【正文】 信號輸入端，可實現(xiàn)對信號的單通道、雙通道采集。 通常比 12 位市售 D/A 卡的精度高， 對于許多科學實驗和工程測量來說，聲卡對信號的量化精度和采樣率都是足夠高的，甚至優(yōu)于一些低檔的數(shù)據(jù)采集卡性能。MATLAB 中提供了數(shù)據(jù)采集工具箱和信號處理工具箱，完全可以滿足控制聲卡進行數(shù)據(jù)采集和分析數(shù)據(jù)的要求。所以，我選擇了基于 MATLAB和聲卡的數(shù)據(jù)采集器設計方案。本方案的系統(tǒng)框圖如圖 ： 圖 系統(tǒng)框圖 傳聲器的選取 聲音傳感器是一種將聲音信號轉變?yōu)殡娦盘柕穆曇浑娹D換器件，或者說聲音傳感器 是將機械能轉化為電能的轉換裝置。 傳聲器就是聲音傳感器。目前，傳聲器的種類很多，其外形、規(guī)格、型號等更是不勝枚舉。其中駐極體傳聲器是采用聚脂膜貼在振動面，拾取直達聲，減少反射聲，增加保真度。若采用駐極體式 EM 一 9767 麥克風，其靈敏度高 (最高可達 30dB)，頻帶寬 (可以響應 20 一 20kHz 的音頻信號 )，頻響特性平坦，較高的信噪比 (一般大于 60dB)等特點，可以完全滿足系統(tǒng)的要求。使用時，傳聲器直接插入 pc 機的麥克風插孔。這AD620 聲卡 計算機 傳聲器 聲音 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 13 頁 共 31 頁 個電信號經由線圈引出線輸出，經信號調整電路放大、濾波后，再經過 A/D 轉換成數(shù)字信號傳入計算機進行信號處理。駐極體式 EM 一 9767 麥克風的主要電氣特性如表 32 表 32 駐極體式 EM9767麥克風主要電氣特性 參數(shù) 指標 指向性 單向性 靈敏度 46177。3dB, 50177。 本課題采用 AD620 為作為前置放大器。供電電源選擇范圍較寬，可在士 18v 之間選擇 。高共模抑制比，一般最小可達100dB。 AD620 腳位示意圖如圖 。 AD62O 的兩個內部增益電阻 Rl、 R2 為 Ω，因而增益方程式為： ???GRKG （ 31） 由式（ ）可知，對于所需的增益，外部的控制電阻為： ? ?? G KRG （ 32） 本設計的信 號放大電路如圖 所示： 1 2 3 4 7 6 5 8 ——— + AD620 ?GRsV?REFOUTPUT?GRsV?IN?IN? 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 15 頁 共 31 頁 圖 信號放大電路 聲卡在 A/D 轉換中的應用 聲卡在 A/D 轉換中的原理 聲卡是 電腦中用來處理聲音的接口卡 ， 有三個基本功能： ① .音樂合成發(fā)音功能 。 ③ .模擬聲音信號的輸入和輸出功能 。計算機上都裝有聲卡，聲卡 不僅價格低廉，而且兼容性好、 性能穩(wěn)定，軟件 (特別是驅動程序 )升級方便， 具有對信號濾波、放大及采樣保持、 A/D 和 D/A 轉換等功能， 而且聲卡采用 DMA(直接內存讀取 )方式傳送數(shù)據(jù)，極大地降低了 CPU 占用率。數(shù)字化的聲音數(shù)據(jù)使用 PCM(脈沖編碼調制 )波形音頻格式。聲音控制 /處理芯片是聲卡的核心，集成了采樣保持、 A/D 轉換 、 D/A 轉換、音效處理等電路，它決定了聲卡的性能和檔次，基本功能包括對聲波采樣和回放的控制、處理 MIDI 指令等，聲音輸入 /輸出端口是音頻信號的輸入和輸出，它主要有外接端口和內接端口。內接端口是內置的輸入 /輸出端口，是 CD 音響接口。本文中聲卡對聲音的輸入采用“ MICIn”麥克風輸入端口， 圖 聲卡對聲音的 A/D轉化圖 模擬聲信號經過聲卡前置處理及 A/D 轉換后變成數(shù)字信號，送入輸入緩沖區(qū)，然后通過各種數(shù)字信號處理的方法對波形輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理，完成聲音消噪、音效處理、聲音合成等功能，最后把處理好的數(shù)據(jù)把保存到存儲設備，這就是聲音信號的錄制控制。 聲卡的驅動軟件 聲卡軟件即驅動程序，是實現(xiàn)對采樣位數(shù)、采樣頻率、通道數(shù) 等參數(shù)的設置及對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、音量的大小等進行控制，使聲卡各組成部分協(xié)調工作，從而實現(xiàn)對聲音的采集、存儲和回放等功能。 高層音頻服務是實現(xiàn)語音的播放和錄制等功能，但不能實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)的直接控制。它可控制不同類型的音頻設備，包括波形、 MIDI 樂器指令數(shù)字化接口和輔助音頻設備。數(shù)據(jù)采集時，調用底層音頻函數(shù)來完成。 模擬聲信號（ CD、線路輸入等） 信號前置處理 A/D轉換 數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū) 數(shù)字信號處理 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 17 頁 共 31 頁 采樣參數(shù)設置 聲卡比較特殊，采樣頻率只有 、 、 等幾個定植，支持的采樣位數(shù)有 8 位、 16 位、 24 位等，輸入通道（也就是采樣通道）通常為單、雙聲道，不同類型聲卡對應的各值也不同。這些設置是對 WAVEFORMATEX 數(shù)據(jù)結構進行設置來實現(xiàn)的，該結構用于描述波形音頻格式。雙通道采集時，聲卡采用并行采集，并具有采樣保持功能，兩個通道的數(shù)據(jù)不存在時間差，第一通道和第二通道數(shù)據(jù)存儲在同一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，且等間隔存儲，奇數(shù)序列是一個通道數(shù)據(jù)，偶數(shù)序列為另一個通道數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部讀入到一個數(shù)組中，然后對該數(shù)組數(shù)據(jù)，采用隔一點取一點的方法，將數(shù)據(jù)分開并分別存到另外的兩個數(shù)組中，即將兩個通道的數(shù)據(jù)分開，從而實現(xiàn)了雙通道的采集。 信號采樣頻率的設置：在工程測試中，需要根據(jù)不同 的信號，采用不同的分析頻率，本系統(tǒng)將其分為 5Hz， 10Hz， 20Hz， 50Hz， 100Hz， 200Hz， 500Hz，1kHz， 2 kHz， 5 kHz， 10kHz 共 11 個檔。 