【文章內容簡介】 構成 由于微電子技術與數(shù)字信號處理技術的飛速發(fā)展，這使得進行數(shù)字信號處理非常容易、方便，因此，我們采用數(shù)字信號 處理技術來處理各類信號。在進行信號處理之前就必須完成數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)采集技術是信息科學的一個重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等方面的問題，在智能儀器、信號處理以及工業(yè)自動控制等領域，都存在著數(shù)據(jù)的測量、傳輸與控制問題，將外部世界存在的溫度、壓力、流量、位移以及角度等模擬量轉化為數(shù)字信號，再收集到計算機中并進一步予以顯示、處理、傳輸與記錄的過程，被稱為數(shù)據(jù)采集。相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖 所示： 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常有敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件的輸出轉換為適于傳輸或測量的電信號部分，轉換元件是傳感器中能直接感受或響應被測量的部分。傳感器在某些領域又被稱為變換器、檢測器或探測器。隨著傳感器集成技術的發(fā)展，傳感器的組成如圖 所示。 傳感器的作用是把非電的物理量轉變成模擬電量（電壓、電流或頻率，例如使用熱電偶、熱電阻可以使得隨溫度 變化的電壓；轉速傳感器常把轉速轉換為電脈沖等。通常把傳感器輸出到 A/D 轉換器輸出的這一段信號通道稱為模擬通道。 模擬 信號 傳感器 信號 調整 ADC ADC 計算機 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 6 頁 共 31 頁 圖 傳感器的組成 信號調整一般是對從傳感器輸出的信號進行放大濾波，用放大器來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小，因此需要放大，以滿足大多數(shù) A/D轉換器的滿量程輸入 5~10V 的要求。此外，某些傳感器內阻比較大，輸出功率較小。這樣放大器還起到了阻抗變換器的作用來緩沖輸入信號。 A/D 轉換器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣 /量化 /編碼，并在邏輯電路的控 制之下把轉換后的數(shù)字信息存儲在緩存之中，等待微控制器的讀取。對模擬信號的轉換是由 A/D轉換器完成，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為滿足各種不同的檢測和控制任務的需要，大量結構不同、性能各異的 A/D 轉換電路應運而生。有傳統(tǒng)的并行型、逐次逼近型、積分型，也有近年來新發(fā)展起來的∑一△型和流水線型等，在選取A/D 轉換器的時候要根據(jù)不同的應用場合和性能指標的要求選取不同類型 A/D轉換器。低功率、高速度、高分辨率是新型的 ADC 的發(fā)展方向，同時 ADC 的這一發(fā)展方向將適應現(xiàn)代數(shù)字電子技術的發(fā)展。 數(shù)據(jù)采樣原理： 假設現(xiàn)在對一個 模擬信號 x(t)每隔 Δt時間采樣一次。時間間隔 Δt被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù) 1/Δt被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù) /每秒。 t=0, Δt,2Δt,3Δt …… 等等 ， x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(0),xΔt),x(2Δt)都是采樣值。下圖顯示了一個模擬信號和它采樣后的采樣值。 采樣間隔是 Δt， 注意，采樣點在時域上是分散的。 根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(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。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊 (alias)。出現(xiàn)的混頻偏差 (alias frequency)是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的 2被測 信號 敏感 元件 傳感元件 輔助電源 信號調理電路 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 7 頁 共 31 頁 倍就夠了 ，實際上工程中選用 5～ 10 倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。 量化分為非線性量化和線性量化， 采用均勻間隔量化級進行量化的方法稱為均勻量化或線性量化。這種量化方式會造成大信號時信噪比有余而小信號時信噪比不足的缺點。如果較小信號時量化級間度小些，而大信號時景化級間寬度大些，就可以使小信號時和大信號時的信噪比趨于 — 致。這種非均勻量化級的安排稱為非均勻量化或非線性量化。非線性量化的目的是為了更好的反應小尺度內細微變化 ， 避免因線性量化造成的信息丟失。