數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)

核心詞：聲卡

數(shù)據(jù)采集

MATLAB

信號解決論文摘要：運用數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普通價格昂貴且難以與實際需求完全匹配。聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡含有價格低廉、開發(fā)容易和系統(tǒng)靈活等優(yōu)點。本文具體介紹了系統(tǒng)的開發(fā)背景,軟件構(gòu)造和特點,系統(tǒng)地分析了數(shù)據(jù)采集硬件和軟件設計技術(shù),在此基礎(chǔ)上以聲卡為數(shù)據(jù)采集卡,以MATLAB為開發(fā)平臺設計了數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。

本文介紹了MATLAB及其數(shù)據(jù)采集工具箱,

運用聲卡的A/

D、D/

A

技術(shù)和MATLAB

的方便編程及可視化功效,提出了一種基于聲卡的數(shù)據(jù)采集與分析方案,該方案含有實現(xiàn)簡樸、性價比和靈活度高的優(yōu)點。用MATLAB

語言編制了對應軟件,實現(xiàn)了該系統(tǒng)。該軟件有著簡潔的人機交互工作界面,操作方便,并且能夠根據(jù)顧客的需求進行功效擴充。最后給出了應用該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的應用實例。1緒論

1.1

課題背景

數(shù)據(jù)也稱觀察值，是實驗、測量、觀察、調(diào)查等的成果，常以數(shù)量的形式給出。數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，就是將系統(tǒng)需要管理的全部對象的原始數(shù)據(jù)收集、歸類、整頓、錄入到系統(tǒng)當中去。數(shù)據(jù)采集是機管理系統(tǒng)使用前的一種數(shù)據(jù)初始化過程。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域。例如攝像頭，麥克風，都是數(shù)據(jù)采集工具。數(shù)據(jù)采集（Data

Acquisition）是將被測對象(外部世界、現(xiàn)場)的多個參量(能夠是物理量，也能夠是化學量、生物量等)通過多個傳感元件作適宜轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，最后送到控制器進行數(shù)據(jù)解決或存儲統(tǒng)計的過程。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號的多個物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，能夠是模擬量，也能夠是數(shù)字量。采集普通是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某段時間內(nèi)的一種特性值。精確的數(shù)據(jù)測量是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)測量辦法有接觸式和非接觸式，檢測元件多個多樣。不管哪種辦法和元件，都以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以確保數(shù)據(jù)的對的性。數(shù)據(jù)采集含義很廣，涉及對持續(xù)物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中，對圖形或圖像數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時被采集的是幾何量數(shù)據(jù)。在智能儀器、信號解決以及自動控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題，經(jīng)常需要對外部的溫度、壓力、流量、位移等模擬量進行采集。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一種流行且實用的技術(shù)。它廣泛應用于信號檢測、信號解決、儀器儀表等領(lǐng)域。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的不停，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也呈現(xiàn)出速度更高、通道更多、數(shù)據(jù)量更大的發(fā)展態(tài)勢。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應用極為廣泛的模擬量測量設備，其基本任務是把信號送入計算機或?qū)男盘柦鉀Q系統(tǒng)，根據(jù)不同的需要進行對應的計算和解決。它將模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再通過計算機解決得出所需的數(shù)據(jù)。同時，還能夠用計算機將得到的數(shù)據(jù)進行儲存、顯示和打印，以實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分數(shù)據(jù)還將被用作生產(chǎn)過程中的反饋控制量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機測控系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，現(xiàn)在，有多個數(shù)據(jù)采集卡或采集系統(tǒng)可供選擇，以滿足生產(chǎn)和科研實驗等各方面的不同需要，但由于數(shù)據(jù)源以及顧客需求的多樣性，有時并不能滿足規(guī)定。特別是在某些應用中，需要同時高速采集多個通道的數(shù)據(jù)，并且為了分析比較各通道信號間的互有關(guān)系，經(jīng)常規(guī)定全部通道的采集必須同時?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿足上述規(guī)定的比較少，且價格十分昂貴，體積較大，分量較重，使用十分不方便。普通模擬量是通過多個數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)在慣用的是含有

ISA

總線、PCI

總線等接口形式的

A/D

采集卡，即使數(shù)據(jù)傳輸率很高，但是還存在整個系統(tǒng)笨重，缺少靈活性，不能實現(xiàn)即插即用，不適合小型、便攜設備采用等缺點。另外這些類型的采集卡在計算機上安裝比較麻煩，并且由于受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制不可能掛接諸多設備。因此，工程師們往往需要耗費大量的時間和資源用于系統(tǒng)搭建。隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不停壯大，生產(chǎn)過程和制作工藝的日趨復雜，對自動測試和多個信息集成的規(guī)定也就越來越高。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的好壞將直接影響自動測試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為了滿足不同的測試需求，以及減少對資源的浪費，在系統(tǒng)的設計上應當盡量滿足通用性和可擴展性。在高度發(fā)展的當今社會中，技術(shù)的突飛猛進和生產(chǎn)過程的高度自動化已成為人所共知的必然趨勢，而它們的共同規(guī)定是必須建立在有著不停發(fā)展與提高的信息工業(yè)基礎(chǔ)上。人們只有從外界獲取大量精確、可靠的信息通過一系列的科學分析、解決、加工與判斷，進而認識和掌握界與科學技術(shù)中的多個現(xiàn)象與其有關(guān)的變化，并通過對應的系統(tǒng)和辦法實現(xiàn)科學實驗研究與生產(chǎn)過程的高度自動化。換言之，生產(chǎn)過程的自動化面臨的第一種問題就是必須根據(jù)從多個傳感器得到的數(shù)據(jù)來檢測、監(jiān)視現(xiàn)場，以確?，F(xiàn)場設備的正常工作。因此對現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集是重要的前期基礎(chǔ)工作，然后再對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行傳輸和對應的解決工作，以滿足不同的需要。數(shù)據(jù)采集卡是中低端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的必選產(chǎn)品。基于