然而，聲卡采樣頻率通常只有幾個定值，不同型號的聲卡，采樣頻率不同。 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 18 頁 共 31 頁 所謂“就高不就低”，是指聲卡采樣頻率選擇靠近且高于信號采樣頻率的值，而不選擇靠近且低于信號采樣頻率的值。為減少誤差，當頻率誤差大于2%時，聲卡的采樣頻率采用更高一級的頻率，與其相關的其他參數(shù)也隨之變化。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。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，經過實際測試，采樣數(shù) 據(jù)除以 100 后為毫伏單位。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。 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 。 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 轉換等功能，這些功能與數(shù)據(jù)采集卡相當。然后，采用麥克風作為聲音傳感器，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，麥克風用的是 駐極體式 EM 一 9767。這些函數(shù)用來創(chuàng)建設備對象；采集或者輸出數(shù)據(jù)；配置屬性值；或者查詢采集任務的狀態(tài)和硬件資源。這里用到了數(shù)據(jù)采集引擎，它用于存儲控制數(shù)據(jù)采集的設備對象和相關的屬性值 ,控制事件的同步 ,控制采集到的或隊列內數(shù)據(jù)的存儲。 基于 MATLAB 和聲卡的軟件流程 本系統(tǒng)的軟件設計使用了面向對象的 程序設計方法。本軟件的設計方法 ,力求簡單明了 ,操作方便。首先利用命令函數(shù) analoginput 創(chuàng)建設備對象 ,并將該設備對象賦予一個 MATLAB 變量 ,以后對該設備對象的操作就轉換為對該變量操作。一旦采集通道添加完成 ,就可以用 set 命令為設備對象設置采集參數(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)采集器設計 第 21 頁 共 31 頁 具有不同的采集特性參數(shù)。當采集到數(shù)據(jù)滿足設定參數(shù)時 ,采集任務即告結束。 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。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’ ）。clear 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 22 頁 共 31 頁 （ 1） 通過 MATLAB 編程實現(xiàn) MATLAB 與聲卡的連接。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 ,只要使用相應的語句就可以很容易地實現(xiàn)MATLAB 與聲卡的連接。 或者 AI = analoginput (?adaptor? , ID) 。 ID 則是硬件設備的標識 ,如果硬件設備是聲卡則 ID 標識可以不要。 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。為了操控硬件設備 ,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。其語法一般為以下格式 : chan = addchannel (obj , hwch) 。 hwch 是指定設備的 ID 數(shù)量。所以創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳輸通道的語 句如下 : chan = addchannel (AI , 1) 。對于設定采樣時間、頻率和采樣點數(shù) ,可以由以下語句完成 : duration = 2 。 Blocksize = duration * Fs 。其語法格式為 : set (object ,?property? , value) 。即 : set (AI ,?SampleRate? , 8000) 。即 : set (AI ,?SamplesPer Trigger? , duration * ActualRate) 。 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。 blocksize = get (AI ,?SamplesPer Trigger? ) 。 %設定采樣時間 (單位 : s) set (AI ,?SampleRate? , 8000) 。 set (AI ,?SamplesPer Trigger? , duration * ActualRate) 。 %設置數(shù)據(jù)塊大小 (也就是采樣點數(shù) ) Fs = ActualRate 。在 MATLAB 中 ,Manual 為手動觸發(fā) 。 Software 為件觸發(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? ) 。當聲卡的數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置完成后 ,即可啟動該設備進行數(shù)據(jù)采集。 trigger (AI) 。 由于聲卡具備 3種觸發(fā)方式 ,當 觸發(fā)方式設置為 Immediate 時 ,start 命令將立即觸 基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集器設計 第 24 頁 共 31 頁 發(fā)聲卡 ,對輸入信號進行采集 。 （ 5） 停止并刪除聲卡設備。 delete (AI) 。delete 命令將從系統(tǒng)中刪除聲卡設備。因此 ,在退出數(shù)據(jù)采集任務之前 ,必須執(zhí)行上述 2 個命令來刪除聲卡設備。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而形成的。①繪制時域波形。下面是時域波形的繪制程序 : axes (handles time _ axes2) 。 %繪制時域波形 grid on 。 %Y 軸名稱為 voltage (V) ②繪制頻譜波形。首先進行快速傅里葉變換。 MATLAB 提供函數(shù) daqdocfft來實現(xiàn)這個功能 ,其格式為 : [f ,mag] = daqdocfft (data ,Fs ,blocksiz