中国计量学院开放实验项目申请表20110607.doc

附件1中国计量学院开放实验项目申请表项目名称一种基于声卡和MATLAB的信号采集和分析系统的研制申请人王颖专业班级09测控3班联系电放实验项目类型（）程序开发类 （）人文创新实践类 （） 实物制作类项目开展所在实验室名称及地址光电传感技术实验室 仰仪北楼205实验室负责人孔明项目组成员姓名班级项目分工联系电话刘云飞09测控3班数据分析系统设俊逸09测控3班数据采集分析界面设宵09测控3班系统测导教师姓名职称部门专业领域联系电话陈爱军讲师计测学院信号分析与处究时间2011年6月1日 2012年5月31日实验室意见 主任签字： 年 月 日所在学院、部门意见 签章： 年 月 日学校审核意见签章： 年 月 日项目可行性方案一、项目研究意义及其在学生专业能力培养中的作用声卡同时具有A/D和D/A转换功能,将该卡作为数据采集的A/D转换装置无疑是一个经济而又方便的选择。文献1利用sound blaster声卡在windows环境下成功地开发了一个数据采集系统,但该系统的功能由于受编程语言的限制，其数据分析与处理的功能非常有限。例如，为了对所采集的数据进行功率谱分析，则需要用户以VB或C语言来编写功率谱分析的子程序，这显然增加了开发以声卡为数据采集硬件的数据采集系统的难度 ，并且也极不利于分析功能的进一步扩展。MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，它的信号处理与分析工具箱为动态数据分析提供了十分丰富的函数 ，利用这些函数可以快捷而又方便地完成动态数据分析。而它的数据采集工具箱(DAQ Toolbox)为在 MATLAB中实现数据采集提供十分方便的数据采集函数。在MATLAB环境中，利用这些函数可以快捷地构造出数据采集系统，实现对外部物理世界和生产过程信号的实时信号采集。由该系统采集的物理信号可以作为变量直接存入MATLAB的工作空间，也可以作为数据文件直接写入数据文件。对存入MATLAB工作空间的物理信号变量，利用MATLAB中信号处理与分析工具箱的信号分析处理函数，而无需对大量的常用信号处理算法进行编程 ，即可方便快捷地完成对信号的动态分析。在设计的基础上，通过进一步的MATLAB编程或硬件上的改进和扩展，可以实现一些常规仪器设备不能产生的信号，这在实际应用中具有广泛的推广应用前景。另外，用话筒和 PC机声卡实现语音信号采集，用PC机和MATLAB构成语音信号分析处理的软硬件环境，是一个廉价而且性能优越的系统，是语音数字处理领域科学研究 ，特别是非实时处理及教育教学的优秀方案，值得推广。这个项目不但可以培养学生动手操作实验的能力，还能在一定程度上加深对信号分析的了解，以及对MATLAB软件的熟练操作和编程。二、项目研究目标一般的声卡都可以实现双通道、16 位、采样率44kHz的模数和数模转换，完成数据采集。对许多物理试验和工程测量来说，其量化精度和采样率是足够的，甚至优于目前常用数据采集卡的性能. Mat lab 是 MathWorks 公司推出的一种面向工程和科学运算的交互式计算软件，它提供了基于矩阵数据结构的科学计算、 绘图、 仿真、 信号处理和分析等功能. 其5.3及以上版本中含有数据采集工具箱， 提供了对硬件数据采集卡的强有力的支持，如声卡、 串并接口以及其他数据采集设备如美国国家仪器接口板等. 这样便可以用Mat lab 结合声卡组成一个方便而性能优越的数据采集系统4-7。由于硬件部分采用现成的计算机声卡， 整个系统的开发时间可以节省很多， 因此，主要的工作就是使用Mat lab 编写相应的数据获取软件部分。在 MATLAB环境下 ，利用Daq toolbox和图形用户接口建立基于声卡的虚拟仪器是可行的 ，该虚拟仪器的硬件价格便宜 ，由于笔记本电脑都配置声卡 ，这样在笔记本电脑中无需添加任何硬件。