ISA、PCI

的插卡式數(shù)據(jù)采集設備存在下列缺點：安裝麻煩；價格昂貴；受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴展性差；在某些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，造成采集的數(shù)據(jù)失真。而當代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的發(fā)展規(guī)定數(shù)據(jù)采集卡含有更加好的數(shù)據(jù)采集、解決能力，傳統(tǒng)的

CPU

已經(jīng)不能滿足這一規(guī)定。針對以上規(guī)定，本文將敘述一種基于PC機的聲卡技術(shù)，它安裝容易，成本較低。只需運用計算機本身的軟硬件資源，而不需添加其它任何設備即可構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，使用MATIAB語言編制簡潔的圖形顧客界面，該界面操作方便，并且能夠根據(jù)顧客的需求進行功效擴充。數(shù)據(jù)分析在整個科研工作中是個重要的必不可少的環(huán)節(jié)，它的目的是把隱沒在一大批看來雜亂無章的數(shù)據(jù)中的信息集中、萃取和提煉出來，以找出所研究對象的內(nèi)在規(guī)律。在實用中，數(shù)據(jù)分析可協(xié)助人們作出判斷，方便采用適宜行動。數(shù)據(jù)分析是組織有目的地收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，使之成為信息的過程。這一過程是質(zhì)量管理體系的支持過程。在產(chǎn)品的整個壽命周期，涉及從市場調(diào)研到售后服務和最后處置的各個過程都需要適宜運用數(shù)據(jù)分析過程，以提高有效性。例如，一種的領(lǐng)導人要通過市場調(diào)查，分析所得數(shù)據(jù)以鑒定市場動向，從而制訂適宜的生產(chǎn)及銷售計劃。因此數(shù)據(jù)分析有極其廣泛的應用范疇。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)工作的質(zhì)量和速度如何，對整個科研工作的影響也是很大的。因此研究一種質(zhì)量性能高的通用數(shù)據(jù)采集平臺含有很大的意義。在近幾十年來

IC

技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，為數(shù)據(jù)采集與分析提供了非常良好與可靠的科學技術(shù)基礎(chǔ)，也提出了更高的規(guī)定和強有力的推動。如今面臨著先進的計算機技術(shù)和信息技術(shù)與落后的信息采集與分析技術(shù)的現(xiàn)實差距，那將大大影響科學技術(shù)的高度發(fā)展和生產(chǎn)過程的高度自動化。因此，近幾十年來世界各國都大量投入進行信息采集與分析的工作，特別是在發(fā)達的美、英、德、法日等國與我國，都對這一技術(shù)高度重視。1.2

國內(nèi)外研究動態(tài)

數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段，數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息科學的一種重要分支，與傳感器、信號測量與解決、微型計算機等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應用技術(shù)，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、解決及控制等作業(yè)，含有很強的實用性。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來越廣泛得應用，同時人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各項技術(shù)指標，如：采樣率、線性度、精度、輸入范疇、控制辦法以及抗干擾能力等提出了越來越高的規(guī)定，特別是精度和采樣率更是使用者和設計者所共同關(guān)注的重要問題，于是，高速及超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應運而生并且得到了快速發(fā)展。今天，數(shù)據(jù)采集技術(shù)己經(jīng)在雷達、通信、水聲、振開工程、無損監(jiān)測、智能儀器、工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應用并且收到了良好的效果。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國防、航天、邊沿科學研究中及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域的成功的應用，進一步引發(fā)了各方的關(guān)注，推動了它的研制和發(fā)展。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用?，F(xiàn)在，國外諸多公司與廠商都投入巨款進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制開發(fā)與生產(chǎn)銷售，其中比較知名的有

NEFF，

NI、HP，TEK

等。從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品來看，各大公司提供的系列產(chǎn)品都涉及了完畢數(shù)據(jù)采集的諸如信號放大、濾波、多路開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換和接口等多個模塊?，F(xiàn)有的高速數(shù)據(jù)采集器件和開發(fā)的產(chǎn)品中，現(xiàn)在還沒有完全實現(xiàn)高速、高分辨率。在雷達、通信、譜分析、瞬態(tài)分析、電視等應用領(lǐng)域，為滿足實時檢測和高速采集的日益更新的需要，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的高速、高分辨率已成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種發(fā)展方向?，F(xiàn)有的高速

ADC

器件和產(chǎn)品價格都比較昂貴，有些高速、高分辨率的器件本身還存在著不穩(wěn)定性，因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、高分辨率發(fā)展的同時，開發(fā)和研制的器件和產(chǎn)品應不停地提高可靠性，減少成本，提高性價比，方便使之得到更廣泛的應用。在國內(nèi)，由于、技術(shù)等因素，我們的產(chǎn)品普遍存在：通用性差、用途單一、測點少、測量距離小、環(huán)境適應性差等缺點，遠沒有形成系列化、模塊化、原則化的通用產(chǎn)品，根本無法滿足國內(nèi)顧客不停增加的需要，也遠遠不能與國外產(chǎn)品抗衡，正因此使得價格高昂的國外產(chǎn)品占有了相稱大的市場份額。1.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展

數(shù)據(jù)采集與分析始終是生產(chǎn)實踐研究與應用領(lǐng)域的一種熱點和難點。隨著微電子制造工藝水平的飛速提高及數(shù)據(jù)分析理論的進一步完善與成熟，現(xiàn)在國內(nèi)外對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高性能方面的研究上獲得了很大的成就。就

A/D

轉(zhuǎn)換的精度、速度和通道數(shù)來說，采樣通道從單通道發(fā)展到雙通道、多通道，采樣頻率、分辨率、精度逐步提高，為分析功效的加強提供了前提條件。而在數(shù)據(jù)分析的微解決器上，最初的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以

8

位單片機為核心，隨著微電子技術(shù)的不停發(fā)展，新興單片機的不停問世，十六位、三十二位單片機也為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制廠家所采用，近年來采用品有

