1、基于MATLAB的數據采集與分析系統設計                 論文摘要：利用數據采集卡構建的數據采集系統一般價格昂貴且難以與實際需求完全匹配。聲卡作為數據采集卡具有價格低廉、開發容易和系統靈活等優點。本文詳細介紹了系統的開發背景,軟件結構和特點,系統地分析了數據采集硬件和軟件設計技術,在此基礎上以聲卡為數據采集卡,以MATLAB為開發平臺設計了數據采集與分析系統。 本文介紹了MATLAB及其數據采集工具箱, 利用聲卡的A/

2、D、D/ A 技術和MATLAB 的方便編程及可視化功能,提出了一種基于聲卡的數據采集與分析方案,該方案具有實現簡單、性價比和靈活度高的優點。用MATLAB 語言編制了相應軟件,實現了該系統。該軟件有著簡潔的人機交互工作界面,操作方便,并且可以根據用戶的需求進行功能擴充。最后給出了應用該系統采集數據的應用實例。1緒論 1.1 課題背景 數據也稱觀測值，是實驗、測量、觀察、調查等的結果，常以數量的形式給出。數據采集，又稱數據獲取，就是將系統需要管理的所有對象的原始數據收集、歸類、整理、錄入到系統當中去。數據采集是計算機管理系統使用前的一個數據初始化過程。數據采集技術廣泛引用在各個領域。比如攝像頭

3、，麥克風，都是數據采集工具。數據采集（Data Acquisition）是將被測對象(外部世界、現場)的各種參量(可以是物理量，也可以是化學量、生物量等)通過各種傳感元件作適當轉換后，再經信號調理、采樣、量化、編碼、傳輸等步驟，最后送到控制器進行數據處 基于MATLAB的數據采集與分析系統設計 理或存儲記錄的過程。被采集數據是已被轉換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數據重復采集。采集的數據大多是瞬時值，也可是某段時間內的一個特征值。準確的數據測量是數據采集的基礎。數據測量方法有接觸式和非接觸式

4、，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，都以不影響被測對象狀態和測量環境為前提，以保證數據的正確性。數據采集含義很廣，包括對連續物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中，對圖形或圖像數字化過程也可稱為數據采集，此時被采集的是幾何量數據。在智能儀器、信號處理以及工業自動控制等領域，都存在著數據的測量與控制問題，常常需要對外部的溫度、壓力、流量、位移等模擬量進行采集。數據采集技術是一種流行且實用的電子技術。它廣泛應用于信號檢測、信號處理、儀器儀表等領域。近年來，隨著數字化技術的不斷發展，數據采集技術也呈現出速度更高、通道更多、數據量更大的發展態勢。數據采集系統是一種應用極為廣泛的模擬量測量設備

5、，其基本任務是把信號送入計算機或相應的信號處理系統，根據不同的需要進行相應的計算和處理。它將模擬量采集、轉換成數字量后，再經過計算機處理得出所需的數據。同時，還可以用計算機將得到的數據進行儲存、顯示和打印，以實現對某些物理量的監視，其中一部分數據還將被用作生產過程中的反饋控制量。數據采集系統是計算機測控系統中非常重要的環節，目前，有各種數據采集卡或采集系統可供選擇，以滿足生產和科研試驗等各方面的不同需要，但由于數據源以及用戶需求的多樣性，有時并不能滿足要求。特別是在某些應用中，需要同時高速采集多個通道的數據，而且為了分析比較各通道信號間的相互關系，常常要求所有通道的采集必須同步。現有的數據采集

6、系統能夠滿足上述要求的比較少，且價格十分昂貴，體積較大，分量較重，使用十分不方便。一般模擬量是通過各種數據采集卡進行數據采集。目前常用的是具有 ISA 總線、PCI 總線等接口形式的 A/D 采集卡，雖然數據傳輸率很高，但是還存在整個系統笨重，缺乏靈活性，不能實現即插即用，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，而且由于受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制不可能掛接很多設備。因此，工程師們往往需要花費大量的時間和資源用于系統搭建。隨著現代工業技術的迅猛發展，生產規模的不斷壯大，生產過程和制作工藝的日趨復雜，對自動測試和各種信息集成的要求也就越來越高。數據采

