【導(dǎo)讀】接實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集。在傳統(tǒng)的工程檢測中，需要將采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，經(jīng)過一系列。文件和編譯器，用戶可以在MATLAB環(huán)境中調(diào)用C語言或FORTRAN程序、輸入或輸。時采樣、等效時間采樣等）、MATLAB軟件的特點。然后，對比分析已有的基于MATLAB的?？梢岳肕ATLAB和C語言交互，設(shè)計基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集器。最后，完成畢業(yè)論文撰寫工作。通過本課題的工作，可以鞏固和加深學(xué)生對數(shù)字信號處。1]王海龍,陳珊杰,李茜等.基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].中國農(nóng)學(xué)通訊，2021,[7]陳德娟.基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].應(yīng)用科技，2021，30：23-24.隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用。品質(zhì)量，降低成本提供信息和手段。在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大

　　

【正文】 0 34 % 200 512 21 % 100 256 43 % 50 28 87 % 20 219 % 10 440 % 5 881 % 從表 33 可見，當分析頻率在 1kHz 及一下 時，可以做到誤差很小， 2kHz時為 %，而 5kHz、 10kHz 時誤差達到了 %，由此可見，聲卡適合分析頻率 2kHz 以下時使用。對 2kHz 以上分析頻率，可在對所采集到的信號進行信號分析、計算頻譜時，用實際的采樣頻率帶入計算，或者采用頻譜細化的方法，以減少誤差。從采樣頻率考慮，需要隔 N1 個點取一點，所以當進行單通道采集時，聲卡采樣長度為信號采樣長度的 N 倍；雙通道采集時，為信號采樣長度的2N 倍。由于聲卡硬件的限制，輸入信號幅度大小要求在 1V 和 1V 之間，聲卡采樣數(shù)據(jù)是無量綱的，經(jīng)過實際測試，采樣數(shù) 據(jù)除以 100 后為毫伏單位。需采用相對應(yīng)的工程單位對采集信號進行標定。聲卡不能直接測量大電流、高電壓的信號， 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計 第 19 頁 共 31 頁 對幅度比較大的信號首先要進行降壓處理，如果測量不當有可能損壞計算機。 本章小結(jié) 本章首先分析了數(shù)據(jù)采集器現(xiàn)行的幾種方案的缺點，如： ①使用 RS232 串行通信 有 通信距離短、速率低的缺點 。 ② 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 ，其中 AT89C51的 精確度不高 。 ③應(yīng)用 USB 總線的數(shù)據(jù)采集器 設(shè)計和調(diào)試都比較麻煩， 且成本相對較高。 討論了聲卡可作為數(shù)據(jù)采集卡的特性和優(yōu)點，聲卡具有對信號濾波、放大及采樣保持 、 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換等功能，這些功能與數(shù)據(jù)采集卡相當。且 通常比 12 位市售 D/A 卡的精度高， 可用聲卡配合相應(yīng)軟件構(gòu)建信號采集系統(tǒng)，確認了基于聲卡和 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計方案。然后，采用麥克風(fēng)作為聲音傳感器，采用 AD620 作為信號放大器 ,用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，并對各個模塊的器件進行了分析和確認，聲卡用得是 WDM 類型的 Realtek High Definition Audio，麥克風(fēng)用的是 駐極體式 EM 一 9767。 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計 第 20 頁 共 31 頁 4 軟件設(shè)計 要執(zhí)行一個數(shù)據(jù)采集任務(wù) ,就必須調(diào)用 MATLAB 環(huán)境的 M 文件函數(shù)。這些函數(shù)用來創(chuàng)建設(shè)備對象；采集或者輸出數(shù)據(jù)；配置屬性值；或者查詢采集任務(wù)的狀態(tài)和硬件資源。數(shù)據(jù)采集引擎是一個 MEX 文件的動態(tài)鏈接庫。這里用到了數(shù)據(jù)采集引擎，它用于存儲控制數(shù)據(jù)采集的設(shè)備對象和相關(guān)的屬性值 ,控制事件的同步 ,控制采集到的或隊列內(nèi)數(shù)據(jù)的存儲。引擎和 MATLAB 是異步的 ,當引擎執(zhí)行任務(wù)的時候 ,可以用 MATLAB 執(zhí)行其它的任務(wù) ,比如數(shù)據(jù)的分析。 基于 MATLAB 和聲卡的軟件流程 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計使用了面向?qū)ο蟮?程序設(shè)計方法。圖 給出整個程序的模塊構(gòu)成圖。本軟件的設(shè)計方法 ,力求簡單明了 ,操作方便。 圖 整個程序的模塊構(gòu)成圖 本文利用數(shù)據(jù)采集工具箱 ,在 MATLAB 環(huán)境下實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集的步驟如圖 所示。