方式很直觀地反映出信號(hào)特征。(3)保存數(shù)據(jù),包括保存所有數(shù)據(jù)和部分?jǐn)?shù)據(jù)的功能,同時(shí)保存對(duì)應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)。(4)顯示聲音信號(hào)數(shù)據(jù)的時(shí)域圖和頻譜圖。(5)其他功能。根據(jù)不同的需要,還可以進(jìn)行修改,以選擇合適的實(shí)驗(yàn)方案。聲音信號(hào)采集功能的實(shí)現(xiàn)是由MATLAB控制計(jì)算機(jī)聲卡將傳感器得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。而信號(hào)分析功能是將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)、頻域分析和各項(xiàng)數(shù)值分析等。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)四部分。將聲卡插入計(jì)算機(jī)的PCI插槽,安裝好相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(lái),這就構(gòu)建了聲音采集的硬件