7、集系統的好壞將直接影響自動測試系統的可靠性和穩定性，為了滿足不同的測試需求，以及減少對資源的浪費，在系統的設計上應該盡量滿足通用性和可擴展性。在高度發展的當今社會中，科學技術的突飛猛進和生產過程的高度自動化已成為人所共知的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在有著不斷發展與提高的信息工業基礎上。人們只有從外界獲取大量準確、可靠的信息經過一系列的科學分析、處理、加工與判斷，進而認識和掌握自然界與科學技術中的各種現象與其相關的變化規律，并通過相應的系統和方法實現科學實驗研究與生產過程的高度自動化。換言之，生產過程的自動化面臨的第一個問題就是必須根據從各種傳感器得到的數據來檢測、監視現場，以保證現場

8、設備的正常工作。所以對現場進行數據采集是重要的前期基礎工作，然后再對現場數據進行傳輸和相應的處理工作 ( 基于MATLAB的數據采集與分析系統設計(2) ) ，以滿足不同的需要。     數據分析在整個科研工作中是個重要的必不可少的環節，它的目的是把隱沒在一大批看來雜亂無章的數據中的信息集中、萃取和提煉出來，以找出所研究對象的內在規律。在實用中，數據分析可幫助人們作出判斷，以便采取適當行動。數據分析是組織有目的地收集數據、分析數據，使之成為信息的過程。這一過程是質量管理體系的支持過程。在產品的整個壽命周期，包括從市場調研到售后服務和最終處置的各個過程都需

9、要適當運用數據分析過程，以提升有效性。例如，一個企業的領導人要通過市場調查，分析所得數據以判定市場動向，從而制定合適的生產及銷售計劃。因此數據分析有極其廣泛的應用范圍。數據分析系統工作的質量和速度如何，對整個科研工作的影響也是很大的。因此研究一種質量性能高的通用數據采集平臺具有很大的意義。在近幾十年來 IC 技術和計算機技術的高速發展，為數據采集與分析提供了非常良好與可靠的科學技術基礎，也提出了更高的要求和強有力的推動。如今面臨著先進的計算機技術和信息技術與落后的信息采集與分析技術的現實差距，那將大大影響科學技術的高度發展和生產過程的高度自動化。所以，近幾十年來世界各國都大量投入進行信息采集與

10、分析的工作，尤其是在經濟發達的美、英、德、法日等國與我國，都對這一技術高度重視。1.2 國內外研究動態 數據采集是獲取信息的基本手段，數據采集技術作為信息科學的一個重要分支，與傳感器、信號測量與處理、微型計算機等技術為基礎而形成的一門綜合應用技術，它研究信息數據的采集、存儲、處理及控制等作業，具有很強的實用性。隨著科學技術的發展，數據采集系統得到了越來越廣泛得應用，同時人們對數據采集系統的各項技術指標，如：采樣率、線性度、精度、輸入范圍、控制方法以及抗干擾能力等提出了越來越高的要求，特別是精度和采樣率更是使用者和設計者所共同關注的重要問題，于是，高速及超高速數據采集系統應運而生并且得到了快速發

11、展。今天，數據采集技術己經在雷達、通信、水聲、振動工程、無損監測、智能儀器、工業自動控制以及生物醫學工程等眾多領域得到廣泛的應用并且收到了良好的效果。高速數據采集系統在國防、航天、邊緣科學研究中及國民經濟的各個領域的成功的應用，進一步引起了各方的關注，推動了它的研制和發展。隨著科學技術的發展，數據采集系統得到了越來越廣泛的應用。目前，國外很多公司與廠商都投入巨資進行數據采集系統的研制開發與生產銷售，其中比較著名的有 NEFF， NI、HP，TEK 等。從數據采集系統產品來看，各大公司提供的系列產品都包括了完成數據采集的諸如信號放大、濾波、多路開關、模數轉換和接口等各種模塊。現有的高速數據采集器

12、件和開發的產品中，目前還沒有完全實現高速、高分辨率。在雷達、通信、譜分析、瞬態分析、電視等應用領域，為滿足實時檢測和高速采集的日益更新的需要，實現數據采集的高速、高分辨率已成為數據采集系統的一個發展方向。現有的高速 ADC 器件和產品價格都比較昂貴，有些高速、高分辨率的器件本身還存在著不穩定性，因此，在數據采集系統向高速、高分辨率發展的同時，開發和研制的器件和產品應不斷地提高可靠性，降低成本，提高性價比，以便使之得到更廣泛的應用。在國內，由于歷史、技術等原因，我們的產品普遍存在：通用性差、用途單一、測點少、測量距離小、環境適應性差等缺點，遠沒有形成系列化、模塊化、標準化的通用產品，根本無法滿足