首先利用命令函數(shù) analoginput 創(chuàng)建設(shè)備對象 ,并將該設(shè)備對象賦予一個 MATLAB 變量 ,以后對該設(shè)備對象的操作就轉(zhuǎn)換為對該變量操作。當設(shè)備對象建立后 ,即可用 addchannel 命令給該設(shè)備按照需要添加數(shù)據(jù)采集通道。一旦采集通道添加完成 ,就可以用 set 命令為設(shè)備對象設(shè)置采集參數(shù) ,不同的采集卡 ,參數(shù)系數(shù) 采集數(shù)據(jù) 局部分析 保存數(shù)據(jù) 整體保存數(shù)據(jù) 局部保存數(shù)據(jù) 分析 1 讀取數(shù)據(jù)文件 其他 保存數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)分析 分析 n ?? 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計 第 21 頁 共 31 頁 具有不同的采集特性參數(shù)。當采集參數(shù)設(shè)定后 ,即可用 start 命令啟動數(shù)據(jù)采集 ,這時采集卡的狀態(tài)就置于數(shù)據(jù)采集引擎的管理中 ,數(shù)據(jù)采集引擎會自動按照設(shè)定的參數(shù)監(jiān)管和響應(yīng)采集卡 ,并將其所采集的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)引擎管理的內(nèi)存區(qū) ,通過相應(yīng)的命令可以從 MATLAB 中查看數(shù)據(jù)采集任務(wù)的狀態(tài)和抽取數(shù)據(jù)到MATLAB 工作空間 ,并可對抽取到 MATLAB 工作空間的數(shù)據(jù)進行處理分析。當采集到數(shù)據(jù)滿足設(shè)定參數(shù)時 ,采集任務(wù)即告結(jié)束。這時必須利用 delete 和 clear 命令清除設(shè)備對象 ,否則 ,該設(shè) 備將會一直處于采集引擎的監(jiān)管之中 ,再次創(chuàng)建該設(shè)備對象時 ,系統(tǒng)將會報告一個錯誤。 圖 數(shù)據(jù)采集命令流程 數(shù)據(jù)采集工具箱對數(shù)據(jù)采集對象支持兩種基本特性 ,一種是公共特性 ,它用于定義采集卡所有采集通道的特性；另一種是通道特性 ,它僅適用于單個通道。具體特性依賴于采集卡硬件 ,但對大多數(shù)應(yīng)用而言 ,有一組特性是通用的基本設(shè)置 ,這些基本特性涉及采樣率、觸發(fā)方式和每次觸發(fā)的采樣點數(shù)。數(shù)據(jù)采集工具箱支持的觸發(fā)方式有 4 種 ,它們是手動觸發(fā)、立即觸發(fā)、軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)（ ?Manual?.?Immediate?.?Software?.?Hardware’ ）。 analoginput addchannel set start delete。clear 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計 第 22 頁 共 31 頁 （ 1） 通過 MATLAB 編程實現(xiàn) MATLAB 與聲卡的連接。 MATLAB 將聲卡設(shè)備都作為對象處理 ,其后的一切操作不與硬件直接相關(guān) ,而是通過對該對象的操作來作用于硬件設(shè)備。而對于該系統(tǒng)來說 ,用聲卡采集數(shù)據(jù) ,實際上輸入輸出的都是模擬信號 ,因此在 MATLAB 中 ,只要使用相應(yīng)的語句就可以很容易地實現(xiàn)MATLAB 與聲卡的連接。 MATLAB 中有 analoginput 語句 ,其專門用于建立模擬信號輸入 ,其語法為 : AI = analoginput (?adaptor? ) 。 或者 AI = analoginput (?adaptor? , ID) 。 其中 ,adaptor 是硬件設(shè)備的對應(yīng)名稱 ,MATLAB 所支持的硬件設(shè)備包括 advantech,hpe1432,keithley,mcc,nidaq,cbi 和 winsound。 ID 則是硬件設(shè)備的標識 ,如果硬件設(shè)備是聲卡則 ID 標識可以不要。對于該系統(tǒng) ,由于是用聲卡作為采集硬件設(shè)備 ,所以沒必要指明硬件 ID,則用以下語句 : AI =analoginput (?winsound? ) 。 就可以使 MATLAB 在眾多的電腦硬件中找到聲卡 ,并創(chuàng)建一個模擬數(shù)據(jù)的采集目標。當一個輸入目標被創(chuàng)建之后 ,它不可能占用所有的硬件信號通道。為了操控硬件設(shè)備 ,必須創(chuàng)建一條專用的通道用于模擬信號數(shù)據(jù)的傳輸。這就要用到MATLAB 中的 addchannel 語句。其語法一般為以下格式 : chan = addchannel (obj , hwch) 。 其中 , obj 是模擬輸入或輸出的目標 ,在這里是上述的 “AI” 。 hwch 是指定設(shè)備的 ID 數(shù)量。對于該系統(tǒng) ,指定 hwch 為 1。所以創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳輸通道的語 句如下 : chan = addchannel (AI , 1) 。 （ 2） 設(shè)置采樣頻率和采樣時間以及采樣點數(shù)。對于設(shè)定采樣時間、頻率和采樣點數(shù) ,可以由以下語句完成 : duration = 2 。 Fs = 8000 。 Blocksize = duration * Fs 。 