可构造出一个双通道实用虚拟仪器 ，其分析功能可以按实际需要进一步扩充。由于 MATLAB中含有许多的信号分析和统计分析函数 ，对从声卡采集到的数据可以作更多的分析处理 ，以适应各种信号分析的实际需要。声卡不仅提供 A/ D 转换的功能 ，同时还具备 D/ A 输出功能 ，因此 ，利用声卡还可以形成闭环控制回路 ，实现对过程的实时控制。三、项目主要内容、难点、创新点数据采集系统的主要任务是对生产或试验现场的各种参数做模拟量到计算机可接受的数字序列的变换，然后送入计算机，针对不同的需要由计算机做相应的计算和处理，得到期望的数据。目前市面上的数据采集卡一般都包含了完整的数据采集电路和与计算机的接口电路，其价格是与性能成正比的，可以说比较昂贵。 信号采集是将预处理以后的模拟电信号转变为数字信号， 存到指定的地方。核心器件是A/ D 转换器， 其技术参数主要有分辨率和转换时间两项: 分辨率是用来表示转换微小输入量变化的敏感程度， 用数字量的位数来表示， 如8 位、12 位、16 位等; 转换时间是指A/ D 转换的工作时间， 其倒数对应所能转换的最高信号频率。目前正在使用的大多数信号分析设备均采用12 位的A/ D 转换器；信号处理系统的性能指标与信号采集装置有密切关系。而用于信号特性分析的设备则种类繁多， 有作专项分析用的计数器、频谱分析仪、相关分析仪、概率密度分析仪、FFT 分析仪、传递函数分析仪等， 还有可以作多项综合分析用的信号处理机和数字信号处理系统。在这里提出一种简单、方便、经济的信号采集和分析方法：充分利用声卡的AD/ DA 转换功能和MATLAB 强大的数据处理功能，同时通过建立在MATLAB 软件的图形界面(Graphical User Interfaces ，GUI) 实现具有良好的交互性的声音信号采集与分析系统。声卡是多媒体计算机系统中最基本、最常用的硬件之一，其技术发展已经成熟，它具有AD/ DA 转换功能，现已被广泛应用于声音信号采集和虚拟仪器系统的设计。声卡的结构框图如图1 所示。其工作原理比较简单， 模拟信号从话筒或线路输入， A/ D 转换后由数字信号处理(DSP) 芯片压缩处理以数字文件存入硬盘。重放音时， 将声音文件从硬盘取出， 经过D/ A转换成模拟信号， 合成放大， 驱动扬声器发声。声音处理芯片codec( 即多媒体数字信号编解码器) 含有16 位A/ D， D/ A 转换器， 通过对音频信号转换、控制、加工、处理， 获取较理想的音响效果。本文提出的简单、经济的信号采集方法正是利用声卡的A/ D 转换工作原理和WINDOWS95/ 98系统录音机资源来采集两个通道的动态信号。图1 声卡的结构框图MATLAB 是美国MathWorks 公司开发的一种功能极其强大的高技术计算机语言和内容极其丰富的软件库。它以矩阵和向量的运算以及运算结果的可视化为基础，把广泛应用于各个学科领域的数值分析、矩阵计算、函数生成、信号处理、图形及图像处理、建模与仿真等诸多强大功能集成在一个便于用户使用的交互式环境中，为使用者提供了一个高效的编程工具及丰富的算法资源。同时，MATLAB 还是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，它的信号处理与分析工具箱为动态数据分析提供了十分丰富的函数，利用这些函数可以快捷而又方便地完成动态数据分析。而它的数据采集工具箱(DAQ Toolbox) 为在MATLAB 中实现数据采集提供十分方便的数据采集函数。在MATLAB 环境中，利用这些函数可以快捷地构造出数据采集系统，实现对外部物理世界和生产过程信号的实时信号采集。由该系统采集的物理信号可以作为变量直接存入MATLAB 的工作空间，也可以作为数据文件直接写入数据文件。