DSP

功效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也己投入市場。同時，通用

PC

機的

CPU

用于數(shù)據(jù)解決也較為常見?？傊?，隨著著高性能微解決器的采用和顧客技術(shù)規(guī)定的不停提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功效也越來越完善。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展重要體現(xiàn)在下列幾個趨勢：首先，在專業(yè)測控方面，基于

PC

計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越成熟和智能化。在過去的二十年中，開放式架構(gòu)

PC

機的解決能力平均每十八個月就增強一倍。為了充足運用解決器速度的發(fā)展，當代開放式測量平臺結(jié)合了高速總線接口，如

PCI和

PXI/Compact

PCI，方便獲得性能的進一步提高。計算機的性能提高和由此引發(fā)的基于計算機的測量技術(shù)的創(chuàng)新，正在持續(xù)不停地含糊著傳統(tǒng)儀器和基于計算機的測量儀器之間的界限。另首先，在通用測控方面，采用嵌入式微解決器的方案也由早期的采用

A/D

器件和原則單片機構(gòu)成應用系統(tǒng)發(fā)展到在單芯片上實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集與分析，即現(xiàn)在極為熱門的

SOC

(System

On

Chip)。普通在一塊芯片上會集成一種，能夠采樣多路模擬信號的

A/D

轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和一種硬

CPU

核(例如增強型

80_52

內(nèi)核)，并且其CPU

的運算解決速度和性能也較早期的原則

CPU

內(nèi)核提高了數(shù)倍，并且有著極低的功耗。這種單芯片解決方案減少了系統(tǒng)的成本和設計的復雜性。另外，為理解決

SOC

方案中數(shù)據(jù)解決性能的局限性，采用

DSP

作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的

CPU

的研究與應用現(xiàn)在也逐步引發(fā)業(yè)內(nèi)重視。但是這類產(chǎn)品現(xiàn)在僅僅處在發(fā)展的初級階段，在精度、速度或其它性能指標上并不能較好的滿足規(guī)定。因此，國內(nèi)外以

DSP

作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣控制和分析運算的研究與應用正在展開。近年來隨著芯片技術(shù)、計算機技術(shù)和技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲得了許多新的技術(shù)成果，市場上推出了繁多的新產(chǎn)品。高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展首先是提高采集速率，另首先不停向兩端延伸。一端是輸入的信號調(diào)理，另一端是采集后的數(shù)字化信號的實時解決與事后解決。20世紀90年代末，隨著數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已向著并行、高速、大量存儲、實時分析解決、集成化等方向發(fā)展。(1)采樣方式①過采樣（Over

Sampling）。采樣方式中最早是過采樣，根據(jù)采樣定理，采樣頻率fs必須高于被采信號最高頻率fch的兩倍，才不致產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。例如信號最高頻率為10kHz，采樣頻率必須高于20kHz。②欠采樣（Under

Sampling）。在通信和動態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，發(fā)展了一種欠采樣技術(shù)，即采樣頻率fs能夠低于信號頻率fch，但信號的頻帶寬度不得不小于0.5fs，運用采樣信號產(chǎn)生的高次諧波，將采樣后的信號移至第二或者更高的奈奎斯特區(qū)。例如采樣頻率fs為10kHz，可對頻帶fch落于11～14kHz的信號(頻帶寬度為3kHz，低于0.5fs=5kHz)進行欠采樣。于是在采樣頻率2次諧波兩邊產(chǎn)生的采樣后的信號頻帶為f2ch

=

2fs±fch

=

20

kHz±(11～14

kHz)=

31～34

kHz，或9～6

kHz③等效時間采樣（Equivalent

Time

Sampling

）。重要是對于重復的周期波形進行等效時間采樣。例如美國泰克公司的TDS784D數(shù)字存儲示波器，其實際的采樣頻率為

1

GS/s

(

1GHz

)，對于重復的周期信號，采用周期微差法，能夠達成250GS/s(250GHz)的等效時間采樣。例如對于

1

GHz

的方波，進行周期微差法采樣，每個周期的采樣只有微小的時差，將若干個周期中的樣點集中排列，即可測出方波上升沿和下降沿的波形。對于單次瞬態(tài)信號，這種辦法是無效的。④變速率變分辨率采樣。(2)采集方式的發(fā)展①掃描式采集（Scanning

Acquisition）：時分制、多通道巡回采集。②并行式采集（Parallel

Acquisition)：多個通道同時并行采集，每個通道采用一種獨立的A/D轉(zhuǎn)換器，通道采集速率只取決于A/D的轉(zhuǎn)換速率，與通道數(shù)無關(guān)。③交替采集（Internative

Acquisition）：一種通道由多個A/D轉(zhuǎn)換器交替采集，使每個通道采樣速率等于多個A/D的轉(zhuǎn)換速率之和，能夠高于單個A/D的轉(zhuǎn)換速率。(3)采集數(shù)據(jù)的實時分析與解決軟件現(xiàn)在國外的測試儀器或系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，在生產(chǎn)硬件的同時，推出其對應的支持軟件或軟件開發(fā)平臺，如為產(chǎn)品開發(fā)者提供的軟件工具；為系統(tǒng)集成者提供系統(tǒng)應用軟件的集成的環(huán)境；為終端顧客提供編寫自己的顧客應用程序的手段。1.4

本文重要內(nèi)容和章節(jié)安排

本文完畢了一種基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案的設計，實現(xiàn)了在MATLAB環(huán)境下運用聲卡和MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱進行的數(shù)據(jù)采集與分析。全文的構(gòu)造安排以下：第一章

緒論，闡明了研究背景、意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀，以及系統(tǒng)的發(fā)呈現(xiàn)狀。第二章

重要介紹了系統(tǒng)構(gòu)造特點及性能第三章

重要介紹了聲卡、MATLAB軟件及其工具箱的使用第四章

重要討論了系統(tǒng)構(gòu)造功效設計與實現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)采集與分析的具體過程第五章

