毕业设计（论文）-基于MATALB的数据采集器设计.doc

毕业设计（论文）题目： 基于matalb的数据采集器设计 学生姓名： 学 号： 班 级: 指导教师： 2010 年 6 月基于matalb的数据采集器设计 学生姓名： 学 号： 班 级： 所在院(系): 指导教师： 完成日期: 2010年6月一、毕业设计（论文）任务课题内容课题的主要内容：1、 matlab的国内外应用现状；2、 matlab数据采集工具箱；3、 基于matlab的数据采集器（系统）总体设计。4、编程实现。5、完成本科毕业论文一篇。课题任务要求matlab所处理的数据必须是现成的，因此，不能直接对硬件端口进行读写操作，不能直接实现对数据的实时采集。在传统的工程检测中，需要将采集到的数据存储起来，经过一系列的处理和转换，才能利用matlab进行分析和处理，从而影响了它在测控系统开发上的应用范围。但matlab提供了应用程序接口api(application program interface)，通过该接口，利用mex文件和编译器(compiler)，用户可以在matlab环境中调用c语言或fortran程序、输入或输出数据，方便地完成matlab 与外部环境（数据和程序）的交互，与其他软件程序建立客户/服务器关系。本课题要求学生首先了解数据采集的基本理论、数据采集的过程、不同的数据采样方式（实时采样、等效时间采样等）、matlab软件的特点。然后，对比分析已有的基于matlab的数据采集系统的特点，提出自己的数据采集器总体设计方案，包括系统构成、接口方案、编程语言等等。可以利用matlab和c（或c+）语言交互，设计基于matlab的数据采集器。也可以利用集成于matlab中的数据采集工具箱，通过调用其中的命令和函数,直接控制各种与pc 机兼容的数据采集硬件设备的数据采集和通讯,并完成对所采集数据的实时分析或离线处理。最后，完成毕业论文撰写工作。通过本课题的工作，可以巩固和加深学生对数字信号处理技术的掌握，开阔视野，并提高学生主动发现、分析并解决问题的能力，通过毕业论文的训练，使其具备科研论文写作的基本功。 课题完成后应提交的资料（或图表、设计图纸）1、总体设计方案；2、相关的设计和仿真图表及程序源码；3、完整的毕业论文一篇。主要参考文献与外文翻译文件（由指导教师选定）1 王海龙, 陈珊杰, 李茜等. 基于matlab的数据采集系统的研究 j. 中国农学通讯，2007, 23(1):381-384.2 邱选兵. 基于usb数据采集的虚拟仪器设计d. 太原理工大学硕士学位论文，2006.3 法林，陈文辉，董大群.matlab的数据采集工具箱j.石油仪器学报，2001，15（1）：56-58.4 夏文芳，吴鸿修，李享元. 基于usb的实时数据采集系统及其在matlab中的应用 j. 电子技术应用, 2003, (2):15-17.5 马海潮. 超高速数据采集技术发展现状 j. 测试技术学报, 2003，17(4):287292.6 j. ludvig, j. mcarthy, s. meuendorffer etc. reprogrammable platforms for high-speed data acquisition j. design automation for embedded systems，2002(7)，pp.341-364.7 陈德娟.基于matlab的数据采集系统设计j.应用科技，2003，30（4）：23-24.8 付俊庆，李凤玲.matlab环境下的实时数据采集方法j.测控技术学报，2004,32(1):30-32.9 初秀琴，何蕾，李玉山.matlab外部接口的研究与实现j.计算机仿真学报，2002，19（1）：107-109.10 h.mlle, a.bogaerts , j.buytaert etc. first experience with the scalable coherent interfacez. 11 徐国政，陈勇.基于matlab/xpctarget的数据采集系统.微计算机信息期刊，2005，21（1）：63-64.12 赵祚喜，罗锡文，马瑞峻.基于matlab的计算机数据采集系统设计j.农业机械学报，2003，34（2）：146-148.13 张红，赵培杰.用vb和matlab软件开发数据采集分析系统j.工业控制计算机学报,2005,18(9):27-28.14 余新平，张弦.基于matlab的实时数据采集与分析系统的实现j.长江大学学报,2006,3(4):80-83.15 vincenzo gattulli, marco lepidi and francesco potenza. seismic protection of frame structures via semi-active control:modeling and implementation issuesj. earthquake engineering and engineering vibration,2009(8)627-645.外文翻译文件：muller etc. first experience with the scalable coherent interface. 1993.同组设计者无注：1. 此任务书由指导教师填写。如不够填写，可另加页。2. 此任务书最迟必须在毕业设计（论文）开始前一周下达给学生。3. 此任务书可从教务处网页表格下载区下载四、学生毕业设计（论文）装袋要求：1. 毕业设计（论文）按以下排列顺序印刷与装订成一本（撰写规范见教务处网页）。