數(shù)字電視信號大多數(shù)采用非均勻量化方式，這是由于模擬視頻信號要 經過伽瑪校正，而伽瑪校正類似非線性量化特性，可減輕小信號時誤差的影響。當前的音 /視頻設備做 A/D 轉換時多采用非線性量化。 編碼的基本原理：將從模擬信號抽樣、量化的信號變化從二進制或四進制等基本過程，叫做編碼。 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理 MATLAB 使用方便 ,輸入簡潔 ,運算效率高 ,內容豐富 ,可由用戶自行擴展 ,能夠同時進行數(shù)學運算 ,數(shù)據(jù)采集 ,信號分析 ,模型建立和可視化解釋等的強大綜合功能的科學軟件。它 有許多強有力的命令 ， 例如 ： MATLAB 能夠用一個單一的命令求解線性系統(tǒng)，能完成大量的高級矩陣處 理。 MATLAB 有強有力的二維、三維圖形工具。 MATLAB 能與其他程序一起使用 ， 例如 ： MATLAB 的圖形功能，可以在一個 FORTRAN 程序中完成可視化計算。 MATLAB 的 25 個不同工具箱可應用于特殊的應用領域。 MATLAB 在以下的領域里解決各種問題是一個十分有效的工具：工業(yè)研究與開發(fā) ， 數(shù)學教學，特別是線性代數(shù) ， 所有基本概念都能涉及 ， 在數(shù)值分析和科學計算方面的教學與研究 ， 能夠詳細地研究和比較各種算法。在諸如電子學、控制理論和物理學等工程和科學學科方面的教學與研究。在諸如經濟學、化學和生物學等有計算問題的 所 有其 他領域中的教學與研究。 以上列出了 MATLAB 的諸多優(yōu)點， MATLAB 以其編程簡單，操作容易，處理數(shù)據(jù)迅速等優(yōu)點，并向著自動化、專業(yè)化的方向發(fā)展，深受廣大科研人員的好評。 在 MATLAB中創(chuàng)建的組是矩陣 ， MATLAB 的名字取自矩陣實驗室 ( MATrix ABoratory)。在國際學術界， MATLAB 已經被確認為準確、可靠的科學計算標準軟件。在許多國際一流學術刊物上，（尤其是信息科學刊物），都可以看到 MATLAB 的應用。在 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 8 頁 共 31 頁 設計研究單位和工業(yè)部門， MATLAB 被認作進行高效研究、開發(fā)的首選軟件工具。如美國 National Instruments 公司信號測量、分析軟件 LabVIEW， Cadence公司信號和通信分析設計軟件 SPW 等，或者直接建筑在 MATLAB 之上，或者以 MATLAB 為主要支撐。又如 HP 公司的 VXI 硬件， TM 公司的 DSP， Gage 公司的各種硬卡、儀器等都接受 MATLAB 的支持。 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡圖如圖 所示，主要部件是數(shù)據(jù)采集工具箱，它提供了硬件驅動程序和 MATLAB 環(huán)境之間“對話”所需的硬件驅動程序適配器、數(shù)據(jù)采集引擎和 M文件函數(shù)。 圖 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡圖 硬件驅動適配器在硬件驅動程序和數(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設備對象，以及每個設備對象的屬性值；對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲并且使不同事件同步； M文件用來創(chuàng)建設備對象、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)采集設備。要訪問硬件設備 ,就要使用工具箱提供的設備對象 .設備對象提供了訪問硬件設備功能的途徑 ,使用設備對象可以控制數(shù)據(jù)采集應用程序 .每一個設備對象對應著一個特定的硬件數(shù)據(jù)采集工具箱 M 件函數(shù) 數(shù)據(jù)采集引擎 硬件驅動程序適配器 交 互命令和數(shù)據(jù) MATLAB 磁盤文件 屬性數(shù)值、數(shù)據(jù)和事件 硬件驅動程序 屬性數(shù)值、數(shù)據(jù)和事件 硬件 傳感器 執(zhí)行器 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 9 頁 共 31 頁 子系統(tǒng) ,見圖 。 MATLAB 數(shù)據(jù) 采集工具箱提供的設備對象有模擬輸入設備對象 (AI)、模擬輸出設備對象 (AO)和數(shù)字輸入 /輸出設備對象 (DIO).在進行采樣之前 ,要創(chuàng)建合適的設備對象。 圖 設備對象和硬件子系統(tǒng) 本章小結 本章介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成，對 數(shù)據(jù)采樣原理、 A/D 轉換器、傳感器等進行了分析， 然后，詳細介紹了基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集原理。 