13、國內用戶不斷增長的需要，也遠遠不能與國外產品抗衡，正因此使得價格高昂的國外產品占有 ( 基于MATLAB的數據采集與分析系統設計(3) 了相當大的市場份額。1.3 數據采集系統的現狀及發展 數據采集與分析一直是生產實踐研究與應用領域的一個熱點和難點。隨著微電子制造工藝水平的飛速提高及數據分析理論的進一步完善與成熟，目前國內外對數據采集系統的高性能方面的研究上取得了很大的成就。就 A/D 轉換的精度、速度和通道數來說，采樣通道從單通道發展到雙通道、多通道，采樣頻率、分辨率、精度逐步提高，為分析功能的加強提供了前提條件。而在數據分析的微處理器上，最初的數據采集系統以 8 位單片機為核心，隨著微電子

14、技術的不斷發展，新興單片機的不斷問世，十六位、三十二位單片機也為數據采集系統研制廠家所采用，近年來采用具有 DSP 功能的數據采集系統也己投入市場。同時，通用 PC 機的 CPU 用于數據處理也較為常見。總之，伴隨著高性能微處理器的采用和用戶技術要求的不斷提高，數據采集系統的功能也越來越完善。數據采集系統的發展主要體現在以下幾個趨勢：首先，在專業測控方面，基于 PC 計算機的數據采集系統越來越成熟和智能化。在過去的二十年中，開放式架構 PC 機的處理能力平均每十八個月就增強一倍。為了充分利用處理器速度的發展，現代開放式測量平臺結合了高速總線接口，如 PCI和 PXI/Compact PCI，以

15、便獲得性能的進一步提升。計算機的性能提升和由此引起的基于計算機的測量技術的創新，正在持續不斷地模糊著傳統儀器和基于計算機的測量儀器之間的界線。其次，在通用測控方面，采用嵌入式微處理器的方案也由早期的采用 A/D 器件和標準單片機組成應用系統發展到在單芯片上實現完整的數據采集與分析，即目前極為熱門的 SOC (System On Chip)。通常在一塊芯片上會集成一個，可以采樣多路模擬信號的 A/D 轉換子系統和一個硬 CPU 核(比如增強型 80_52 內核)，而且其CPU 的運算處理速度和性能也較早期的標準 CPU 內核提高了數倍，而且有著極低的功耗。這種單芯片解決方案降低了系統的成本和設計

16、的復雜性。此外，為了解決 SOC 方案中數據處理性能的不足，采用 DSP 作為數據采集系統的 CPU 的研究與應用目前也逐漸引起業內重視。但是這類產品目前僅僅處于發展的初級階段，在精度、速度或其它性能指標上并不能很好的滿足要求。因此，國內外以 DSP 作為數據采集系統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、計算機技術和網絡技術的發展，數據采集技術取得了許多新的技術成果，市場上推出了繁多的新產品。高速數據采集技術的發展一方面是提高采集速率，另一方面不斷向兩端延伸。一端是輸入的信號調理，另一端是采集后的數字化信號的實時處理與事后處理。20世紀90年代末，隨著數字技術快速發展，

17、數據采集技術已向著并行、高速、大量存儲、實時分析處理 本文基于MATLAB的數據采集與分析系統設計(4)- 、集成化等方向發展。(1)采樣方式過采樣（Over Sampling）。采樣方式中最早是過采樣，根據采樣定理，采樣頻率fs必須高于被采信號最高頻率fch的兩倍，才不致產生頻率混疊現象。例如信號最高頻率為10kHz，采樣頻率必須高于20kHz。欠采樣（Under Sampling）。在通信和動態數據的采集中，發展了一種欠采樣技術，即采樣頻率fs可以低于信號頻率fch，但信號的頻帶寬度不得大于0.5fs，利用采樣信號產生的高次諧波，將采樣后的信號移至第二或者更高的奈奎斯特區。例如采樣頻率fs

