【正文】 箱提供了硬件驅(qū)動程序和 MATLAB 環(huán)境之間 “ 對話 ” 所需的硬件驅(qū)動程序適配器、數(shù)據(jù)采集引擎和 M文件函數(shù) 。 系統(tǒng)的特點和性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般具有 以下幾個 特點 。 （ 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)計的靈活性 。 數(shù)據(jù)采集工具箱 MATLAB 硬件 驅(qū)動程序 硬件 磁盤文件 傳感器 執(zhí)行器 數(shù)據(jù)采集引擎 硬件驅(qū)動程序適配器 M 文件函數(shù) 第 5 頁 （ 4） 數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實際需要；對于通用采集系統(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。 （ 6） 總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，總線技術(shù)它對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。 系統(tǒng)分辨率 系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸 入信號的最小變化量。 使用系統(tǒng)所采用的 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示系統(tǒng)分辨率； 使用最低有效位值（ LSB）占系 統(tǒng)滿度值的百分比表示系統(tǒng)分辨率； 使用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值表示系統(tǒng)分辨率； 使用滿度值可以分的級數(shù)表示系統(tǒng)分辨率。 A/D轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。因為系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)（子系統(tǒng)）的精度，如前置放大器、濾 波器、模擬多路開關(guān)等。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和，通常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。這里說的 “采集 ”包括對被測物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲的全部過程。而在實際用途中，多用對數(shù)和比值來表示一個信號系統(tǒng)的 第 6 頁 動態(tài)范圍， 指某個確定的物理量的變化范圍。 系統(tǒng)常見的幾種結(jié)構(gòu)形式 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的分類 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的 結(jié)構(gòu)形式 多種多樣 ， 用途和功能也各不相同， 常見的 分類方法有以下 幾種 。當(dāng)采樣保持器的輸出已充分逼近輸入信號（按給定精度）時，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)，A/D 轉(zhuǎn)換 器開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號。采樣方式可以按順序或隨機(jī)進(jìn)行。如果被測信號變化速率較慢， 可以不用采樣保持器，直接進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，也屬于分時轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。模擬開關(guān)分時將各路采樣 /保持器切換到 A/D 轉(zhuǎn)換器上，進(jìn)行 模數(shù)轉(zhuǎn)換。 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖 5所示。相對于前兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)形式的數(shù)據(jù)采集速度最快，但所用的硬件電路復(fù)雜，成本較高。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 6所示 。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的 視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB 強(qiáng)大的計算功能只能在其平臺上才能使用，也就是說，必需在安裝了其解釋器的機(jī)器上才能使用 MATLAB 的 M文件，這樣就給工程應(yīng)用帶來了很大不便。幸運(yùn)的是，開發(fā) MATLAB 的 MathWorks公司為廣大的應(yīng)用者提供了應(yīng)用程序接口 (API， Application Program Interface)和編譯器 (Compiler)。如果配上數(shù)據(jù)采集線路，該系統(tǒng)就可以作為一個虛擬儀器來使用。在國外， MATLAB 已 經(jīng)經(jīng)受了多年考驗，在歐美高校， MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動控制理論，數(shù)據(jù)統(tǒng)計，數(shù)字信號處理等高級課程的基本教學(xué)工具；成為大學(xué)生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能?？