(1) 封面 (2) 扉 页(3) 毕业设计（论文）任务书 (4) 中文摘要 (5) 英文摘要 (6) 目录 (7) 正文 (8) 参考文献(9) 致谢 (10) 附录（公式的推演、图表、程序等）(11) 附件1：开题报告（文献综述） (12) 附件2：译文及原文影印件2. 需单独装订的图纸（设计类）按顺序装订成一本。3. 修改稿（经、管、文法类专业）按顺序装订成一本。4.毕业设计(论文)成绩评定册一份。5论文电子文档由各学院收集保存。学生送交全部文件日期 学生（签名） 指导教师验收（签名） 基于matlab的数据采集器设计基于matlab的数据采集器设计摘要在计算机广泛应用的今天，数据采集是计算机与外部物理世界连接的桥梁。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集，监视和记录，为提高产品质量，降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益也越高。本论文针对语音信号的采集和处理设计了基于matlab的数据采集器，提出了系统构成、设计方案、开发过程。本设计采用计算机作为数据采集系统的核心，系统分为传感器模块、信号调整模块、a/d转换模块、计算机等几部分。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。系统首先由传感器将信号测量并传送到信号调整模块进行放大或滤波，再经过声卡对信号的a/d转换（采集、量化、编码处理）后，存入计算机或进行信号处理。硬件部分引用了传声器作为声音信号的传感器，ad620作为信号调整模块的放大器，用软件控制声卡作为信号的a/d转换模块，计算机用作信号的存储和处理。软件用matlab，主要用到matlab的数据采集工具箱。通过软件先对声卡初始化，创建设备对象，然后对采集中的各个参数进行设定。最后给出了采集数据的波形，从中可以看出，开发的数据采集经过实际的测试，基本上满足技术要求。关键词： 数据采集；a/d转换；传感器；声卡 data acquisition design based on matlababstract nowadays,as computers is widely used , data acquisition is a bridge between computer and the external physical world. data acquisition systems is quickly applied with the rapid development and the popularity of computer technology. in order to improving product quality and reducing costs,this system is used to collect, monitor and record the production process parameters in the production process. applying data acquisition systems will gather a lot of dynamic information in scientific research, which is the powerful tool to study the instantaneous physical process and one of important means of access to the mysteries of science. in short, more timely data acquire and process regardless of where applications, higher efficiency and higher economic efficiency will achieve.this thesis focuses on the collection and processing of voice signals of data acquisition design based on matlab, system structure, design and development process.the core of data acquisition system is a computer, the system is divided into sensor module, signal conditioning module, a / d converter module, and computer parts.based on this general scheme was put forward, and finally every module is testde and verified by the hardware and software. firstly, signals will be measured and transmitted to the signal adjustment module to zoom in or filter from the sensors. secondly, the a / d conversion(collect, quantitative, coding process) of signal through the sound