【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 構(gòu)成 由于微電子技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，這使得進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理非常容易、方便，因此，我們采用數(shù)字信號(hào) 處理技術(shù)來(lái)處理各類(lèi)信號(hào)。在進(jìn)行信號(hào)處理之前就必須完成數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等方面的問(wèn)題，在智能儀器、信號(hào)處理以及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測(cè)量、傳輸與控制問(wèn)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(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再收集到計(jì)算機(jī)中并進(jìn)一步予以顯示、處理、傳輸與記錄的過(guò)程，被稱為數(shù)據(jù)采集。相應(yīng)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(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性妮敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分，轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分。傳感器在某些領(lǐng)域又被稱為變換器、檢測(cè)器或探測(cè)器。隨著傳感器集成技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器常把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖等。通常把傳感器輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的這一段信號(hào)通道稱為模擬通道。 模擬 信號(hào) 傳感器 信號(hào) 調(diào)整 ADC ADC 計(jì)算機(jī) 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 31 頁(yè) 圖 傳感器的組成 信號(hào)調(diào)整一般是對(duì)從傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大濾波，用放大器來(lái)放大和緩沖輸入信號(hào)。由于傳感器輸出的信號(hào)較小，因此需要放大，以滿足大多數(shù) A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入 5~10V 的要求。此外，某些傳感器內(nèi)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(lái)緩沖輸入信號(hào)。 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)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(zhuǎn)換后的數(shù)字信息存儲(chǔ)在緩存之中，等待微控制器的讀取。對(duì)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換是由 A/D轉(zhuǎn)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(cè)和控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的 A/D 轉(zhuǎn)換電路應(yīng)運(yùn)而生。有傳統(tǒng)的并行型、逐次逼近型、積分型，也有近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的∑一△型和流水線型等，在選取A/D 轉(zhuǎn)換器的時(shí)候要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和性能指標(biāo)的要求選取不同類(lèi)型 A/D轉(zhuǎn)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(shí) ADC 的這一發(fā)展方向?qū)⑦m應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展。 數(shù)據(jù)采樣原理： 假設(shè)現(xiàn)在對(duì)一個(gè) 模擬信號(hào) x(t)每隔 Δt時(shí)間采樣一次。時(shí)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(gè)模擬信號(hào)和它采樣后的采樣值。 采樣間隔是 Δt， 注意，采樣點(diǎn)在時(shí)域上是分散的。 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(guò)來(lái)說(shuō)，如果給定了采樣頻率，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。采樣率過(guò)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。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被測(cè) 信號(hào) 敏感 元件 傳感元件 輔助電源 信號(hào)調(diào)理電路 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 31 頁(yè) 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。 量化分為非線性量化和線性量化， 采用均勻間隔量化級(jí)進(jìn)行量化的方法稱為均勻量化或線性量化。這種量化方式會(huì)造成大信號(hào)時(shí)信噪比有余而小信號(hào)時(shí)信噪比不足的缺點(diǎn)。如果較小信號(hào)時(shí)量化級(jí)間度小些，而大信號(hào)時(shí)景化級(jí)間寬度大些，就可以使小信號(hào)時(shí)和大信號(hào)時(shí)的信噪比趨于 — 致。這種非均勻量化級(jí)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(yīng)小尺度內(nèi)細(xì)微變化 ， 避免因線性量化造成的信息丟失。數(shù)字電視信號(hào)大多數(shù)采用非均勻量化方式，這是由于模擬視頻信號(hào)要 經(jīng)過(guò)伽瑪校正，而伽瑪校正類(lèi)似非線性量化特性，可減輕小信號(hào)時(shí)誤差的影響。當(dāng)前的音 /視頻設(shè)備做 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)多采用非線性量化。 編碼的基本原理：將從模擬信號(hào)抽樣、量化的信號(hào)變化從二進(jìn)制或四進(jìn)制等基本過(guò)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(jiǎn)潔 ,運(yùn)算效率高 ,內(nèi)容豐富 ,可由用戶自行擴(kuò)展 ,能夠同時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算 ,數(shù)據(jù)采集 ,信號(hào)分析 ,模型建立和可視化解釋等的強(qiáng)大綜合功能的科學(xué)軟件。它 有許多強(qiáng)有力的命令 ， 例如 ： MATLAB 能夠用一個(gè)單一的命令求解線性系統(tǒng)，能完成大量的高級(jí)矩陣處 理。 MATLAB 有強(qiáng)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(gè) FORTRAN 程序中完成可視化計(jì)算。 MATLAB 的 25 個(gè)不同工具箱可應(yīng)用于特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。 MATLAB 在以下的領(lǐng)域里解決各種問(wèn)題是一個(gè)十分有效的工具：工業(yè)研究與開(kāi)發(fā) ， 數(shù)學(xué)教學(xué)，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(xué)計(jì)算方面的教學(xué)與研究 ， 能夠詳細(xì)地研究和比較各種算法。在諸如電子學(xué)、控制理論和物理學(xué)等工程和科學(xué)學(xué)科方面的教學(xué)與研究。在諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等有計(jì)算問(wèn)題的 所 有其 他領(lǐng)域中的教學(xué)與研究。 以上列出了 MATLAB 的諸多優(yōu)點(diǎn)， MATLAB 以其編程簡(jiǎn)單，操作容易，處理數(shù)據(jù)迅速等優(yōu)點(diǎn)，并向著自動(dòng)化、專業(yè)化的方向發(fā)展，深受廣大科研人員的好評(píng)。 