梢灶A(yù)見不久的將來，在國內(nèi)工程界 MATLAB 一定會盛行起來。它具有如下特點： 是一種通過使用與 PC機(jī)兼容的、即插即用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備在 MATLAB 環(huán)境中的架構(gòu)；支持模擬信號的輸入輸出以及數(shù)字信號的輸入、輸出，子系統(tǒng)還包括同步模擬輸入輸出的轉(zhuǎn)換；支持聲卡；事件驅(qū)動采集。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原 第 10 頁 始聲音信號加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機(jī)、揚(yáng)聲器、擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)等聲響設(shè)備，其數(shù)字信號處理器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) ,ADC 用于采集音頻信號 ,DAC 用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音 ,轉(zhuǎn)換率達(dá)到 。 MATLAB 在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用 數(shù)據(jù)采集工具箱集成于 MATLAB 中，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時，可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，或者存儲后再進(jìn)行處理，或者針對數(shù)據(jù)分析的需要對測試條件的設(shè)立進(jìn)行不斷的更新。例如，在硬件設(shè)備運(yùn)行時，可以獲取事件信息， 評估采集狀態(tài)，定義觸發(fā)器和回訪狀態(tài)，預(yù)覽數(shù)據(jù)以及進(jìn)行實時分析，可以設(shè)置和顯示所有的硬件特性以滿足用戶的技術(shù)指標(biāo)。MATLAB 則是一種功能強(qiáng)大、計算效率高、交互性好的數(shù)學(xué)計算和可視化計算機(jī)高級語言 ,它將數(shù)值分析、信號采集與處理和圖形顯示有機(jī)地融為一體 ,形成了一個極其方便、用戶界面友好的操作環(huán)境。 基于計算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點 。在數(shù)據(jù)采集時，所要采用的是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對于某些應(yīng)用場合，可以利用計算機(jī)上所附帶的聲卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。用戶不僅可以進(jìn)行實時監(jiān)視和控制操作，還可以把數(shù)據(jù)保存到硬盤，供以后分析使用。另外在一臺計算機(jī)上，可以插若干塊聲卡，組成多通道數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)。由于受聲卡的硬件限制，要得到較好的波形，輸入信號的頻率最好在 100Hz～ 15kHz 范圍內(nèi)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 MATLAB 提供了一個數(shù)據(jù)采集工具箱 (Data Acquisition Toolbox),在該數(shù)據(jù)采集工具箱中 ,有一整套的命令和函數(shù) ,可用來直接控制與 PC機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,因此 ,利用 MATLAB 的這一工具箱便可進(jìn)行聲音信號 的采集。因此 ,在 MATLAB 中可以很容易地實現(xiàn)信號采集與分析處理工作 ，如圖 7所示 。數(shù)據(jù)分析部分主要實現(xiàn)以下功能 。 (2)實現(xiàn)將采集到的聲音信號數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析 ,畫出頻譜圖以圖形方式很直觀地反映出信號特征 。 (4)顯示聲音信號數(shù)據(jù)的時域圖和頻譜圖 。根據(jù)不同的需要 ,還可以進(jìn)行修改 ,以選擇合適的實驗方案。而信號分析功能是將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時、頻域分析和各項數(shù)值分析等。 聲音信號采集的硬件配置 將聲卡插入計算機(jī)的 PCI 插槽 ,安裝好相應(yīng)的驅(qū)動程序后 ,將聲音傳感器設(shè)備與聲卡的模擬輸入端連接起來 ,這就構(gòu)建了聲音采集的硬件設(shè)備 ,需要注意的是對聲音傳感器的選擇 ,應(yīng)選擇音頻專用電纜或屏蔽電纜以減小噪聲信號的引入 ,最好能選擇單向性聲音傳感器。若缺省設(shè)置則系統(tǒng)采用一個數(shù)據(jù)通道、手動觸發(fā)方式啟動工作。另外需要注意的一點是采樣頻率是由聲卡的物理特性決定的 ,實際應(yīng)用中可以根據(jù)情況選擇一個聲卡支持的采樣頻率 .MATLAB 支持電平觸發(fā)、事件觸發(fā)和手動觸發(fā)三種方式來啟動數(shù)據(jù)采集工作。winsound39。 chan = addchannel(AI,1)。SampleRate39。SampleRate39。 % 從 AI中獲取實際采樣速率 set(AI,39。