【正文】 ate。 % 設(shè)置觸發(fā)時(shí)延的單位 set(AI,39。seconds39。TriggerDelayUnits39。, 1)。 % 設(shè)置觸發(fā)電壓值 set(AI, 39。TriggerConditionValue39。)。,39。 % 設(shè)置觸發(fā)類(lèi)型 set(AI,39。software39。TriggerType39。TriggerChannel39。)。,10000) % 設(shè)置采樣速率為 10000Hz ActualRate = get(AI,39。 set(AI,39。)。JOHN G signal processing using MATLAB[J].1996. [13]Miroslav D Lutovac,Dejan V Tosic,Brian L Design for Signal Processing[M].電子工業(yè)出版社， 2021. [14]李念強(qiáng) .數(shù)據(jù)采集技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].機(jī)械工業(yè)出版社 ,2021. [15]馬明建 ,周長(zhǎng)城 .數(shù)據(jù)采集 與處理技術(shù) [M].第二版 .西安 :西安交通大學(xué)出版社 ,2021. [16]馬興義 ,楊立群 ,林敏 .MATLAB6應(yīng)用開(kāi)發(fā)指南 [M].北京 :北京機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2021. [17]樓順天 .基于 MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) [M].西安 :西安電子科技大學(xué)出版社 ,2021. [18]晏培等 .數(shù)據(jù)采集與工業(yè)通信 [M]．現(xiàn)代制造， 2021. 第 19 頁(yè) 附錄 附程序 function ouyangchao AI = analoginput(39。所以說(shuō)，此方法僅是一個(gè)簡(jiǎn)易采集，也只起一個(gè)拋磚引玉的作用，若要高精度采集，還需要仔細(xì)研究，更加完善，才能發(fā)揮出更大的用途。所以說(shuō)，該系統(tǒng)有操作簡(jiǎn)便、采集快速的優(yōu)點(diǎn)，在不需要太 高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有一定的實(shí)用性。 MATLAB提供的數(shù)據(jù)采集工具箱具有簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn) ,使用它用戶(hù)可以非常方便地創(chuàng)建自己的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 。 可以看出 ， 講話與否改變了所采集到的數(shù)據(jù)的結(jié)果 。 delete(AI) clear AI 人聲采樣以及之后的快速傅立葉變換，再轉(zhuǎn)化為分貝見(jiàn)下圖 8，圖 9。Frequency Components of Ining Signal39。Frequency (Hz)39。Magnitude (dB)39。 [f,mag] = daqdocfft(data1,Fs,blocksize)。 % 設(shè)置采樣速率 （ 4） 數(shù)據(jù)采集及結(jié)果處理。,2)。 % 設(shè)置觸發(fā)時(shí)延的單位 set(AI,39。seconds39。TriggerDelayUnits39。, 1)。 % 設(shè)置觸發(fā)電壓值 set(AI, 39。TriggerConditionValue39。)。,39。 % 設(shè)置觸發(fā)類(lèi)型 set(AI,39。software39。TriggerType39。,chan)。 % 從 AI中獲取實(shí)際采樣速率 set(AI,39。SampleRate39。SampleRate39。 （ 3） 設(shè)定設(shè)備屬性值，控制數(shù)據(jù) 采集。 （ 2） 給設(shè)備對(duì)象添加通道，這里添加 1 個(gè)通道。winsound39。 （ 1） 創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，這里創(chuàng)建的是一個(gè)聲卡 AI設(shè)備對(duì)象。) 應(yīng)用實(shí)例 對(duì)聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對(duì)象進(jìn)行操作。) title(39。) xlabel(39。 % 此函數(shù)為 MATLAB自帶 subplot(2,1,2) plot(f,mag) grid on ylabel(39。之后 ,用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際研究的需要 ,在 MATLAB 中調(diào)用頻譜分析函數(shù) (periodogram 等 )、功率譜分析函數(shù) (psd 等 )或數(shù)值分析函數(shù)(fminbnd 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 ,并且可方便地將分析結(jié)果以圖形的形式顯示出來(lái)。)。 disp(39。 % 將采樣得到的數(shù)據(jù)保存到 data1,采樣時(shí)間保存到time catch time=0。需要注意的是 ,執(zhí)行完一次數(shù)據(jù)采集工作后應(yīng)刪除設(shè)備對(duì)象 ,將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)上之后釋放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所占用的內(nèi)存空間 ,以備下一次采集能有足夠的內(nèi)存空間存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)，聲音信號(hào)采集 的實(shí)現(xiàn)程序?yàn)? clear data1。采集到的數(shù)據(jù)被暫時(shí)存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中 ,理論上可采集的最大數(shù)據(jù)量是由計(jì)算機(jī)的內(nèi)存量所決定的。,2) % 定義超時(shí)值 Fs = ActualRate。 % 設(shè)置觸發(fā)時(shí)延的單位 set(AI,39。seconds39。TriggerDelayUnits39。, 1)。 % 設(shè)置觸發(fā)電壓值 set(AI, 39。TriggerConditionValue39。)。,39。 % 設(shè)置觸發(fā)類(lèi)型 set(AI,39。software39。TriggerType39。TriggerChannel39。)。,10000) % 設(shè)置采樣速率為 10000Hz ActualRate = get(AI,39。 第 13 頁(yè) set(AI,39。)。聲音信號(hào)采集硬件配置的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程 AI = analoginput(39。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ,根據(jù)所配置的聲卡的工作特性和信號(hào)分析的設(shè)計(jì)要求 ,可設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來(lái)控制聲卡在數(shù)據(jù)采集時(shí)的行為 ,如采樣頻率、采樣時(shí)間、預(yù)計(jì)模擬信號(hào)的輸入 /輸出范圍、采樣的出發(fā)方式 ,采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。在 MATLAB 的信號(hào)采集工具箱中有專(zhuān)門(mén)為聲卡生成一個(gè)操作對(duì)象的函數(shù) ,初始化該操作對(duì)象即能建立 MATLAB 與聲卡的通信 ,并為已創(chuàng)建的聲卡設(shè)備對(duì)象增加數(shù)據(jù)采集通道和觸發(fā)方式。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。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 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 。 (5)其他功能。 (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) 。 (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) 。 圖 7 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體框圖 被測(cè)對(duì)象 采樣保持信號(hào)調(diào)理 聲卡 計(jì)算機(jī) 第 12 頁(yè) 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 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(hù)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(hù)需要的數(shù)據(jù)。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。 