重要對數(shù)據(jù)采集進行了舉例

2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造特點

2.1

系統(tǒng)構(gòu)成構(gòu)造

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要由兩部分構(gòu)成：采集子系統(tǒng)和計算機子系統(tǒng)，即下位機智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機

HMI（Human

Machine

Interface）系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)實現(xiàn)將客觀世界被測對象信號采集和轉(zhuǎn)換為能被計算機解決的數(shù)字信號的功效等；計算機子系統(tǒng)實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的控制、存儲和解決等功效，計算機起著對采集數(shù)據(jù)的存儲和解決、統(tǒng)計分析、提供人機接口與其它計算機的數(shù)據(jù)通信和交換的功效。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學科，所研究的對象是物理或生物等多個非電或電信號。根據(jù)多個非電或電信號的特性，運用對應的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換為可真實反映事物特性的電信號后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計算機可識別的有限長二進制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學和實現(xiàn)工業(yè)實時控制的重要根據(jù)，實現(xiàn)對宏觀和微觀自然科學的量化認識，典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖2-1所示。圖2-1

典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成而普通的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造如圖2-2所示。模擬信號由傳感器采得通過信號調(diào)理模塊送入數(shù)據(jù)采集硬件設備。在數(shù)據(jù)采集設備中完畢A／D轉(zhuǎn)換，涉及采樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后送入與之相連的PC機中。根據(jù)不同的規(guī)定，在PC機上運用MATLAB以及二次編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時分析與解決。顧客能夠通過人機交互界面修改、設定各項參數(shù)來控制數(shù)據(jù)采集硬件設備的工作狀態(tài)，同時能夠得到數(shù)據(jù)的采集與分析成果，

從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析的自動化。圖2-2

普通的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造運用聲卡在WINDOWS環(huán)境下開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，由于受編程語言的限制，其數(shù)據(jù)分析與解決的功效非常有限。例如，為了對所采集的數(shù)據(jù)進行功率譜分析，則需要顧客以VB或C語言來編寫功率譜分析的子程序，這顯然增加了開發(fā)的難度，并且也極不利于分析功效的進一步擴展。而運用聲卡作為A／D轉(zhuǎn)換工具，通過衰減和取樣電路得到的模擬信號送至聲卡的線路輸入端LINEIN，并運用MATLAB中提供的數(shù)據(jù)采集工具箱，可滿足控制聲卡進行數(shù)據(jù)采集的規(guī)定。顧客通過調(diào)用MATLAB命令，

可對采集的數(shù)據(jù)進行分析和解決。整個系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大部分，以和諧的圖形界面與顧客進行交互溝通。數(shù)據(jù)采集部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功效，根據(jù)顧客選擇的采樣頻率和預設的采樣時間，從聲卡獲得顧客需要的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析部分對采集到的數(shù)據(jù)進行頻譜分析。全部數(shù)據(jù)的時域和頻域波形以圖形方式直觀地呈現(xiàn)于顧客面前。另外，還提供保存數(shù)據(jù)以及回放數(shù)據(jù)的功效。圖2-3給出了基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡圖，重要部件數(shù)據(jù)采集工具箱提供了硬件驅(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-文獻函數(shù)．圖2-3

基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡圖硬件驅(qū)動程序適配器在硬件驅(qū)動程序和數(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)采集引擎用來存儲各個設備對象，以及每個設備對象的屬性值；對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲并且使不同事件同時；M-文獻用來創(chuàng)立設備對象、采集或輸出數(shù)據(jù)、配備屬性值和檢測數(shù)據(jù)采集狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集設備。2.2

系統(tǒng)的特點和性能指標

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到今天，普通來說含有以下重要特點：（1）當代采集系統(tǒng)普通都由機控制，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。（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)設計的靈活性。（3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)解決互相結(jié)合的日益緊密，形成數(shù)據(jù)采集與解決系統(tǒng)，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、解決到控制的全部工作。（4）數(shù)據(jù)采集過程普通都含有“實時”特性，實時的原則是能滿足實際需要；對于通用采集系統(tǒng)普通但愿有盡量高的速度，以滿足更多的應用環(huán)境。（5）隨著技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高，甚至出現(xiàn)了單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（6）總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應用，總線技術(shù)它對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造的發(fā)展起著重要作用。評價一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能有諸多指標，但是普通采用下列幾個比較慣用的指標進行評價。（1）系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠分辨的輸入信號的最小變化量。普通能夠用以下幾個辦法表達系統(tǒng)分辨率：使用系統(tǒng)所采用的

A/D

轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表達系統(tǒng)分辨率；使用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)滿度值的比例表達系統(tǒng)分辨率；使用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值表達系統(tǒng)分辨率；使用滿度值能夠分的級數(shù)表達系統(tǒng)分辨率。（2）系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度是指當系統(tǒng)工作在額定采集速率下，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能達成的轉(zhuǎn)換精度。A/D

轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。事實上，系統(tǒng)精度往往達不到A/D

轉(zhuǎn)換器的精度。由于系統(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。只有當這些子系統(tǒng)的精度都明顯優(yōu)于

A/D

轉(zhuǎn)換器的精度時，系統(tǒng)精度才有可能達成

A/D

轉(zhuǎn)換器的精度。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)多個誤差的總和，普通表達為滿度值的百分數(shù)。（3）采集速率采集速率又稱為系統(tǒng)通過速率或吞吐率，是指在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入的模擬信號在單位時間內(nèi)所能完畢的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。這里說的“采集”涉及對被測物理量進行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲的全部過程。（4）動態(tài)范疇動態(tài)范疇是指某個擬定的物理量的變化范疇。信號的動態(tài)范疇是指信號的最大幅度和最小幅度之比的分貝數(shù)。2.3

系統(tǒng)常見的幾個構(gòu)造形式

（1）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)成以下圖所示，這種構(gòu)造形式采用分時轉(zhuǎn)換工作的方式，多路被測信號共用一種采樣/保持器和一種