card.at last putting it stored into the computer or processed. hardware reference to the microphone as a sound signal sensor, ad620 as a signal amplifier in signal conditioning module, a sound card with software control as a a / d converter module of signal, the computer used to signal storage and processing.software components with matlab, mainly used in matlabs data acquisition toolbox. firstly, initialized by the software on the sound card to create device object, then all the parameters collected in the set.finally, there is a graph sbout data acquisition waveform, from which shows, data acquisition after the actual test, almost meet the technical requirements.key words：data acquisition; a / d conversion; sensor; sound card目录1 绪论.11.1 课题背景及意义.11.2 数据采集器的研究状况.21.3 论文的主要内容.32 数据采集系统分析.42.1 数据采集系统构成.5 2.2 基于matlab的数据采集系统原理.72.3 本章小结.93 基于matlab和声卡的数据采集器设计.10 3.1方案选取.103.2 传声器的选择.123.3 信号放大电路.133.4 声卡在a/d转换中的应用.15 3.4.1 声卡在a/d转换中的原理.153.4.2 声卡的驱动软件163.4.3 采样参数设置163.5本章小结.194 软件设计 .20 4.1 基于matlab和声卡的软件流程.20 4.2 系统调试.254.3 本章小结.265 结论.27致谢.28参考文献 .29 基于matlab的数据采集器设计1 绪论1.1 课题背景及意义随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥越来越重要的作用。外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化、编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。它是计算机在监测、管理和控制这个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。matlab是美国mathworks公司推出的一种科学计算软件，被广泛地使用于从个人计算机到超级计算机范围内的各种计算机上。现在已发展成为能够同时进行数学运算,数据采集,信号分析,模型建立和可视化解释等的强大综合功能的科学软件。将数据采集器设计在matlab的基础上，能充分利用matlab的各方面长处，对数据的分析和处理将更方便。matlab使用方便,输入简洁,运算效率高,内容丰富,可由用户自行扩展,是当今世界上发达国家中的科学研究必不可少的工具，同时matlab又有强大的数值分析与处理功能、丰富的仿真功能、方便的编程接口而深受广大用户的喜爱，但若要对大量的实验数据利用matlab的数据分析处理功能进行处理，则首先要将实验数据转换成matlab的数据格式，因此，不能直接对硬件端口进行读写操作，不能直接实现对数据的实时采集。在传统的工程检测中，需要将采集到的数据存储起来，经过一系列的处理和转换，才能利用matlab进行分析和处理，这无疑是一件十分繁杂的任务，同时影响了它在测控系统开发上的应用范围和实践中对数据的处理速度。若能直接从matlab环境下采集实验数据,无疑对与实验分析和数据处理都是有益的。matlab(version 6.1)的数据采集箱(data acquisition toolbox vesion 2. 1)为此提供一个实现直接数据采集的平台。利用该工具箱配以适当的数据采集卡不仅可以进行实时数据采集,而且还可以进行实时控制,由此还可以组建成为自动测试分析系统。利用计算机的通用声卡和matlab的图形用户接口软件构造了一个廉价动态信号分析仪。这足以说明,在matlab环境下进行直接数据采集不仅切实可行,而且方便实用。在当今的国际化的环境中，全球内的竞争日益激烈，实时的信息处理、高效的工作水平、尽可能地减少成本是每个国家每个企业所追求的，实现基于matlab的数据采集器是非常有用的，它将会实现数据处理的实时性，使得工程中数据能快速的被处理，在很大程度上提高了管理水平和工作效率，它对于提高企业的经济效益，促进企业的发展和社会的发展具有较强的现实意义。1.2 数据采集器的研究状况目前，比较常见的数据采集系统设计方案主要有以下几种： 使用rs232串行通信将采集模块采集到的数据传输到pc机。采集模块采集到的数据通过rs232串行通信传输到pc机，借助matlab中的仪器控制工具箱封装的串口对象，可以像操作文件一样控制串行端口与外设进行通信。