AI 子系統(tǒng) AO 子系統(tǒng) DIO 子系統(tǒng) AI 對象 DIO 對象 AO 對象 設備對象 硬件子系統(tǒng) 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 10 頁 共 31 頁 3 基于 MATLAB 和聲卡的數(shù)據(jù)采集器設計 方案選取 當今在推進信息化建設的實踐中，數(shù)據(jù)采 集技術是不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對設施的影響尤為深遠。 目前，比較常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案主要有以下幾種： （ 1）使用 RS232 串行通信將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC 機 RS232 是 PC 機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口 ， RS232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。 RS232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊 ，同時又有 通信距離短、速率低的缺點 。 （ 2） 用 AT89C51 單片機 (MCS51 系列 )與美 國 TI(Texas Instruments)公司的 A/ D芯 片 TLC2543 制作數(shù)據(jù)采集卡 該采集系統(tǒng)具有較好的可移動性并降低成本 , 但 AT89C51 的 精確度不高 。 （ 3）應用 USB 總線的數(shù)據(jù)采集器。 該方案有速度快、易擴展、能夠采用總線供電、設備安裝和配置容易和使用靈活等優(yōu)點，但是設計和調試比較麻煩，成本相對較高。 （ 4）基于 ARM和 GPRS的嵌入式多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 該系統(tǒng)運行于 32位微處理器和嵌入式 Linux操作系統(tǒng)的架構上，與傳統(tǒng)的解決方案相比，在可靠性、速度、數(shù)據(jù)處理能力、功能擴展等方面有了顯著改進，并且有向其它場合下的行業(yè)應用擴展的前景。 信號采集工程是工程中信號分析和處理的前提，基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器是為了實現(xiàn) MATLAB 與外部環(huán)境的交互，達到直接對硬件端口進行讀寫操作 ，實現(xiàn)這個目的，要利用 MATLAB的 數(shù)據(jù)采集工具箱。數(shù)據(jù)采集工具箱是 MATLAB計算環(huán)境中 M 文件函數(shù)、 MEX 文件和 MEX file 動態(tài)鏈接庫的集合。硬件驅動接口是數(shù)據(jù)采集工具箱和硬件驅動程序之間的界面或接口。主要目的是在MATLAB 和硬件設備 (通過硬件驅動程序 )之間傳遞信息。數(shù)據(jù)采集工具箱并不提供硬件驅動 ,硬件驅動一般由設備供應商提供。那么系統(tǒng)中就應該安裝合適版本的 NIDAQ 驅動 ,它可從硬件的驅動程序實現(xiàn)接收數(shù) 據(jù)的采集 ,并送入 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 11 頁 共 31 頁 MATLAB。功能包括實時模擬輸入 (AI,ADC,數(shù)據(jù)采集 )、模擬輸出 (AO,DAC)、數(shù)字量輸入輸出 (DI/DO)。支持流行的硬件 ,例如聲卡、 National instruments E 系列和 1200 系列數(shù)據(jù)采集卡、 HewlettPackard E1432A 系列 VXI 數(shù)據(jù)采集卡等。表 31 是目前支持的供應商和接口卡的名稱。 表 31 供應商和接口卡名稱 供應商 Vendor 接口卡名稱 Adaptor Name National Instruments nidaq Computer Boards cbi Agilent Technologies Hpel432 Windows sound cards 聲卡 winsound 對于不同的數(shù)據(jù)采集硬件的操作 ,具有一致的界面 ,即簡單地修改程序就可靈活應用于不同硬件。 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集工具箱除了支持標準的數(shù)據(jù)采集卡外 ,還支持從聲卡采集數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。所以 ,不需要另外附加 A/D 和 D/A ,我們就可以將一臺微機當作一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,或者一個可編程信號源。進一步也可結合 MATLAB 工具箱的強大功能 ,組成一個實時 (速度要求不高的場合 )或者仿真控制系 統(tǒng)。也可以快速將 Matlab 中的 Simulink、 Dialsamp。Gauges、 DSP Blockset、 FixedPoint Blockset 等模型 ,用 RealTime Workshop 移植轉化為 C 語言代碼 ,用于實時測量、信號處理和控制。 數(shù)據(jù)采集卡一般包括多路開關、放大及采樣保持、 A/D 轉換、計算機 I/O 接口等部分，性能比較完善，但價格比較昂貴，同時硬件安裝及軟件驅動需占用一定的系統(tǒng)資源。計算機上都裝有聲卡，聲卡具有對信號濾波