A/D

轉(zhuǎn)換器。當采樣保持器的輸出已充足逼近輸入信號（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)進入保持狀態(tài)，A/D

轉(zhuǎn)換器開始進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)將下一路信號切換到采樣/保持器的輸入端，系統(tǒng)不停重復以上的操作，能夠?qū)崿F(xiàn)對多通道模擬信號的數(shù)據(jù)采集。采樣方式能夠按次序或隨機進行。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)構(gòu)造形式最簡樸，所用芯片數(shù)量少，合用于信號變化率不高、對采樣信號不規(guī)定同時的場合。如果被測信號變化速率較慢，能夠不用采樣保持器，直接進行

A/D

轉(zhuǎn)換。如果信號很弱而干擾噪聲強，需要在系統(tǒng)電路中增加信號放大電路和濾波環(huán)節(jié)。（2）多通道同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道同時型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖其構(gòu)造如上圖所示，也屬于分時轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。多路模擬輸入信號共用一種

A/D

轉(zhuǎn)換器，但是每個通道各有一種采樣/保持器，在同一采樣指令控制下對各路信號同時進行信號采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。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，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這些同時數(shù)據(jù)能夠描述各路信號的相位關(guān)系，因此這種構(gòu)造被稱為同時型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于各路信號必須串行的在共用的

A/D

轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換和計算，若采樣信號回路過多時，這種采集構(gòu)造的速度仍然較慢。（3）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)框圖如上圖所示。這種構(gòu)造形式中，每個通道都有自己的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，通過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過接口電路送到計算機中。相對于前兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種構(gòu)造形式的數(shù)據(jù)采集速度最快，但所用的硬件電路復雜，成本較高。通用型模擬量數(shù)據(jù)采集模塊則屬于這一類的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊是屬于單片機的智能器件，在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，每個模塊能夠認為是實時、并行地工作，每個模塊僅完畢幾路信號的檢測和采集，實時響應性能優(yōu)。（4）分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以上介紹的三種構(gòu)造形式中，系統(tǒng)各部件之間的空間距離很近，邏輯上耦合程度緊密，都能夠稱之為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是：構(gòu)造簡樸，容易實現(xiàn)，能滿足中小規(guī)模的集中數(shù)據(jù)采集的規(guī)定。在市面上都有成熟產(chǎn)品可供選用。系統(tǒng)的體積和設備量小，造價低。由于工作原理、構(gòu)造形式和性能設計等因素，這類系統(tǒng)也存在不少缺點：由于系統(tǒng)構(gòu)造不靈活，不易擴展，因此不適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集應用場合?？垢蓴_能力差，特別對于被測對象物理位置分散、傳感器輸出的微弱信號需要長距離傳輸時，所受的干擾不容無視的?？煽啃圆?。系統(tǒng)構(gòu)造中某一部件出現(xiàn)故障會造成整個系統(tǒng)工作崩潰。由于各部件之間緊密耦合，造成系統(tǒng)的可擴展性和靈活性差。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計算機技術(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”的思想設計的系統(tǒng)構(gòu)造形式，由若干個“數(shù)據(jù)采集點”和上位機以及通信接口構(gòu)成。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造以下圖所示：分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖處在分散部位的數(shù)據(jù)采集點相稱于小型的集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，位于被測對象的附近，可獨立完畢數(shù)據(jù)采集和預解決任務，并將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的形式傳送給上位機，采用數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓k法能夠克服模擬信號傳輸?shù)墓逃腥秉c。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要特點是：（1）系統(tǒng)適應能力強。由于能夠通過選用適宜數(shù)量的數(shù)據(jù)采集點來構(gòu)成對應規(guī)模的系統(tǒng),因此無論是大規(guī)模的系統(tǒng)，還是中小規(guī)模的系統(tǒng)，分布式構(gòu)造都能夠適應。（2）系統(tǒng)可靠性高。由于采用了多個數(shù)據(jù)采集點，若某個數(shù)據(jù)采集點出現(xiàn)故障，只會影響某項數(shù)據(jù)的采集，而不會對系統(tǒng)的其它部分造成任何影響。（3）系統(tǒng)實時對應性好。由于系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)采集點之間是真正“并行”工作的，因此系統(tǒng)的實時對應性較好。（4）另外，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是用數(shù)字信號傳輸替代模擬信號傳輸，有助于克服常模干擾和共模干擾。因此，這種系統(tǒng)特別適合于在惡劣的環(huán)境下工作?，F(xiàn)在對于大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集場合普通都采用分布式構(gòu)造，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集工作原理、構(gòu)造形式和性能特點，在本系統(tǒng)中采用集中式的數(shù)據(jù)采集器件作為數(shù)據(jù)采集終端，采用上下位的連接方式，最后構(gòu)成整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3

MATLAB軟件3.1

MATLAB

介紹

MATLAB

是美國MathWorks

公司開發(fā)的一種功效極其強大的高技術(shù)計算機語言和內(nèi)容極其豐富的軟件庫，它適合于工程各領(lǐng)域的分析設計與復雜計算的軟件，該軟件涉及基本部分和專業(yè)擴展兩大部分．擴展部分稱為工具箱，用于解決某首先的專業(yè)問題．它以矩陣和向量的運算以及運算成果的可視化為基礎(chǔ),把廣泛應用于各個學科領(lǐng)域的數(shù)值分析、矩陣計算、函數(shù)生成、信號解決、圖形及圖像解決、建模與仿真等諸多強大功效集成在一種便于顧客使用的交互式環(huán)境中,為使用者提供了一種高效的編程工具及豐富的算法資源。對于信號解決和圖像解決等數(shù)字解決領(lǐng)域,MATLAB