先使用 serial函数创建串口对象，再设置波特率、数据位、停止位等属性，使pc机和数据采集模块间具有相同的通信模式。传输数据时, 用fopen函数打开串口，再用fwrite函数和fread函数以二进制或ascii码格式对进行读写操作。数据通信过程中，通过读串口对象属性可以实时了解串口的工作状态。数据传输结束后用fclose函数关闭串口。用智能数据采集模块采集系统的输入激励信号和输出响应，将采集到的数据通过串行通信传输到matlab。 用at89c51单片机(mcs51系列)与美国ti(texas instruments)公司的a/d芯片tlc2543制作数据采集卡。该采集系统具有较好的可移动性并降低成本,它利用at89c51单片机(mcs51系列)与美国ti(texas instruments)公司的a/d芯片tlc2543制作了一块数据采集卡, 具体的数据采集任务由单片机完成,采得的数据实时传送到计算机进行分析处理。数据采集卡设计成外置式结构,模拟信号经a/d转换成数字信号后通过串行口传至较远距离之外的计算机。tlc2543是带串行控制和11个输入端的12位模数转换芯片,内置采样保持器,最长转换时间不超过10ls,内置s/h及多路选择开关,单5v供电,05v模拟输入,需外接参考电压输入。单片机振荡频率选用2211184mhz,这样at89c51与pc通信波特率可精确地达到115200bps,确保高速采集的数据能实时传送给计算机。模拟信号输入用tlc2274高速低噪声运放缓冲,它的输出是满幅度的(即rail-to-rail) ,采用单5v供电时,可产生05v输出,用在这里是很合适的。电压源芯片ad586产生+5v精密基准电压作为tlc2543参考电压。采集设置由pc传送,采得的数据经过串行口实时传送给计算机。（3） 应用usb总线的数据采集器。usb总线具有速度快，易扩展，能够采用总线供电，使用灵活等优点。在matlab中直接对usb总线进行控制实现实时数据的采集。但是matlab自身并不能实现对usb的控制功能。众所周知，在c语言环境中，可以非常方便地实现对usb的驱动开发和控制。如果使用c语言对usb的数据采集部分进行驱动和控制，编译成mex文件，然后matlab中调用即可。usb码（usbd）为客户提供两组工具命令：命令工具和通道工具。命令工具允许客户在配置和控制usbd操作的同时配置并控制usb设备，它提供了对设备标准通道的所有访问；通道工具允许usbd客户管理特定设备的数据，控制数据的传输，它不允许客户直接访问设备的标准通道。usbd客户可以直接命令设备或从通道直接输入和输出数据流。usbd提供了供操作系统组件特别是设备驱动程序访问设备的一组接口。这些操作系统组件只能通过usbd来访问usb。一个usbd可以访问一个或多个 hcd， 而一个hcd可能与一个或多个主机控制器相连。某些操作系统可能允许对usbd进行初始化设置。从客户来看，与其进行通信的usbd管理着所有连接着的usb设备。这种方案是采用普通单片机加上专用usb通信芯片。(4) 基于arm和gprs的嵌入式多路数据采集系统。该系统运行于32位微处理器和嵌入式linux操作系统的架构上，与传统的解决方案相比，在可靠性、速度、数据处理能力、功能扩展等方面有了显著改进，并且有向其它场合下的行业应用扩展的前景。1.3 论文的主要内容 数据采集就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参数（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤。最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集数据进行加工处理。由于声卡具有对信号滤波、放大及采样保持、a/d和d/a转换等功能，这些功能与数据采集卡相当，所以，基于matlab数据采集器用声卡来担当数据采集器的核心。本论文主要包括以下内容：第一章阐述了本课题背景及意义、数据采集器的研究状况和论文的主要内容。 第二章对数据采集系统进行了分析，首先介绍了数据采集系统的构成，它包括传感器，信号调整，数据采集，并对各个模块的原理进行了介绍。然后介绍了基于matlab的数据采集工具箱的数据采集系统原理和设备对象。第三章首先讨论和分析了数据采集器现行的几种方案，探讨和确认了基于声卡和matlab的数据采集器设计方案。然后对各个模块的器件进行了分析和确认，传感器用的是驻极体式em一9767麦克风，信号的放大用ad620,基于matlab的数据采集卡用wdm类型的realtek high definition audio声卡。 第四章首先确定了该系统的软件模块，然后确定了基于matlab和声卡的程序运用面向对象的方法实现matlab直接对物理接口的信号采集，编出了程序，最后进行了调试。第五章对论文进行了总结，介绍了本论文的方案，并分析了该方案的优缺点和数据采集器的展望。2 数据采集系统分析2.1 数据采集系统构成 由于微电子技术与数字信号处理技术的飞速发展，这使得进行数字信号处理非常容易、方便，因此，我们采用数字信号处理技术来处理各类信号。在进行信号处理之前就必须完成数据采集。数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等方面的问题，在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量、传输与控制问题，将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度等模拟量转化为数字信号，再收集到计算机中并进一步予以显示、处理、传输与记录的过程，被称为数据采集。