18、為10kHz，可對頻帶fch落于1114kHz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次諧波兩邊產生的采樣后的信號頻帶為f2ch = 2fs±fch = 20 kHz±(1114 kHz)= 3134 kHz，或96 kHz等效時間采樣（Equivalent Time Sampling ）。主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，采取周期微差法，可以達到250GS/s(250GHz)的等效時間采樣。例如對于 1

19、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。對于單次瞬態信號，這種方法是無效的。變速率變分辨率采樣。(2)采集方式的發展掃描式采集（Scanning Acquisition）：時分制、多通道巡回采集。并行式采集（Parallel Acquisition)：多個通道同步并行采集，每個通道采用一個獨立的A/D轉換器，通道采集速率只取決于A/D的轉換速率，與通道數無關。交替采集（Internative Acquisition）：一個通道由多個A/D轉換器交替采集，使每個通道采樣速率等于多個A/D的轉換速率之和，可以

20、高于單個A/D的轉換速率。(3)采集數據的實時分析與處理軟件目前國外的測試儀器或系統生產廠家，在生產硬件的同時，推出其相應的支持軟件或軟件開發平臺，如為產品開發者提供的軟件工具；為系統集成者提供系統應用軟件的集成的環境；為終端用戶提供編寫自己的用戶應用程序的手段。         1.4 本文主要內容和章節安排 本文完成了一種基于MATLAB的數據采集系統的方案的設計，實現了在MATLAB環境下利用聲卡和MATLAB數據采集工具箱進行的數據采集與分析。全文的結構安排如下：第一章 緒論，說明了研究背景、意義、國內外現

21、狀，以及系統的發展現狀。第二章 主要介紹了系統結構特點及性能第三章 主要介紹了聲卡、MATLAB軟件及其工具箱的使用第四章 主要討論了系統結構功能設計與實現，以及數據采集與分析的具體過程第五章 主要對數據采集進行了舉例 2數據采集系統結構特點 2.1 系統組成結構 數據采集系統主要由兩部分組成：采集子系統和計算機子系統，即下位機智能數據采集系統和上位機 HMI（Human Machine Interface）系統。采集子系統實現將客觀世界被測對象信號采集和轉換為能被計算機處理的數字信號的功能等；計算機子系統實現對采集數據的控制、存儲和處理等功能，計算機起著對采集數據的存儲和處理、統計分析、提供

22、人機接口與其他計算機的數據通信和交換的功能。數據采集系統涉及多學科，所研究的對象是物理或生物等各種非電或電信號。根據各種非電或電信號的特征，利用相應的歸一化技術，將其轉換為可真實反映事物特征的電信號后，經AD轉換器轉換為計算機可識別的有限長二進制數字編碼，以此作為研究自然科學和實現工業實時控制的重要依據，實現對宏觀和微觀自然科學的量化認識，典型的數據采集系統組成如圖2-1所示。< （基于MATLAB的數據采集與分析系統設計(5) P>            

23、60;                  ;圖2-1 典型數據采集系統的組成而一般的外置式數據采集系統結構如圖2-2所示。模擬信號由傳感器采得經過信號調理模塊送入數據采集硬件設備。在數據采集設備中完成AD轉換，包括采樣、量化、編碼，轉化成數字信號后送入與之相連的PC機中。根據不同的要求，在PC機上利用MATLAB以及二次編程實現數據的實時分析與處理。用戶可以通過人機交互界面修改、設定各項參數來控制數據采集硬件設備的工作狀態，同時可以得到

24、數據的采集與分析結果， 從而實現數據采集與分析的自動化。利用聲卡在WINDOWS環境下開發數據采集系統時，由于受編程語言的限制，其數據分析與處理的功能非常有限。例如，為了對所采集的數據進行功率譜分析，則需要用戶以VB或C語言來編寫功率譜分析的子程序，這顯然增加了開發的難度，并且也極不利于分析功能的進一步擴展。而利用聲卡作為AD轉換工具，經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，并利用MATLAB中提供的數據采集工具箱，可滿足控制聲卡進行數據采集的要求。用戶通過調用MATLAB命令， 可對采集的提基于MATLAB的數據采集與分析系統設計(6) 數據進行分析和處理。整個系統

