论基于MATLAB的数据采集与分析系统设计样本.doc

试论基于MATLAB数据采集和分析系统设计

论文摘要：利用数据采集卡构建数据采集系统通常价格昂贵且难以和实际需求完全匹配。声卡作为数据采集卡含有价格低廉、开发轻易和系统灵活等优点。本文具体介绍了系统开发背景,软件结构和特点,系统地分析了数据采集硬件和软件设计技术,在此基础上以声卡为数据采集卡,以MATLAB为开发平台设计了数据采集和分析系统。

本文介绍了MATLAB及其数据采集工具箱, 利用声卡A/ D、D/ A 技术和MATLAB 方便编程及可视化功效,提出了一个基于声卡数据采集和分析方案,该方案含有实现简单、性价比和灵活度高优点。用MATLAB 语言编制了对应软件,实现了该系统。该软件有着简练人机交互工作界面,操作方便,而且能够依据用户需求进行功效扩充。最终给出了应用该系统采集数据应用实例。

1绪论

　　1.1 课题背景

数据也称观察值，是试验、测量、观察、调查等结果，常以数量形式给出。数据采集，又称数据获取，就是将系统需要管理全部对象原始数据搜集、归类、整理、录入到系统当中去。数据采集是计算机管理系统使用前一个数据初始化过程。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，全部是数据采集工具。

数据采集（Data Acquisition）是将被测对象(外部世界、现场)多种参量(能够是物理量，也能够是化学量、生物量等)经过多种传感元件作合适转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最终送到控制器进行数据处理或存放统计过程。

被采集数据是已被转换为电讯号多种物理量，如温度、水位、风速、压力等，能够是模拟量，也能够是数字量。采集通常是采样方法，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据反复采集。采集数据大多是瞬时值，也可是某段时间内一个特征值。正确数据测量是数据采集基础。数据测量方法有接触式和非接触式，检测元件多个多样。不管哪种方法和元件，全部以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以确保数据正确性。数据采集含义很广，包含对连续物理量采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集是几何量数据。

在智能仪器、信号处理和工业自动控制等领域，全部存在着数据测量和控制问题，常常需要对外部温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集。数据采集技术是一个流行且实用电子技术。它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域。多年来，伴随数字化技术不停发展，数据采集技术也展现出速度更高、通道更多、数据量更大发展态势。

数据采集系统是一个应用极为广泛模拟量测量设备，其基础任务是把信号送入计算机或对应信号处理系统，依据不一样需要进行对应计算和处理。它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过计算机处理得出所需数据。同时，还能够用计算机将得到数据进行储存、显示和打印，以实现对一些物理量监视，其中一部分数据还将被用作生产过程中反馈控制量。

数据采集系统是计算机测控系统中很关键步骤，现在，有多种数据采集卡或采集系统可供选择，以满足生产和科研试验等各方面不一样需要，但因为数据源和用户需求多样性，有时并不能满足要求。尤其是在一些应用中，需要同时高速采集多个通道数据，而且为了分析比较各通道信号间相互关系，常常要求全部通道采集必需同时。现有数据采集系统能够满足上述要求比较少，且价格十分昂贵，体积较大，分量较重，使用十分不方便。

通常模拟量是经过多种数据采集卡进行数据采集。现在常见是含有 ISA 总线、PCI 总线等接口形式 A/D 采集卡，即使数据传输率很高，不过还存在整个系统粗笨，缺乏灵活性，不能实现即插即用，不适合小型、便携设备采取等缺点。另外这些类型采集卡在计算机上安装比较麻烦，而且因为受计算机插槽数量、地址、中止资源限制不可能挂接很多设备。所以，工程师们往往需要花费大量时间和资源用于系统搭建。

伴随现代工业技术迅猛发展，生产规模不停壮大，生产过程和制作工艺日趋复杂，对自动测试和多种信息集成要求也就越来越高。数据采集系统好坏将直接影响自动测试系统可靠性和稳定性，为了满足不一样测试需求，和降低对资源浪费，在系统设计上应该尽可能满足通用性和可扩展性。在高度发展当今社会中，科学技术突飞猛进和生产过程高度自动化已成为人所共知肯定趋势，而它们共同要求是必需建立在有着不停发展和提升信息工业基础上。大家只有从外界获取大量正确、可靠信息经过一系列科学分析、处理、加工和判定，进而认识和掌握自然界和科学技术中多种现象和其相关改变规律，并经过对应系统和方法实现科学试验研究和生产过程高度自动化。换言之，生产过程自动化面临第一个问题就是必需依据从多种传感器得到数据来检测、监视现场，以确保现场设备正常工作。所以对现场进行数据采集是关键前期基础工作，然后再对现场数据进行传输和对应处理工作，以满足不一样需要。