更是得天獨厚,它豐富的M文獻和強大的繪圖可視功效為使用者帶來了極大的方便,

被廣泛的應用于信號與圖像解決、控制系統(tǒng)設計、通信、系統(tǒng)仿真等諸多領(lǐng)域，特別對初學者可起到事半功倍之效。MATLAB是一種解釋語言，全部的程序和指令都必須在MATLAB解釋器中讀入后才干運行，因而極大地限制了代碼執(zhí)行速度。MATLAB強大的計算功效只能在其平臺上才干使用，也就是說，必需在安裝了其解釋器的機器上才干使用MATLAB的M文獻，這樣就給工程應用帶來了很大不便。對于普通顧客來講，MATLAB只能作為離線的計算和分析工具，而不能作為實時的工程工具。幸運的是，開發(fā)MATLAB的MathWorks公司為廣大的應用者提供了應用程序接口(API，ApplicationProgram

Interface)和編譯器(Compiler)。運用MATLAB和C語言交互，也能夠開發(fā)基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如果配上數(shù)據(jù)采集線路，該系統(tǒng)就能夠作為一種虛擬儀器來使用。3.2

數(shù)據(jù)采集工具箱及聲卡介紹

MATLAB

自帶的數(shù)據(jù)采集工具箱(Data

Acquisitiontoolbox,

DAQ)

能更容易地將實驗測得的數(shù)據(jù)進行分析和可視化操作。數(shù)據(jù)采集設備涉及:

多媒體聲卡、美國國家儀器E系列和1200

系列接口板、Hewlett-Packard-VXIE1432-

系列接口板及其它多個數(shù)據(jù)采集硬件設備。數(shù)據(jù)采集硬件設備的內(nèi)部特性對MATLAB

的接口完全透明,

無論是使用一種或幾個硬件設備,

數(shù)據(jù)采集工具箱都會向全部硬件設備提供單一和統(tǒng)一的接口。通過調(diào)用MATLAB

命令和函數(shù)可對與計算機兼容的數(shù)據(jù)采集硬件設備進行訪問并對其屬性進行可視化監(jiān)控。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)文獻和MEX動態(tài)鏈接庫文獻的集合，包含3大區(qū)域的組件：M文獻函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎及硬件驅(qū)動適配器。它含有以下特點：是一種通過使用與PC機兼容的、即插即用的數(shù)據(jù)采集設備在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)還涉及同時模擬輸入輸出的轉(zhuǎn)換；支持聲卡；事件驅(qū)動采集。在MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱里集成了數(shù)據(jù)采集的M

文獻格式的函數(shù)和MEX文獻格式的動態(tài)鏈接庫。其重要特性以下：(1)提供了將實時測量數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集硬件采集到MATLAB中的框架。(2)支持模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(A0)以及數(shù)字量I／0子系統(tǒng)，涉及模擬量I／O實時變換。(3)支持PC聲卡和業(yè)界非常流行的數(shù)據(jù)采集設備如NI卡、并行口(LPT1-LPT3)、Keithley卡等。(4)采用事件驅(qū)動模式進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集工具箱由3部分構(gòu)成：M文獻格式的函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎和硬件驅(qū)動，如圖3-1所示。這些構(gòu)成部分使得MATLAB與數(shù)據(jù)采集硬件之間的信息傳遞成為可能。圖3-1

數(shù)據(jù)采集引擎與硬件驅(qū)動現(xiàn)在市面上的數(shù)據(jù)采集卡普通都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與機的接口電路,如NI公司的E系列數(shù)據(jù)采集卡、研華的數(shù)據(jù)采集卡等,

其價格是與性能成正比的,能夠說比較昂貴。在采樣頻率規(guī)定不高的狀況下,能夠運用計算機的聲卡作為數(shù)據(jù)采集的輸入和輸出。而如今聲卡技術(shù)已經(jīng)成熟,成本越來越低。普通的聲卡都能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道、16

位、高保真的數(shù)據(jù)采集,采樣率甚至能夠達成48KHz。對于許多實驗和工程測量來說,其樣本量化精度和采樣率是足夠高的,甚至優(yōu)于現(xiàn)在慣用數(shù)據(jù)采集卡的性能。將其用于數(shù)據(jù)采集,性價比相稱高。聲卡是一種非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng),其數(shù)字信號解決器涉及模數(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)換率達成44.1KHz。聲卡已成為多媒體計算機的一種原則配備,運用聲卡進行采樣與輸出,就不需要購置專門的采集卡能夠減少虛擬儀器的開發(fā)成本,且在音頻范疇內(nèi)能夠完全滿足實驗規(guī)定。3.3

MATLAB在數(shù)據(jù)采集中的應用

數(shù)據(jù)采集工具箱集成于MATLAB中，因此在進行數(shù)據(jù)采集的同時，能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行實時分析，或者存儲后再進行解決，或者針對數(shù)據(jù)分析的需要對測試條件的設立進行不停的更新。應用數(shù)據(jù)采集工具箱提供的命令和函數(shù)能夠控制任何類型的數(shù)據(jù)采集。例如，在硬件設備運行時，能夠獲取事件信息，評定采集狀態(tài)，定義觸發(fā)器和回訪狀態(tài)，預覽數(shù)據(jù)以及進行實時分析，能夠設立和顯示全部的硬件特性以滿足顧客的技術(shù)指標。4系統(tǒng)設計方案