相应的系统称为数据采集系统。数据采集系统的系统框图如图2.1所示：模拟信号传感器信号调整adcadc计算机图2.1 数据采集系统的系统框图传感器是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常有敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件的输出转换为适于传输或测量的电信号部分，转换元件是传感器中能直接感受或响应被测量的部分。传感器在某些领域又被称为变换器、检测器或探测器。随着传感器集成技术的发展，传感器的组成如图2.2所示。传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量（电压、电流或频率，例如使用热电偶、热电阻可以使得随温度变化的电压；转速传感器常把转速转换为电脉冲等。通常把传感器输出到a/d转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。被测信号敏感元件 传感元件 辅助电源 信号调理电路图2.2 传感器的组成信号调整一般是对从传感器输出的信号进行放大滤波，用放大器来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，因此需要放大，以满足大多数a/d转换器的满量程输入510v的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小。这样放大器还起到了阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。a/d转换器实现数据采样/量化/编码，并在逻辑电路的控制之下把转换后的数字信息存储在缓存之中，等待微控制器的读取。对模拟信号的转换是由a/d转换器完成，随着超大规模集成电路的发展，为满足各种不同的检测和控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的a/d转换电路应运而生。有传统的并行型、逐次逼近型、积分型，也有近年来新发展起来的一型和流水线型等，在选取a/d转换器的时候要根据不同的应用场合和性能指标的要求选取不同类型a/d转换器。低功率、高速度、高分辨率是新型的adc的发展方向，同时adc的这一发展方向将适应现代数字电子技术的发展。数据采样原理：假设现在对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。 t=0, t,2t,3t 等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0),xt),x(2t)都是采样值。下图显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是t，注意，采样点在时域上是分散的。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠(alias)。出现的混频偏差(alias frequency)是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用510倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。量化分为非线性量化和线性量化，采用均匀间隔量化级进行量化的方法称为均匀量化或线性量化。这种量化方式会造成大信号时信噪比有余而小信号时信噪比不足的缺点。如果较小信号时量化级间度小些，而大信号时景化级间宽度大些，就可以使小信号时和大信号时的信噪比趋于致。这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化或非线性量化。非线性量化的目的是为了更好的反应小尺度内细微变化，避免因线性量化造成的信息丢失。数字电视信号大多数采用非均匀量化方式，这是由于模拟视频信号要经过伽玛校正，而伽玛校正类似非线性量化特性，可减轻小信号时误差的影响。当前的音/视频设备做a/d转换时多采用非线性量化。编码的基本原理：将从模拟信号抽样、量化的信号变化从二进制或四进制等基本过程，叫做编码。2.2 基于matlab的数据采集系统原理matlab使用方便,输入简洁,运算效率高,内容丰富,可由用户自行扩展,能够同时进行数学运算,数据采集,信号分析,模型建立和可视化解释等的强大综合功能的科学软件。它有许多强有力的命令，例如：matlab能够用一个单一的命令求解线性系统，能完成大量的高级矩阵处理。matlab有强有力的二维、三维图形工具。matlab能与其他程序一起使用，例如：matlab的图形功能，可以在一个fortran程序中完成可视化计算。matlab的25个不同工具箱可应用于特殊的应用领域。matlab在以下的领域里解决各种问题是一个十分有效的工具：工业研究与开发，数学教学，特别是线性代数，所有基本概念都能涉及，在数值分析和科学计算方面的教学与研究，能够详细地研究和比较各种算法。在诸如电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究。在诸如经济学、化学和生物学等有计算问题的所有其他领域中的教学与研究。以上列出了matlab的诸多优点，matlab以其编程简单，操作容易，处理数据迅速等优点，并向着自动化、专业化的方向发展，深受广大科研人员的好评。