对存入MATLAB 工作空间的物理信号变量，利用MATLAB 中信号处理与分析工具箱的信号分析处理函数，而无需对大量的常用信号处理算法进行编程，即可方便快捷地完成对信号的动态分析。在MATLAB 环境下，为了方便对采集信号的常规动态分析，利用MATLAB 中的图形用户接口工具箱，可以轻松地构造一个类似Windows 的图形操作界面。通过该图形窗口即可实现一个虚拟的双通道动态数据分析仪。1、项目主要内容（1）需求收集和分析，完成系统的基本设计。项目实施前期充分掌握声卡的结构及工作原理，MATLAB数据采集工具箱(DAQ Toolbox) 和信号处理与分析工具箱各工具的功能用法，仔细分析基于声卡和MATLAB 的信号采集和分析的方法的需求，在此基础上设计基于声卡和MATLAB 的信号采集和分析的系统，使其能实现简单、方便、经济的信号采集与分析。（2）系统结构和功能设计。综合考虑声卡和MATLAB各自的功能，设计出能满足信号采集和分析功能，并且方便实用的系统。系统结构框图如图2所示。对于系统功能的设计，整个系统可大致分为数据采集和数据分析两大部分，以友好的图形界面与用户进行交互沟通。数据采集部分实现数据采集功能，根据用户选择的采样频率和预设的采样时间从声卡获得用户需要的数据。并且，采集到的数据及其频谱图以图形方式很直观的呈现于用户面前，用户可以据此对实验方案细节做一些适时的变化。此外，还应提供保存数据以及转到数据分析部分的功能。数据分析部分实现以下功能：从数据采集部分获取数据，或者从数据文件读取数据;保存数据，包括保存所有数据和部分数据的功能，同时保存对应的频谱数据;显示全部数据的时域图和频谱图;对数据做局部分析，包括分时段的分析和分频段的分析;其他功能。整个系统要求操作简单明了，稳健性强。图2 系统组成框图（3）系统的实现1）借用声卡在MATLAB的基础上设计数据采样系统图3 给出了基于MATLAB 的数据采集系统的简图， 主要部件数据采集工具箱提供了硬件驱动程序和MATLAB 环境之间/ 对话0所需的硬件驱动程序适配器、数据采集引擎和M-文件函数。硬件驱动程序适配器在硬件驱动程序和数据采集引擎之间交换属性数值、数据和事件; 数据采集引擎用来存储各个设备对象， 以及每个设备对象的属性值; 对采集到的数据进行存储并且使不同事件同步;M- 文件用来创建设备对象、采集或输出数据、配置属性值和检测数据采集状态和数据采集设备。声卡是MATLAB数据采集工具箱所支持的一种硬件，用声卡完成一个简单的数据采集过程，麦克风就成了数据采集系统中的传感器。创建设备对象；给设备对象添加通道；设定设备属性值，控制数据采集；数据采集及结果处理。清除内存中的设备对象.图3 基于MATLAB的数据采集系统简图2）利用MATLAB进行数据分析MATLAB中用于信号分析和处理的工具箱有: 系统时域辨别、系统频域辨别、数值分析和统计、数理统计等工具箱。傅里叶级数、傅里叶变换以及它们相应的离散时域分析， 构成了信号处理的基础， 为了便于这类问题的分析， MATLAB 提供了函数FFT ( 快速傅里叶变换) 、IFFT ( 逆快速傅里叶变换) 、FFT2( 二维快速傅里叶变换) 、IFFT2( 逆二维快速傅里叶变换) 以及FFT SHIFT ( 把FFT 结果平移到负频率轴上) 等，这类函数集执行一维和二维离散傅里叶变换及其逆变换。这些函数可以完成很多信号处理任务。除此之外， 还可在可选的信号处理工具箱中得到其他扩展的信号处理工具。首先，将随时间变化的力、位移、时间变化的电压信号， 并将其降压处理， 使其变化范围在-1+1V之间以满足声卡的输入要求， 然后就可以将两路信号直接接到声卡的LINE IN 插口， 利用WINDOWS95/98 系统提供的录音机资源录取声音信号( 为提高信号的采样频率， 可对录音机属性进行必要的设置) ， 并将其存盘。