但是考慮到以后在設(shè)計圖形用戶界面的時候可以在界面上對它們進行設(shè)置 ,所以可利用 MATLAB 中的 set 語句對它們進行賦值。其語法格式為 : set (object ,?property? , value) 。 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計 第 23 頁 共 31 頁 在該系統(tǒng)中 ,object 為 AI,property 為 SampleRate,而 value 取為 8000。即 : set (AI ,?SampleRate? , 8000) 。 當要設(shè)置采樣點數(shù)的時 ,object 為 AI , property 為 SamplesPer Trigger,而 value 為 duration * ActualRate。即 : set (AI ,?SamplesPer Trigger? , duration * ActualRate) 。 而在此之后則可以使用 get 語句將設(shè)定好的值傳送給變 量 ,其基本語法格式為 : get (ob ,?PropertyName? ) 。 其中 ob 為目標名稱 ,在這里為 AI,PropertyName 為數(shù)值來源名稱 ,在這里為 SampleRate 和 SamplesPer Trigger。 即 : ActualRate = get (AI ,?SampleRate? ) 。 blocksize = get (AI ,?SamplesPer Trigger? ) 。 所以該部分的全部語句為 : duration = 2 。 %設(shè)定采樣時間 (單位 : s) set (AI ,?SampleRate? , 8000) 。 %采樣頻率設(shè)置為 8kHz ActualRate = get (AI ,?SampleRate? ) 。 set (AI ,?SamplesPer Trigger? , duration * ActualRate) 。 blocksize = get (AI ,?SamplesPer Trigger? ) 。 %設(shè)置數(shù)據(jù)塊大小 (也就是采樣點數(shù) ) Fs = ActualRate 。 （ 3） 設(shè)置觸發(fā)方式。在 MATLAB 中 ,Manual 為手動觸發(fā) 。Immediate 為自動觸發(fā) 。 Software 為件觸發(fā) 。Hardware 為硬件觸發(fā)。由于要能夠隨時采集數(shù)據(jù) ,所以該系統(tǒng)采用手動觸發(fā)方式 ,其 MATLAB 語句如下 : set (AI ,?Trigger Type? ,?Manual? ) 。 （ 4）開始采集數(shù)據(jù)。當聲卡的數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置完成后 ,即可啟動該設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。其語句格式為 start (AI) 。 trigger (AI) 。 data = getdata (AI) 。 由于聲卡具備 3種觸發(fā)方式 ,當 觸發(fā)方式設(shè)置為 Immediate 時 ,start 命令將立即觸 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計 第 24 頁 共 31 頁 發(fā)聲卡 ,對輸入信號進行采集 。當觸發(fā)方式設(shè)置為 manual 時 ,則必須用 trigger (AI) 命令人工觸發(fā)聲卡來啟動對輸入信號的采集。 （ 5） 停止并刪除聲卡設(shè)備。當數(shù)據(jù)采集完成后 ,聲卡設(shè)備仍然保留在系統(tǒng)中 ,為了清除該設(shè)備 ,應(yīng)使用如下命令 : stop (AI) 。 delete (AI) 。 其中 ,stop 命令將停止聲卡設(shè)備運行 。delete 命令將從系統(tǒng)中刪除聲卡設(shè)備。若在退出數(shù)據(jù)采集任務(wù)之前 ,未執(zhí)行上述 2 條語句 ,在退 出數(shù)據(jù)采集任務(wù)之后 , 系統(tǒng)中將會仍然保留聲卡設(shè)備 ,在下一次啟動數(shù)據(jù)采集任務(wù)時系統(tǒng)將會發(fā)出聲卡設(shè)備在使用中的錯誤信息。因此 ,在退出數(shù)據(jù)采集任務(wù)之前 ,必須執(zhí)行上述 2 個命令來刪除聲卡設(shè)備。 （ 6） 繪制采集數(shù)據(jù)的時域和頻譜波形。在 MATLAB 的二維繪圖指令中 ,最重要、最基本的指令是 PLOT,其他許多特殊的繪圖指令都是以它為基礎(chǔ)而形成的。作為繪制線性坐標平面圖形的函數(shù) PLOT,對于不同的輸入?yún)?shù) ,該函數(shù)用不同的形式可以實現(xiàn)不同的功能。①繪制時域波形。繪制時域波形可以使用 plot(x)命令 ,plot 將以該向量元素 的下標為橫坐標 ,元素值為縱坐標繪制一條連續(xù)曲線。下面是時域波形的繪制程序 : axes (handles time _ axes2) 。 %確立該圖在界面上的位置 plot (data) 。 %繪制時域波形 grid on 。 %加坐標網(wǎng)格 ylabel (?voltage (V)? ) 。 %Y 軸名稱為 voltage (V) ②繪制頻譜波形。要繪制頻譜波形 ,可使用命令 plot(x , y),而 x , y是同維向量 , 那么 polt 將繪制出以 x , y 元素為橫、縱坐標的曲線。首先進行快速傅里葉變換。傅里葉 變換具有明確的物理意義 ,即變換域反映了信號包含的頻率內(nèi)容 ,因此傅里葉變換是信息處理中最基本也是最常用的變換。 MATLAB 提供函數(shù) daqdocfft來實現(xiàn)這個功能 ,其格式為 : [f ,mag] = daqdocfft (data ,Fs ,blocksize) 。 其