【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 期的標(biāo)準(zhǔn) CPU 內(nèi)核提高了數(shù)倍，而且有著極低的功耗。這種單芯片解決方案降低了系統(tǒng)的成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。 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。但是這類產(chǎn)品目前僅僅處于發(fā)展的初級(jí)階段，在精度、速度或其它性能指標(biāo)上并不能很好的滿足要求。因此，國內(nèi)外以 DSP 作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣控制和分析運(yùn)算的研究與應(yīng)用正在 基于 Matlab 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 46 頁 展開。 近年來隨著芯片技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)取得了許多新的技術(shù)成果，市場(chǎng)上推出了繁多的新產(chǎn)品。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。一端是輸入的信號(hào)調(diào)理，另一端是采集后的數(shù)字化信號(hào)的實(shí)時(shí)處理與事后處理。 20 世紀(jì) 90 年代末，隨著數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù) 已向著并行、高速、大量存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)分析處理、集成化等方向發(fā)展。 (1)采樣方式 ① 過采樣（ Over Sampling） [13]。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(hào)最高頻率 fch 的兩倍，才不致產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。例如信號(hào)最高頻率為 10kHz，采樣頻率必須高于 20kHz。 ② 欠采樣（ Under Sampling） [15]。在通信和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，發(fā)展了一種欠采樣技術(shù)，即采樣頻率 fs 可以低于信號(hào)頻率 fch，但信號(hào)的頻帶寬度不得大于 ，利用采樣信號(hào)產(chǎn)生的高次諧波，將采 樣后的信號(hào)移至第二或者更高的奈奎斯特區(qū)。例如采樣頻率 fs 為 10kHz，可對(duì)頻帶 fch 落于 11～ 14kHz 的信號(hào) (頻帶寬度為 3kHz，低于 =5kHz)進(jìn)行欠采樣。于是在采樣頻率 2 次諧波兩邊產(chǎn)生的采樣后的信號(hào)頻帶為 f2ch = 2fs177。fch = 20 kHz177。(11～ 14 kHz)= 31～ 34 kHz，或9～ 6 kHz ③ 等效時(shí)間采樣（ Equivalent Time Sampling） [19]。主要是對(duì)于重復(fù)的周期波形進(jìn)行等效時(shí)間采樣。例如美國泰克公司的 TDS784D 數(shù)字存儲(chǔ)示波器，其實(shí)際的采 樣頻率為 1 GS/s( 1GHz )，對(duì)于重復(fù)的周期信號(hào)，采取周期微差法，可以達(dá)到 250GS/s(250GHz)的等效時(shí)間采樣。例如對(duì)于 1 GHz 的方波，進(jìn)行周期微差法采樣，每個(gè)周期的采樣只有微小的時(shí)差，將若干個(gè)周期中的樣點(diǎn)集中排列，即可測(cè)出方波上升沿和下降沿的波形。對(duì)于單次瞬態(tài)信號(hào)，這種方法是無效的。 ④ 變速率變分辨率采樣。 (2)采集方式的發(fā)展 ① 掃描式采集（ Scanning Acquisition）：時(shí)分制、多通道巡回采集。 ② 并行式采集（ Parallel Acquisition)：多 個(gè)通道同步并行采集，每個(gè)通道采用一個(gè)獨(dú)立的 A/D 轉(zhuǎn)換器，通道采集速率只取決于 A/D 的轉(zhuǎn)換速率，與通道 基于 Matlab 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 46 頁 數(shù)無關(guān)。 ③ 交替采集（ Internative Acquisition） [21]：一個(gè)通道由多個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器交替采集，使每個(gè)通道采樣速率等于多個(gè) A/D 的轉(zhuǎn)換速率之和，可以高于單個(gè) A/D的轉(zhuǎn)換速率。 (3)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與處理軟件 目前國外的測(cè)試儀器或系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，在生產(chǎn)硬件的同時(shí)，推出其相應(yīng)的支持軟件或軟件開發(fā)平臺(tái)，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。 本文主要內(nèi)容和章節(jié)安排 本文完成了一種基于 Matlab的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在 Matlab環(huán)境下利用聲卡和 Matlab 數(shù)據(jù)采集工具箱進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集與分析。 全文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章 緒論，說明了 基于 Matlab 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)的 研究背景 ，提出課題的研究 意義 ，并了解 國內(nèi)外 研究 現(xiàn)狀以及系統(tǒng)的發(fā)展 趨勢(shì) 。 第二章 主要 對(duì)數(shù)據(jù)采集原理進(jìn)行探討，首先介紹了數(shù)據(jù)采集原理，指出了數(shù)據(jù)采集的理論依據(jù)及混頻差的計(jì)算。再者，著重介紹了數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 、 性能 指標(biāo)及幾種常見結(jié)構(gòu)。 第三章 本章主要探討了如何利用 Matlab 數(shù)據(jù)采集工具箱設(shè)計(jì)基于Matlab 的數(shù)據(jù)采集器。首先，本文對(duì) Matlab 進(jìn)行了一些簡(jiǎn)略的介紹，讓讀者對(duì)Matlab 的特點(diǎn)、應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)有了大致的了解；接下來，著重介紹了 Matlab 數(shù)據(jù)采集工具箱，針對(duì)數(shù)據(jù)采集工具箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其使用方法進(jìn)行闡述；最后，對(duì)怎樣利用 Matlab 數(shù)據(jù)采集工具箱實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行探討，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集命令流程。 第四章 本章主要根據(jù)課題要求設(shè)計(jì)利用多媒體聲卡設(shè)計(jì)基于 Matlab的數(shù)據(jù)采集器。首先，提出了 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并進(jìn)行了系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)；然后，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件進(jìn)行配置，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；接著，針對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了以 Matlab為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集程序，并對(duì)其進(jìn)行視圖化界面設(shè)計(jì)；最后，對(duì)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試仿真，給出結(jié)果圖并得出結(jié)論。 第五章 主要對(duì) 本設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。 基于 Matlab 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 46 頁 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 分析 數(shù)據(jù)采集原理 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時(shí) ，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問題要解決。 