聲音信號的采集與分析解決在工程應用中是經(jīng)常需要解決的問題,如何實時采集聲音信號并對其分析解決,從而找出聲音信號的特性在科學研究中是一項非常故意義的工作。聲卡是多媒體計算機系統(tǒng)中最基本、最慣用的硬件之一,其技術(shù)已經(jīng)成熟,它含有AD/DA轉(zhuǎn)換功效,現(xiàn)已被廣泛應用于聲音信號采集和虛擬儀器系統(tǒng)的設計。MATLAB則是一種功效強大、計算效率高、交互性好的數(shù)學計算和可視化計算機高級語言,它將數(shù)值分析、信號采集與解決和圖形顯示有機地融為一體,形成了一種極其方便、顧客界面和諧的操作環(huán)境。本文所設計的聲音信號采集與分析系統(tǒng)就是充足運用了聲卡的AD/DA轉(zhuǎn)換功效和MATLAB強大的數(shù)據(jù)解決功效,同時,該系統(tǒng)還是建立在MATLAB軟件的圖形界面實現(xiàn)的,因而使系統(tǒng)含有良好的交互性?；谟嬎銠C聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有下列特點：（1）價格低廉。在數(shù)據(jù)采集時，所要采用的是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對于某些應用場合，能夠運用計算機上所附帶的聲卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務。（2）靈活性強。顧客不僅能夠進行實時監(jiān)視和控制操作，還能夠把數(shù)據(jù)保存到硬盤，供后來分析使用。在CPU足夠快的條件下，還能夠?qū)崟r解決數(shù)據(jù)，動態(tài)顯示波形的頻譜、功率譜。另外在一臺計算機上，能夠插若干塊聲卡，構(gòu)成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（3）頻率范疇較窄，不能測直流。由于受聲卡的硬件限制，要得到較好的波形，輸入信號的頻率最佳在100Hz～15kHz范疇內(nèi)。總之，運用便宜的聲卡，構(gòu)成一種較高的采樣精度，中檔采樣頻率，且含有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對于某些應用領(lǐng)域是一種較好的選擇。4.1

系統(tǒng)構(gòu)造設計

MATLAB提供了一種數(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機兼容的數(shù)據(jù)采集設備進行數(shù)據(jù)采集,因此,運用MATLAB的這一工具箱便可進行聲音信號的采集。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,就能夠?qū)⒉杉降穆曇粜盘柗謩e進行頻譜、功率譜分析等多個譜分析。因此,在MATLAB中能夠很容易地實現(xiàn)信號采集與分析解決工作。

圖4-1系統(tǒng)實現(xiàn)的總體框圖

從系統(tǒng)框圖上看,整個系統(tǒng)構(gòu)造簡樸,并且數(shù)據(jù)的后續(xù)分析方便,不需要再進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移,而直接在MATLAB軟件中完畢分析解決工作。在該系統(tǒng)中,從硬件上來講,只需必要的信號預解決電路和一臺普通的多媒體計算機(或筆記本電腦)即可;從軟件上來講,則只需使用本文中所編制的程序,便可從聲卡獲取數(shù)據(jù)并保存為文獻,然后再可根據(jù)實際需要進行數(shù)據(jù)分析解決。4.2

系統(tǒng)功效設計

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大部分構(gòu)成,數(shù)據(jù)采集部分是實現(xiàn)信號采集功效,根據(jù)顧客選擇的采樣頻率和預設的采樣樣本數(shù)從聲卡獲得顧客需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析部分重要實現(xiàn)下列功效:(1)從信號采集部分獲取數(shù)據(jù),或者從數(shù)據(jù)文獻讀取數(shù)據(jù);(2)實現(xiàn)將采集到的聲音信號數(shù)據(jù)進行頻譜分析,畫出頻譜圖以圖形方式很直觀地反映出信號特性;(3)保存數(shù)據(jù),涉及保存全部數(shù)據(jù)和部分數(shù)據(jù)的功效,同時保存對應的頻譜數(shù)據(jù);(4)顯示聲音信號數(shù)據(jù)的時域圖和頻譜圖;(5)其它功效。根據(jù)不同的需要,還能夠進行修改,以選擇適宜的實驗方案。4.3

系統(tǒng)設計實現(xiàn)

聲音信號采集功效的實現(xiàn)是由MATLAB控制計算機聲卡將傳感器得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在計算機中;而信號分析功效是將采集得到的數(shù)據(jù)進行時、頻域分析和各項數(shù)值分析等。整個系統(tǒng)設計重要涉及系統(tǒng)的硬件配備、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)的界面設計四部分。4.3.1

聲音信號采集的硬件配備

將聲卡插入計算機的PCI插槽,安裝好對應的驅(qū)動程序后,將聲音傳感器設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備,需要注意的是對聲音傳感器的選擇,應選擇音頻專用電纜或屏蔽電纜以減小噪聲信號的引入,最佳能選擇單向性聲音傳感器。在MATLAB的信號采集工具箱中有專門為聲卡生成一種操作對象的函數(shù),初始化該操作對象即能建立MATLAB與聲卡的通信,并為已創(chuàng)立的聲卡設備對象增加數(shù)據(jù)采集通道和觸發(fā)方式。若缺省設立則系統(tǒng)采用一種數(shù)據(jù)通道、手動觸發(fā)方式啟開工作。進行數(shù)據(jù)采集時,根據(jù)所配備的聲卡的工作特性和信號分析的設計規(guī)定,可設立對應的參數(shù)來控制聲卡在數(shù)據(jù)采集時的行為,如采樣頻率、采樣時間、預計模擬信號的輸入/輸出范疇、采樣的出發(fā)方式,采樣點數(shù)據(jù)的存儲等。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,實際應用中能夠根據(jù)狀況選擇一種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。聲音信號采集硬件配備的具體實現(xiàn)過程:sound=analoginput(‘winsound’);%

‘winsound’為聲卡的驅(qū)動程序channel=addchannel(sound,1);%

添加通道為單聲道set(sound,

‘SampleRate’,44100);%

設立采樣頻率為44100Hzset(sound,

‘SamplesPerTrigger’,22050);%

設立采樣時間為0.5sset(sound,

‘TriggerType’,

‘manual’);%

設立觸發(fā)方式為手工觸發(fā)...%

其它的有關(guān)設立4.3.2

數(shù)據(jù)采集

啟動設備對象,控制聲卡開始采集數(shù)據(jù),采集過程中能夠向聲卡發(fā)送控制命令,如暫停采集、退出采集等。采集到的數(shù)據(jù)被臨時寄存在計算機的內(nèi)存中,理論上可采集的最大數(shù)據(jù)量是由計算機的內(nèi)存量所決定的。同時,