在 MATLAB中創(chuàng)建的組是矩陣 ， MATLAB 的名字取自矩陣實(shí)驗(yàn)室 ( MATrix ABoratory)。在國(guó)際學(xué)術(shù)界， MATLAB 已經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件。在許多國(guó)際一流學(xué)術(shù)刊物上，（尤其是信息科學(xué)刊物），都可以看到 MATLAB 的應(yīng)用。在 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 31 頁(yè) 設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門(mén)， MATLAB 被認(rèn)作進(jìn)行高效研究、開(kāi)發(fā)的首選軟件工具。如美國(guó) National Instruments 公司信號(hào)測(cè)量、分析軟件 LabVIEW， Cadence公司信號(hào)和通信分析設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(qū)動(dòng)程序和 MATLAB 環(huán)境之間“對(duì)話”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 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 硬件驅(qū)動(dòng)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。要訪問(wèn)硬件設(shè)備 ,就要使用工具箱提供的設(shè)備對(duì)象 .設(shè)備對(duì)象提供了訪問(wèn)硬件設(shè)備功能的途徑 ,使用設(shè)備對(duì)象可以控制數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序 .每一個(gè)設(shè)備對(duì)象對(duì)應(yīng)著一個(gè)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(qū)動(dòng)程序適配器 交 互命令和數(shù)據(jù) MATLAB 磁盤(pán)文件 屬性數(shù)值、數(shù)據(jù)和事件 硬件驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 31 頁(yè) 子系統(tǒng) ,見(jiàn)圖 。 MATLAB 數(shù)據(jù) 采集工具箱提供的設(shè)備對(duì)象有模擬輸入設(shè)備對(duì)象 (AI)、模擬輸出設(shè)備對(duì)象 (AO)和數(shù)字輸入 /輸出設(shè)備對(duì)象 (DIO).在進(jìn)行采樣之前 ,要?jiǎng)?chuàng)建合適的設(shè)備對(duì)象。 圖 設(shè)備對(duì)象和硬件子系統(tǒng) 本章小結(jié) 本章介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成，對(duì) 數(shù)據(jù)采樣原理、 A/D 轉(zhuǎn)換器、傳感器等進(jìn)行了分析， 然后，詳細(xì)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(duì)象 DIO 對(duì)象 AO 對(duì)象 設(shè)備對(duì)象 硬件子系統(tǒng) 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 31 頁(yè) 3 基于 MATLAB 和聲卡的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì) 方案選取 當(dāng)今在推進(jìn)信息化建設(shè)的實(shí)踐中，數(shù)據(jù)采 集技術(shù)是不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對(duì)設(shè)施的影響尤為深遠(yuǎn)。 目前，比較常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī) RS232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。 RS232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊 ，同時(shí)又有 通信距離短、速率低的缺點(diǎn) 。 （ 2） 用 AT89C51 單片機(jī) (MCS51 系列 )與美 國(guó) 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(dòng)性并降低成本 , 但 AT89C51 的 精確度不高 。 （ 3）應(yīng)用 USB 總線的數(shù)據(jù)采集器。 該方案有速度快、易擴(kuò)展、能夠采用總線供電、設(shè)備安裝和配置容易和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)計(jì)和調(diào)試比較麻煩，成本相對(duì)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(yùn)行于 32位微處理器和嵌入式 Linux操作系統(tǒng)的架構(gòu)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(kuò)展等方面有了顯著改進(jìn)，并且有向其它場(chǎng)合下的行業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展的前景。 信號(hào)采集工程是工程中信號(hào)分析和處理的前提，基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器是為了實(shí)現(xiàn) MATLAB 與外部環(huán)境的交互，達(dá)到直接對(duì)硬件端口進(jìn)行讀寫(xiě)操作 ，實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(jì)算環(huán)境中 M 文件函數(shù)、 MEX 文件和 MEX file 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的集合。硬件驅(qū)動(dòng)接口是數(shù)據(jù)采集工具箱和硬件驅(qū)動(dòng)程序之間的界面或接口。主要目的是在MATLAB 和硬件設(shè)備 (通過(guò)硬件驅(qū)動(dòng)程序 )之間傳遞信息。數(shù)據(jù)采集工具箱并不提供硬件驅(qū)動(dòng) ,硬件驅(qū)動(dòng)一般由設(shè)備供應(yīng)商提供。那么系統(tǒng)中就應(yīng)該安裝合適版本的 NIDAQ 驅(qū)動(dòng) ,它可從硬件的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(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(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 31 頁(yè) MATLAB。功能包括實(shí)時(shí)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(yīng)商和接口卡的名稱。 表 31 供應(yīng)商和接口卡名稱 供應(yīng)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(duì)于不同的數(shù)據(jù)采集硬件的操作 ,具有一致的界面 ,即簡(jiǎn)單地修改程序就可靈活應(yīng)用于不同硬件。 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集工具箱除了支持標(biāo)準(zhǔn)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(tái)微機(jī)當(dāng)作一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,或者一個(gè)可編程信號(hào)源。進(jìn)一步也可結(jié)合 MATLAB 工具箱的強(qiáng)大功能 ,組成一個(gè)實(shí)時(shí) (速度要求不高的場(chǎng)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(zhuǎn)化為 C 語(yǔ)言代碼 ,用于實(shí)時(shí)測(cè)量、信號(hào)處理和控制。 數(shù)據(jù)采集卡一般包括多路開(kāi)關(guān)、放大及采樣保持、 A/D 轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī) I/O 接口等部分，性能比較完善，但價(jià)格比較昂貴，同時(shí)硬件安裝及軟件驅(qū)動(dòng)需占用一定的系統(tǒng)資源。計(jì)算機(jī)上都裝有聲卡，聲卡具有對(duì)信號(hào)濾波