,chan) % 設(shè)置觸發(fā)通道 set(AI,39。,39。)。Triggercondition39。rising39。 % 設(shè)置為電壓上升至某值后觸發(fā) set(AI,39。,)。TriggerDelay39。 % 設(shè)置觸發(fā)時延 set(AI, 39。, 39。)。timeout39。 % 設(shè)置采樣速率 ...% 其它的相關(guān)設(shè)置 數(shù)據(jù)采集 啟動設(shè)備對象 ,控制聲卡開始采集數(shù)據(jù) ,采 集過程中可以向聲卡發(fā)送控制命令 ,如暫停采集、退出采集等。同時 , MATLAB 能夠記錄采集設(shè)備的硬件屬性、采集的啟動時刻、采集時間、采樣頻率及采樣通道等信息 ,如果采集過程中出現(xiàn)了錯誤 ,則出錯的時刻、錯誤產(chǎn)生的來源等信息也都會被記錄下來供后續(xù)工作 參考 。 start(AI) % 開始采樣 try [data1,time]=getdata(AI)。data1=0。A timeout occurred.39。 end 第 14 頁 數(shù)據(jù)分析 在設(shè)計該部分時 ,不僅要求實現(xiàn)能從數(shù)據(jù)采集部分直接獲取數(shù)據(jù) ,還需實現(xiàn)能從文件中讀取以前所保持好的數(shù)據(jù)。 對所采集的聲音信號進(jìn)行頻譜分析的程序為 [f,mag]=daqdocfft(data1,Fs,blocksize)。Magnitude (dB)39。Frequency (Hz)39。Frequency Components of Ining Signal39。 聲卡是 MATLAB 數(shù)據(jù)采集工具箱所支持的一種硬件，用聲卡完成一個簡單的數(shù)據(jù)采集過程，麥克風(fēng)就成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器。 AI = analoginput(39。)。 chan = addchannel(AI,1)。 set(AI,39。,10000) % 設(shè)置采樣速率為 10000Hz ActualRate = get(AI,39。)。TriggerChannel39。 % 設(shè)置觸發(fā)通道 set(AI,39。,39。)。Triggercondition39。rising39。 % 設(shè)置為電壓上升至某值后觸發(fā) set(AI,39。,)。TriggerDelay39。 % 設(shè)置觸發(fā)時延 第 15 頁 set(AI, 39。, 39。)。timeout39。 % 定義超時值 Fs = ActualRate。在這里首先將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換，然后轉(zhuǎn)化成分貝，并顯示結(jié)果的實數(shù)部分。 % 此函數(shù)為 MATLAB自帶 subplot(2,1,2) plot(f,mag) grid on ylabel(39。) xlabel(39。) title(39。) （ 5） 清除內(nèi)存中的設(shè)備對象 。 圖 8 采樣過程中沒有對麥克風(fēng)講話 第 16 頁 圖 9 采樣過程中對麥克風(fēng)講話 結(jié)果分析 ： 圖 9中 是在采樣過程中打開麥克風(fēng) ， 但是沒有對麥克風(fēng)講話的結(jié)果，圖 10 是在采樣的過程中對麥克風(fēng)講話的結(jié)果 。 第 17 頁 5 結(jié)語 MATLAB具備高性能的數(shù)值計算和可視化的科學(xué)工程計算功能，支持解釋性語言輸入，編程實現(xiàn)簡單，具有豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)功能支持 。而聲卡的普及性高，價格低廉。 但是， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞主要取決于它的精度和速度，在保證精度的條件下，還要盡可能地提高采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制的要求。 第 18 頁 [參考文獻(xiàn) ] [1]JI Xiaosong,LI and Realization of Highspeed Data Acquisition Card[J]Modern Electronics ,(1):1618. 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[12]VINAY K I。winsound39。 chan = addchannel(AI,1)。SampleRate39。SampleRate39。 % 從 AI中獲取實際采樣速率 set(AI,39。,chan) % 設(shè)置觸發(fā)通道 set(AI,39。,39。)。Triggercondition39。rising39。 % 設(shè)置為電壓上升至某值后觸發(fā) set(AI,39。,)。TriggerDelay39。 % 設(shè)置觸發(fā)時延 set(AI, 39。, 39。)。timeout39。 % 設(shè)置采樣速率 clear data1。 % 將采樣得到的數(shù)據(jù)保存到 data1,采樣時間保存到 time catch time=0。 disp(39。)。Time (sec.)39。Signal Level (Volts)39。 % 計算 窗函數(shù)長度 window = hanning(blocksize)。 % 對數(shù)據(jù)先作加窗處理 [b,a]=ellip(4,20,3000*2/Fs)。 % 求加窗處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波器的響應(yīng) %當(dāng)不