在matlab中创建的组是矩阵，matlab的名字取自矩阵实验室( matrix aboratory)。在国际学术界，matlab已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上，（尤其是信息科学刊物），都可以看到matlab的应用。在设计研究单位和工业部门，matlab被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。如美国national instruments公司信号测量、分析软件labview，cadence公司信号和通信分析设计软件spw等，或者直接建筑在matlab之上，或者以matlab为主要支撑。又如hp公司的vxi硬件，tm公司的dsp，gage公司的各种硬卡、仪器等都接受matlab的支持。基于matlab的数据采集系统的简图如图2.3所示，主要部件是数据采集工具箱，它提供了硬件驱动程序和matlab环境之间“对话”所需的硬件驱动程序适配器、数据采集引擎和m-文件函数。数据采集工具箱m件函数数据采集引擎硬件驱动程序适配器交互命令和数据matlab磁盘文件属性数值、数据和事件 硬件驱动程序属性数值、数据和事件硬件传感器执行器图2.3 基于matlab的数据采集系统简图硬件驱动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。要访问硬件设备,就要使用工具箱提供的设备对象.设备对象提供了访问硬件设备功能的途径,使用设备对象可以控制数据采集应用程序.每一个设备对象对应着一个特定的硬件子系统,见图2.4。matlab数据采集工具箱提供的设备对象有模拟输入设备对象(ai)、模拟输出设备对象(ao)和数字输入/输出设备对象(dio).在进行采样之前,要创建合适的设备对象。ai子系统ao子系统dio子系统ai对象dio对象ao对象设备对象硬件子系统图2.4 设备对象和硬件子系统2.3 本章小结 本章介绍了数据采集系统的构成，对数据采样原理、a/d转换器、传感器等进行了分析，然后，详细介绍了基于matlab的数据采集系统的采集原理。3 基于matlab和声卡的数据采集器设计3.1 方案选取当今在推进信息化建设的实践中，数据采集技术是不可缺少的重要环节，对设施的影响尤为深远。目前，比较常见的数据采集系统设计方案主要有以下几种：（1）使用rs232串行通信将采集模块采集到的数据传输到pc机rs232是pc机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，rs232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。rs232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯，同时又有通信距离短、速率低的缺点。（2）用at89c51单片机(mcs51系列)与美国ti(texas instruments)公司的a/ d芯片tlc2543制作数据采集卡该采集系统具有较好的可移动性并降低成本, 但at89c51的精确度不高。（3）应用usb总线的数据采集器。该方案有速度快、易扩展、能够采用总线供电、设备安装和配置容易和使用灵活等优点，但是设计和调试比较麻烦，成本相对较高。（4）基于arm和gprs的嵌入式多路数据采集系统。该系统运行于32位微处理器和嵌入式linux操作系统的架构上，与传统的解决方案相比，在可靠性、速度、数据处理能力、功能扩展等方面有了显著改进，并且有向其它场合下的行业应用扩展的前景。信号采集工程是工程中信号分析和处理的前提，基于matlab的数据采集器是为了实现matlab与外部环境的交互，达到直接对硬件端口进行读写操作，实现这个目的，要利用matlab的数据采集工具箱。数据采集工具箱是matlab计算环境中m文件函数、mex文件和mex -file 动态链接库的集合。硬件驱动接口是数据采集工具箱和硬件驱动程序之间的界面或接口。主要目的是在matlab和硬件设备(通过硬件驱动程序)之间传递信息。数据采集工具箱并不提供硬件驱动,硬件驱动一般由设备供应商提供。那么系统中就应该安装合适版本的nidaq驱动,它可从硬件的驱动程序实现接收数据的采集,并送入matlab。功能包括实时模拟输入(ai,adc,数据采集)、模拟输出(ao,dac)、数字量输入输出(di/do)。支持流行的硬件,例如声卡、national instruments e系列和1200系列数据采集卡、hewlett-packard e1432a系列vxi数据采集卡等。表3-1是目前支持的供应商和接口卡的名称。表3-1供应商和接口卡名称供应商vendor接口卡名称adaptor namenational instrumentsnidaqcomputer boardscbiagilent technologieshpel432windows sound cards声卡winsound对于不同的数据采集硬件的操作,具有一致的界面,即简单地修改程序就可灵活应用于不同硬件。matlab的数据采集工具箱除了支持标准的数据采集卡外,还支持从声卡采集数据和输出数据。所以,不需要另外附加a/d和d/a ,我们就可以将一台微机当作一个数据采集系统,或者一个可编程信号源。进一步也可结合matlab工具箱的强大功能,组成一个实时(速度要求不高的场合)或者仿真控制系统。