然后， 它可以将录取的声音文件变换为离散的数据文件，然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据文件， 如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放等。图4 信号采集与处理过程图3）软件及数据采集分析界面设计。本系统的软件设计拟使用面向对象的程序设计方法。图5给出整个程序的模块构成图。图5 程序模块构成图数据采集分析界面设计拟采用GUI设计工具。GUIDE 是一个专用于G U I 程序设计的向导设计器。而GUI 是由各种图形对象，如图形窗口、图轴、菜单、按钮、文本框等构建的用户界面，是人机交互的有效工具和方法， 通过GUIDE 可以很方便地设计出各种符合要求的图形用户界面。用户可以根据界面提示完成整个工程，却不必去了解工程内部是如何工作的。GUI设计既可以基本的MATLAB程序设计为主，也可以鼠标为主利用GUIDE工具进行设计，也可综合以上两种方法进行设计。调用GUIDE的方法有2 种，在MATLAB 主菜单中点击File 菜单的New子菜单种选择 GUI 选项，或在MATLAB命令窗口中输入guide 命令， 即可打开一个可编辑的新窗口。在新窗口中有界面设计需要用到的工具，如：属性编辑器（properties insepector）、控件布置编辑器(alignment objects)、菜单编辑器(menu editor)、对象浏览器(objectbrowser)、网格标尺设置编辑器(grid andrulers)以及GUI 应用属性设置编辑器(guide application options)。利用这些工具就可以设计出需要的图形操作界面。（4）系统试验及结果分析试用数据采集系统，将声音信号用导线输入到PC机声卡的LINE IN 中。在MATLAB环境下，运用相关的信号分析处理工具编程对音频信号进行分析处理得到一定的时域图和频谱图。参照各频谱图对信号的频率，幅值等各参数做进一步的分析处理。从而验证我们所研制的基于声卡和MATLAB 的信号采集和分析系统。针对试验过程中出现的问题，提出一些解决措施，以便更好的完善我们的系统。2、项目实施过程中需要解决以下几个难点：（1） 如何打破用声卡采集数据时信号幅度和频率的局限（2） 利用声卡在环境下开发数据采集系统时， 由于受编程语言的限制， 其数据分析与处理的功能非常有限。例如， 为了对所采集的数据进行功率谱分析， 则需要用户以或语言来编写功率谱分析的子程序， 这显然增加了开发的难度， 并且也极不利于分析功能的进一步扩展。（3） 如何运用编程实现对采集数据的分析与处理（4） 针对系统不同的适用场合设计相应的数据采集分析界面3、项目的创新点（1） 本文所设计的声音信号采集与分析系统就是充分利用了声卡的AD/ DA 转换功能和MATLAB 强大的数据处理功能，同时，该系统还是建立在MATLAB 软件的图形界面(Graphical User Interfaces ，GUI) 实现的，因而使系统具有良好的交互性。（2） 数据采集分析界面设计拟采用GUI 设计工具。GUI 是由各种图形对象，如图形窗口、图轴、菜单、按钮、文本框等构建的用户界面，是人机交互的有效工具和方法， 通过GUIDE 可以很方便地设计出各种符合要求的图形用户界面。 用户可以根据界面提示完成整个工程，却不必去了解工程内部是如何工作的。四、项目方案设计声卡同时具有A/ D 和D/ A 转换功能，将该卡作为数据采集的A/ D 转换装置无疑是一个经济而又方便的选择。