MATLAB能夠統(tǒng)計采集設備的硬件屬性、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統(tǒng)計下來供后續(xù)工作。需要注意的是,執(zhí)行完一次數(shù)據(jù)采集工作后應刪除設備對象,將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲在硬盤上之后釋放數(shù)據(jù)存儲所占用的內(nèi)存空間,以備下一次采集能有足夠的內(nèi)存空間存儲新的數(shù)據(jù)，聲音信號采集的實現(xiàn)程序為:start(sound);%

啟動設備對象trytime=0;data=0;[data,time]=getdata(sound);%

獲取采樣數(shù)據(jù)catchtime=0;data=0;disp(‘A

timeout

occurred’);endstop(sound);%

停止設備對象delete(sound);%

刪除設備對象4.3.3

數(shù)據(jù)分析

在設計該部分時,不僅規(guī)定實現(xiàn)能從數(shù)據(jù)采集部分直接獲取數(shù)據(jù),還需實現(xiàn)能從文獻中讀取以前所保持好的數(shù)據(jù)。之后,顧客能夠根據(jù)實際研究的需要,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),就能夠?qū)⒉杉降穆曇粜盘柗謩e進行頻譜、功率譜分析等多個譜分析,并且可方便地將分析成果以圖形的形式顯示出來,如圖4-2所示。在研究蛋殼破損自動檢測過程中,通過對所采集的蛋殼聲音信號進行頻譜分析,找出辨別損殼蛋與好殼蛋的特性變量,從而實現(xiàn)蛋殼破損的自動檢測。對所采集的聲音信號進行頻譜分析的程序為:...%

獲取采樣數(shù)據(jù)Px=abs(fft(data,512))

2/512;%

對所采集的數(shù)據(jù)進行傅立葉變換px=Px(1:256);s=60+10*log10(px);...%

其它功效圖4-2

聲音信號的采集與頻譜分析4.3.4

系統(tǒng)界面設計

運用MATLAB軟件中GUI模塊進行設計,在MATLAB中能夠方便地設計出基于對話框的圖形顧客界面,它提供了諸如編輯框、按鈕、滾動條等圖形對象,通過對這些圖形對象的有機組合,再對對應的圖形對象編寫程序,就能夠設計出界面和諧、操作方便的系統(tǒng)軟件。圖4-2所示為聲音信號采集與頻譜分析系統(tǒng)的運行界面,還可再根據(jù)實際需要進行擴展。建立基于聲卡和MATLAB的信號采集與分析系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)信號采集、設備控制、數(shù)據(jù)分析以及成果顯示等功效。實踐證明該系統(tǒng)含有精度高、實時性好、性價比高、人機界面和諧、升級修改簡樸等優(yōu)點。在進行項目研究過程中,經(jīng)常需要進行多次實驗,采集大量的數(shù)據(jù),并且規(guī)定對數(shù)據(jù)能實時地進行分析解決,該系統(tǒng)能較好地滿足這種研究需要。另外,這一系統(tǒng)還能夠擴展應用到其它有關(guān)的領(lǐng)域中,如在語音識別工作中能夠用該系統(tǒng)采集語音信號并且加入語音解決的有關(guān)分析等。因此,該系統(tǒng)不僅含有良好的實用性,還可為其它的有關(guān)研究提供理論和應用基礎(chǔ)。語音信號分析解決系統(tǒng)普通由聲電傳感器(麥克風)

、數(shù)據(jù)采集卡、解決器(計算機)

、軟件系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。商品數(shù)據(jù)采集卡(A/

D

板)

都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和計算機接口電路,并同時提供驅(qū)動程序,產(chǎn)品和種類繁多,性能價格各異,價格普通都比較貴。PC

機的聲卡本身就是一種便宜同時又非常優(yōu)秀的語音信號采集系統(tǒng),它采用直接內(nèi)存讀取方式傳輸數(shù)據(jù),極大地減少了CPU

的占用率;不僅如此,聲卡16

位的A/

D

轉(zhuǎn)換精度比普通16

位A/

D

卡要高,能夠滿足語音信號采集分析規(guī)定。5

應用設計

一、

對聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對象(AI)

進行操作聲卡是MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱所支持的一種硬件，用聲卡完畢一種簡樸的數(shù)據(jù)采集過程，麥克風就成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器．1)創(chuàng)立設備對象，這里創(chuàng)立的是一種聲卡AI設備對象，硬件設備標示符為2．a(chǎn)i=analoginput(‘winsound’,2)；2)給設備對象添加通道，這里添加1個通道．a(chǎn)ddchannel(ai,1)；3)設定設備屬性值，控制數(shù)據(jù)采集．freq=8

000；

＼采樣頻率8

000

Hzset(AI，SampleRate．freq)duration=2；

＼采樣時間2

sset(AI，SamplesPerTrigger,duration*freq)；4)數(shù)據(jù)采集及成果解決．在這里首先將所采集到的數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換，然后轉(zhuǎn)化成分貝，并顯示成果的實數(shù)部分．start(ai)；data=getdata(ai)；fftdata=

abs(fft(data))；mag

=20*logl0(fftdata)；mag=

mag(1：end／2)；5)去除內(nèi)存中的設備對象．delete(ai)；clear

ai；圖5-1

采樣過程中沒有對麥克風講話圖5-2

采樣過程中對麥克風講話成果分析：圖5-1是在采樣過程中打開麥克風，但是沒有對麥克風講話的成果(對不同品牌、質(zhì)量的聲卡，成果可能有所不同)，圖5-2是在采樣的過程中對麥克風講話的成果．能夠看出，講話與否(傳感器感受端的變化)變化了所采集到的數(shù)據(jù)的成果．二、

直接運用MATLAB數(shù)據(jù)采集箱中提供的函數(shù)命令進行采集普通的采樣過程是對聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對象(AI)

進行操作的,由于機配備和模擬通道的運用使得數(shù)據(jù)采集過程顯得煩瑣難以理解,有時還不易獲得采樣數(shù)據(jù)。實驗過程發(fā)現(xiàn)一種更為簡樸實用的辦