也可以快速将matlab中的simulink、dials&gauges、dsp blockset、 fixed-point blockset等模型,用real-time workshop移植转化为c语言代码,用于实时测量、信号处理和控制。数据采集卡一般包括多路开关、放大及采样保持、a/d转换、计算机i/o接口等部分，性能比较完善，但价格比较昂贵，同时硬件安装及软件驱动需占用一定的系统资源。计算机上都装有声卡，声卡具有对信号滤波、放大及采样保持、a/d和d/a转换等功能，这些功能与数据采集卡相当。利用声卡进行a/d转换、话筒输入插孔为信号输入端，可实现对信号的单通道、双通道采集。常用声卡可对音频信号实现双声道16位、高保真的数据采集，最高采样率可达44.1khz,具有较高的采样频率与精度。通常比12位市售d/a卡的精度高，对于许多科学实验和工程测量来说，声卡对信号的量化精度和采样率都是足够高的，甚至优于一些低档的数据采集卡性能。因此可用声卡配合相应软件构建信号采集系统。matlab中提供了数据采集工具箱和信号处理工具箱，完全可以满足控制声卡进行数据采集和分析数据的要求。前面四种方案虽然各有优点，但是，基于matlab和声卡的数据采集器与它们比起来更廉价和简单，我对其掌握也更充分。所以，我选择了基于matlab和声卡的数据采集器设计方案。 基于matlab的数据采集器的设计以声卡为核心，既能充分利用matlab的信号处理功能，又能充分发挥声卡所具有的廉价和能对模拟信号的放大、滤波、采样、a/d和d/a转换。本方案的系统框图如图3.1：ad620声卡计算机传声器声音图3.1 系统框图3.2 传声器的选取声音传感器是一种将声音信号转变为电信号的声一电转换器件，或者说声音传感器是将机械能转化为电能的转换装置。常规的声音信号的频率范围一般在20hz-20khz,并要求传感器在此频率范围内对声音的响应。传声器就是声音传感器。传声器俗称麦克风，它是一种能将声音信号转换成电信号的器件，其作用与扬声器相反。目前，传声器的种类很多，其外形、规格、型号等更是不胜枚举。但是按工作原理分为传声器可分为动圈式传声器、压电晶体式传声器、驻极体式传声器、电容式传声器、炭粒式传声器、压电陶瓷式传声器和带式传声器等等。其中驻极体传声器是采用聚脂膜贴在振动面，拾取直达声，减少反射声，增加保真度。其特点是结构简单，电声性能好，价格低，灵敏度高，耐用，因此应用较广泛。若采用驻极体式em一9767麦克风，其灵敏度高(最高可达30db)，频带宽(可以响应20一20khz的音频信号)，频响特性平坦，较高的信噪比(一般大于60db)等特点，可以完全满足系统的要求。在本文中，由于无法获得此种高灵敏度的麦克风，所以选用市售麦克风作为声音接收器使用，该麦克风无明显电气参数，但实验表明其特性可以满足本系统的基本要求。使用时，传声器直接插入pc机的麦克风插孔。周围环境所引起的空气震动传至传声器时，在线圈上就会产生感应电动势，即形成一个电信号。这个电信号经由线圈引出线输出，经信号调整电路放大、滤波后，再经过a/d转换成数字信号传入计算机进行信号处理。麦克风的衡量指标有输出阻抗、灵明度、频率响应、指向性。驻极体式em一9767麦克风的主要电气特性如表3-2表3-2 驻极体式em-9767麦克风主要电气特性参数指标指向性单向性灵敏度-463db,-483db,-503db输出阻抗680(最大)频率范围10016000hz最大工作电压10.0v标准工作电压+1.5vdc工作电流0.5ma3.3 信号放大电路在一般信号放大的应用中通常只要通过差动放大电路即可满足要求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个信号放大精确度的变因就更加复杂，同时，传声器由于其灵敏度的限制，感应声压所产生的电信号是比较微弱的，所以需要精度高，增益范围宽的放大器对信号进行放大。本课题采用ad620为作为前置放大器。ad620是四片仪用的，它是一种体积小、低功耗、高精度仪用放大器，用一个电阻外接就可设置放大器的增益，并且增益范围较宽(g=1-1000);供电电源选择范围较宽，可在士2.3v-士18v之间选择;精度较高，非线性误差一般最大不超过4oppm;高共模抑制比，一般最小可达100db;低功耗，低噪声。ad620脚位示意图如图3.2。12347658+ad620图3.2 ad620脚位示意图ad620为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并采用工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻上。ad62o的两个内部增益电阻rl、r2为24.7k，因而增益方程式为： （3-1）由式（3.1）可知，对于所需的增益，外部的控制电阻为： （3-2）本设计的信号放大电路如图3.3所示：12347658ad620+5ad620output021j1ain-50图3.3 信号放大电路3.4 声卡在a/d转换中的应用 3.4.1 声卡在a/d转换中的原理声卡是电脑中用来处理声音的接口卡，有三个基本功能：.音乐合成发音功能。.混音器（mixer）功能和数字声音效果处理器（dsp）功能。.模拟声音信号的输入和输出功能。声卡可以把来自话筒、收录音机、激光唱机等设备的语音、音乐等声音变成数字信号交给电脑处理,并以文件形式存盘。计算机上都装有声卡，声卡不仅价格低廉，而且兼容性好、性能稳定，软件(特别是驱动程序)升级方便，具有对信号滤波、放大及采样保持、a/d和d/a转换等功能，而且声卡采用dma(直接内存读取)方式传送数据，极大地降低了cpu占用率。一般声卡具有16位的d/a