且已有利用其他程序软件进行项目研究的前例，同时考虑到MATLAB强大的信号处理功能，因此利用 MATLAB中丰富的数据分析和处理功能，开发一个利用声卡作为A/ D转换装置的数据采集和动态信号分析处理系统非常实用便捷。1、数据采集1）初始化。首先要对声卡产生一个模拟输入对象AI。 ai = analoginput （winsound）; 2) 配置。给AI 对象添加通道 ，设置采样频率。 addchannel (ai,1); %添加通道 Fs = 8000 ; %采样频率设置为8Khz ai. SampleRate = Fs ; %设置采样频率 3) 采样。启动设备对象 ，开始采集数据。 t = 2s ; %设定采样时间 start (ai) ; %启动设备对象 data = get (ai ,t 3fs) ; %获得采样数据 4) 终止。停止对象并删除对象，清空数据。 stop (ai) ; delete (ai) ; Clear（ai） ；这样便完成了一次完整的数据采集过程，实现了信息从信号源到计算机内部的传输。要注意的是， 采样频率和采样时间都是由用户输入的。2、数据显示打开MATLAB，在命令窗口输入guide 命令启动其GUI(用户界面接口)，新建一个空白的fig文件，进行界面设计。从声卡获得拾振器输出的数据，数据显示把采集到的数据实时显示在坐标上和编辑框里。同时，利用MATLAB绘制采集数据的时域与频域波形。 3、数据分析利用atlab的图形用户接口，通过数据采集的编程将信号发生器产生的各种信号用导线输入到声卡的中，运行上述作图程序，即可得到信号的时域图和频谱图，实现信号的分析与处理。五、项目进度安排2011年6月2011年9月：相关基础文献资料搜集查询、项目现状调研、信息整合与讨论。2011年10月2012年2月：编写MATLAB程序实现信息的采集与分析，进行程序试验和调试，老师指导建议，系统的改进和优化。2012年3月2012年5月：计算机上程序运行测试，系统实用性检测，接受学校项目验收。六、工作基础及申请原因 我们已经初步学习过利用MATLAB软件来实现收集和处理信号的相关内容。并且我们小组的每个人都希望进一步学习和熟练掌握用MATLAB软件进行信号处理和分析。 作为一个大学生，我们最了解的当然是我们自身最需要的是什么。经过讨论我们决定做一个能够对我们有帮助的项目。 声卡同时具有A/ D 和D/ A 转换功能，将该卡作为数据采集的A/ D 转换装置无疑是一个经济而又方便的选择。MATLAB 是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，它的信号处理与分析工具箱为动态数据分析提供了十分丰富的函数，利用这些函数可以快捷而又方便地完成动态数据分析。而它的数据采集工具箱(DAQ Toolbox) 为在MATLAB 中实现数据采集提供十分方便的数据采集函数 在MATLAB 环境下，利用Daq toolbox 和图形用户接口建立基于声卡的虚拟仪器是可行的，该虚拟仪器的硬件价格便宜，由于笔记本电脑都配置声卡，这样在笔记本电脑中无需添加任何硬件，即可实现，简单经济。 虽然我们需要学习的地方有很多，但我们有充足的一年的时间，且我们是分工合作，每个人只需要学习自己最擅长的那一部分。170万藏书的图书馆及信息更丰富的网络平台都是我们的老师，再加上老师的指导，我们一定会取得最后的胜利。七、研究与开发内容，技术指标，提供成果的形式1、研究与开发内容1）MATLAB 中的声卡数据采集的实现2）数据采集的图形用户接口的实现3）将MATLAB与声卡结合，构造一个虚拟动态数据分析仪。2、技术指标1）实现双通道实时波形显示2）实现信号谱分析3、提供成果的形式软件、论文。八、经费预算项目申请总经费450元，基本预算如下1） 材料费：150元2）论文版面费：300元参考文献1苏金明, 阮沈勇.