25、可分為數據采集和數據分析兩大部分，以友好的圖形界面與用戶進行交互溝通。數據采集部分實現數據采集功能，根據用戶選擇的采樣頻率和預設的采樣時間，從聲卡獲得用戶需要的數據；數據分析部分對采集到的數據進行頻譜分析。全部數據的時域和頻域波形以圖形方式直觀地呈現于用戶面前。此外，還提供保存數據以及回放數據的功能。圖2-3給出了基于MATLAB的數據采集系統的簡圖，主要部件數據采集工具箱提供了硬件驅動程序和MATLAB環境之間“對話”所需的硬件驅動程序適配器、數據采集引擎和M-文件函數     硬件驅動程序適配器在硬件驅動程序和數據采集引擎之間交換屬性數值、數據和事件

26、；數據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；對采集到的數據進行存儲并且使不同事件同步；M-文件用來創建設備對象、采集或輸出數據、配置屬性值和檢測數據采集狀態和數據采集設備。2.2 系統的特點和性能指標 現代數據采集系統發展到今天，一般來說具有如下主要特點：（1）現代采集系統一般都由計算機控制，使得數據采集的質量和效率等大為提高，也節省了硬件投資。（2）軟件在數據采集系統中的作用越來越大，增加了系統設計的靈活性。（3）數據采集與數據處理相互結合的日益緊密，形成數據采集與處理系統，可實現從數據采集、處理到控制的全部工作。（4）數據采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標準是能滿足

27、實際需要；對于通用采集系統一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應用環境。（5）隨著電子技術的發展，電路集成度的提高，數據采集系統的體積越來越小，可靠性越來越高，甚至出現了單片數據采集系統。（6）總線在數據采集系統中有著廣泛的應用，總線技術它對數據采集系統結構的發展起著重要作用。評價一個數據采集系統的性能有很多指標，但是一般采用以下幾個比較常用的指標進行評價。（1）系統分辨率系統分辨率是指數據采集系統可以分辨的輸入信號的最小變化量。通常可以用如下幾種方法表示系統分辨率：使用系統所采用的 A/D 轉換器的位數表示系統分辨率；使用最低有效位值（LSB）占系統滿度值的百分比表示系統分辨率；使用系統可

28、分辨的實際電壓數值表示系統分辨率；使用滿度值可以分的級數表示系統分辨率。（2）系統精度系統精度是指當系統工作在額定采集速率下，整個數據采集系統所能達到的轉換精度。A/D 轉換器的精度是系統精度的極限值。實際上，系統精度往往達不到A/D 轉換器的精度。因為系統精度取決于系統的各個環節（子系統）的精度，如前置放大器、濾波器、模擬多路開關等。只有當這些子系統的精度都明顯優于 A/D 轉換器的精度時，系統精度才有可能達到 A/D 轉換器的精度。系統精度是系統的實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統各種誤差的總和，通常表 ,基于MATLAB的數據采集與分析系統設計(7) 示為滿度值的百分數。（3）采集速率

29、采集速率又稱為系統通過速率或吞吐率，是指在滿足系統精度指標的前提下，系統對輸入的模擬信號在單位時間內所能完成的采集次數，或者說是系統每個通道、每秒鐘可采集的有效數據的數量。這里說的“采集”包括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）動態范圍動態范圍是指某個確定的物理量的變化范圍。信號的動態范圍是指信號的最大幅度和最小幅度之比的分貝數。2.3 系統常見的幾種結構形式 （1）多通道共享采樣/保持器和 A/D 轉換器數據采集系統這種系統構成如下圖所示，這種結構形式采用分時轉換工作的方式，多路被測信號共用一個采樣/保持器和一個 A/D 轉換器。當采樣保持器的輸出已充分逼近輸入信號

30、（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進入保持狀態，A/D 轉換器開始進行轉換，轉換完畢后輸出數字信號。在轉換期間，多路開關將下一路信號切換到采樣/保持器的輸入端，系統不斷重復以上的操作，可以實現對多通道模擬信號的數據采集。采樣方式可以按順序或隨機進行。（1）現代采集系統一般都由計算機控制，使得數據采集的質量和效率等大為提高，也節省了硬件投資。（2）軟件在數據采集系統中的作用越來越大，增加了系統設計的靈活性。（3）數據采集與數據處理相互結合的日益緊密，形成數據采集與處理系統，可實現從數據采集、處理到控制的全部工作。（4）數據采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標準是能滿足實際需要；對于通用采集系統一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應用