假設(shè)現(xiàn)在對(duì)一個(gè)模擬信號(hào) x(t) 每隔 Δ t 時(shí)間采樣一次。時(shí)間間隔 Δ t 被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù) 1/Δ t 被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù) / 每秒。 t=0, Δ t,2 Δ t,3 Δ t ?? 等等， x(t) 的數(shù)值就被稱為采樣值。所有 x(0),xΔ t),x(2Δ t) 都是采樣值。圖 顯示了一個(gè)模擬信號(hào)和它采樣后的采樣值。樣間隔是 Δt，注意，采樣點(diǎn)在時(shí)域上是分散的。 圖 模擬信號(hào)和采樣顯示 如果對(duì)信號(hào) x(t)采集 N 個(gè)采樣點(diǎn) ，那么 x(t)就可以用下面這個(gè)數(shù)列表示： {x(0),x(Δ t),x(2Δ t),x(3Δ t),x(4Δ t),x(5Δ t)…… x(kΔ t)…… } 這個(gè)數(shù)列被稱為信號(hào) x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。注意這個(gè)數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率 (或 Δ t)的信息。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào)x(t)的頻率。 根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。反過來說，如果給定 基于 Matlab 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 46 頁 了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯 特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。 圖 顯示了一個(gè)信號(hào)分別用合適的采樣率和過低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果。 采樣率過低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。這種信號(hào)畸變叫做混疊 (alias)。出現(xiàn)的混頻偏差 (alias frequency)是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對(duì)值。 圖 不同采樣率的采樣結(jié)果 圖 給出了一個(gè)例子。假設(shè)采樣頻率 fs 是 100HZ, 信號(hào)中含有 2 70、160、和 510Hz 的成分。采樣的結(jié)果將會(huì)是低于奈奎斯特頻率 (fs/2=50 Hz)的信號(hào)可以被正確采樣。而頻率高于 50HZ 的信號(hào)成分采樣時(shí)會(huì)發(fā)生畸變。分別產(chǎn)生了30 、 40 和 10 Hz 的畸變頻率 F F3 和 F4 。 基于 Matlab 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 46 頁 圖 說明混疊的例子 計(jì)算混頻偏差的公式是： 混頻偏差＝ ABS(采樣頻率的最近整數(shù)倍－輸入頻率 ) 其中 ABS 表示 “ 絕對(duì)值 ” ，例如： 混頻偏差 F2 = |100– 70| = 30 Hz 混頻偏差 F3 = |(2)100– 160| = 40 Hz 混頻偏差 F4 = |(5)100– 510| = 10 Hz 為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號(hào)被采集 (A/D)之前，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。在圖３的例子中，這個(gè)濾波器的截止頻率自然是 25HZ 。這個(gè)濾波器稱為抗混疊濾波器。 采樣頻率應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)置呢？也許你可能會(huì)首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，較長時(shí)間使用很高的采樣率可能會(huì)導(dǎo)致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)太慢。 理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的 2 倍就夠了，實(shí)際上工程中選用 5～ 10 倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩部分組成：采集子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，即下位機(jī)智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī) HMI（ Human Machine Interface）系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將客觀世界被測(cè)對(duì)象信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)的功能等；計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的控制、存儲(chǔ)和處理等功能，計(jì)算機(jī)起著對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理、統(tǒng)計(jì)分析、提供人機(jī)接口與其他計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信和交換的功能。 基于 Matlab 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 46 頁 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學(xué)科，所研究的對(duì)象是物理或生物等各種非電或電信號(hào)。根據(jù)各種非電或電信號(hào)的特征，利用相應(yīng)的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換為 可真實(shí)反映事物特征的電信號(hào)后，經(jīng) A／ D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的有限長二進(jìn)制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學(xué)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)控制的重要依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀和微觀自然科學(xué)的量化認(rèn)識(shí)，典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖 21 所示。 圖 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 而一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。模擬信號(hào)由傳感器采得經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊送入數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中完成 A／ D 轉(zhuǎn)換，包括采樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后送入與之相連的 PC 機(jī)中。 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 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(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜傳感器 物理量 信號(hào)調(diào)理 數(shù)據(jù)分析 變換器 數(shù)據(jù)采集硬件 CPU SOFTWARE 信 號(hào) 源 傳 感 器 信號(hào)調(diào)理 數(shù)據(jù)采集備 軟件環(huán)境MATLAB 信號(hào)處理與分析 PC 機(jī) 基于 Matlab 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 46 頁 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(hào)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(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(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。 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(duì)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