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。 頻率范圍較窄，不能測(cè)直流。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。 靈活性強(qiáng)。 價(jià)格低廉。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。 第 11 頁(yè) 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)。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(lèi)型的數(shù)據(jù)采集。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(mǎi)專(zhuān)門(mén)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(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。 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。 數(shù)據(jù)采集工具箱及聲卡簡(jiǎn)介 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。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門(mén)， MATLAB 被廣泛用于科學(xué)研究和解決具體問(wèn)題。 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。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)。對(duì)于一般用戶(hù)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。 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。 多路開(kāi)關(guān) 控制器 緩沖器 A/D I/O CPU 采樣保持 采樣保持 采樣保持 采樣保持 采樣保持 CPU 采樣保持 控制器 A/D 轉(zhuǎn)換器 I/O I/O I/O I/O A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器 第 8 頁(yè) 圖 6 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 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) 第 9 頁(yè) 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。 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) 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。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。這些同步數(shù)據(jù)可以描述各路信號(hào)的相位關(guān)系，所以這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 多路開(kāi)關(guān) 控制器 采樣 /保持 A/D 轉(zhuǎn)換 I/O 接口 CPU 第 7 頁(yè) 圖 4 多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多路模擬輸入信號(hào)共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，但是每個(gè)通道各有一個(gè)采樣 /保持器，在同一采樣指令控制下對(duì)各路信號(hào)同步進(jìn)行信號(hào)采樣，得到各路信號(hào)在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。如果信號(hào)很弱而干擾噪聲強(qiáng)，需要在系統(tǒng)電路中增加信號(hào)放大電路和濾波環(huán)節(jié)。 圖 3 多通道共享采樣保持器和 AD 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖 這種采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式最簡(jiǎn)單，所用芯片數(shù)量少，適用于信號(hào)變化率不高、對(duì)采樣信號(hào)不要求同步的場(chǎng)合。在轉(zhuǎn)換期間，多路開(kāi)關(guān)將下一路信號(hào)切換到采樣 /保持器的輸入端，系統(tǒng)不斷重復(fù)以上的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。 多通道共享采樣 /保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 這種系統(tǒng)構(gòu)成如圖 3所示，這種結(jié)構(gòu)形式采用分時(shí)轉(zhuǎn)換工作的方式，多路被測(cè)信號(hào)共用一個(gè)采樣 /保 持器和一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最大幅度和最小幅度之比的分貝數(shù)。 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍最 早是 信號(hào) 系統(tǒng)的概念，一個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍被定義成最大不失真 電平 和噪聲電平的差。 采集速率 采集速率又稱(chēng)為系統(tǒng)通過(guò)速率或吞吐率，是指在滿(mǎn)足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對(duì)輸入的模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所能完成的采集次數(shù)，或者說(shuō)是系統(tǒng)每個(gè)通道、每秒鐘可采集的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。只有當(dāng)這些子系統(tǒng)的精度都明顯優(yōu)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度時(shí)，系統(tǒng)精度才有可能達(dá)到 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。實(shí)際上，系統(tǒng)精度往往達(dá)不到 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。 系統(tǒng)精度 系統(tǒng)精度是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。通常可以用如下幾種方法表示系 統(tǒng)分辨率 。 評(píng)價(jià)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能有很多指標(biāo)，但是一般采用以下幾個(gè)比較常用的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。 （ 5） 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來(lái)越小，可靠性越來(lái)越高，甚至出現(xiàn)了單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 （ 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。 （ 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。 圖 2 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 硬 件驅(qū)動(dòng)程序適配器在硬件驅(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。此外，還提供保存數(shù)據(jù)以及回放數(shù)據(jù)的功能。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(hù)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(hù)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。用戶(hù)可以通過(guò)人機(jī)交互界面修改、設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)來(lái)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。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。 一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 第 3 頁(yè) 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 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 Interfa