　　数据采集卡是中低端数据采集系统设计必选产品。基于 ISA、PCI 插卡式数据采集设备存在以下缺点：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中止资源限制，可扩展性差；在部分电磁干扰性强测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，造成采集数据失真。而现代工业生产和科学研究发展要求数据采集卡含有愈加好数据采集、处理能力，传统 CPU 已经不能满足这一要求。针对以上要求，本文将叙述一个基于PC机声卡技术，它安装轻易，成本较低。只需利用计算机本身软硬件资源，而不需添加其它任何设备即可组成数据采集和分析系统，使用MATIAB语言编制简练图形用户界面，该界面操作方便，而且能够依据用户需求进行功效扩充。

数据分析在整个科研工作中是个关键必不可少步骤，它目标是把隐没在一大批看来杂乱无章数据中信息集中、萃取和提炼出来，以找出所研究对象内在规律。在实用中，数据分析可帮助大家作出判定，方便采取合适行动。数据分析是组织有目标地搜集数据、分析数据，使之成为信息过程。这一过程是质量管理体系支持过程。在产品整个寿命周期，包含从市场调研到售后服务和最终处理各个过程全部需要合适利用数据分析过程，以提升有效性。比如，一个企业领导人要经过市场调查，分析所得数据以判定市场动向，从而制订适宜生产及销售计划。所以数据分析有极其广泛应用范围。数据分析系统工作质量和速度怎样，对整个科研工作影响也是很大。所以研究一个质量性能高通用数据采集平台含有很大意义。

在近几十年来 IC 技术和计算机技术高速发展，为数据采集和分析提供了很良好和可靠科学技术基础，也提出了更高要求和强有力推进。现在面临着优异计算机技术和信息技术和落后信息采集和分析技术现实差距，那将大大影响科学技术高度发展和生产过程高度自动化。所以，近几十年来世界各国全部大量投入进行信息采集和分析工作，尤其是在经济发达美、英、德、法日等国和中国，全部对这一技术高度重视。
1.2 中国外研究动态

数据采集是获取信息基础手段，数据采集技术作为信息科学一个关键分支，和传感器、信号测量和处理、微型计算机等技术为基础而形成一门综合应用技术，它研究信息数据采集、存放、处理及控制等作业，含有很强实用性。伴随科学技术发展，数据采集系统得到了越来越广泛得应用，同时大家对数据采集系统各项技术指标，如：采样率、线性度、精度、输入范围、控制方法和抗干扰能力等提出了越来越高要求，尤其是精度和采样率更是使用者和设计者所共同关注关键问题，于是，高速及超高速数据采集系统应运而生而且得到了快速发展。今天，数据采集技术己经在雷达、通信、水声、振动工程、无损监测、智能仪器、工业自动控制和生物医学工程等众多领域得到广泛应用而且收到了良好效果。高速数据采集系统在国防、航天、边缘科学研究中及国民经济各个领域成功应用，深入引发了各方关注，推进了它研制和发展。伴随科学技术发展，数据采集系统得到了越来越广泛应用。现在，国外很多企业和厂商全部投入巨款进行数据采集系统研制开发和生产销售，其中比较着名有 NEFF， NI、HP，TEK 等。

从数据采集系统产品来看，各大企业提供系列产品全部包含了完成数据采集诸如信号放大、滤波、多路开关、模数转换和接口等多种模块。现有高速数据采集器件和开发产品中，现在还没有完全实现高速、高分辨率。在雷达、通信、谱分析、瞬态分析、电视等应用领域，为满足实时检测和高速采集日益更新需要，实现数据采集高速、高分辨率已成为数据采集系统一个发展方向。现有高速 ADC 器件和产品价格全部比较昂贵，有些高速、高分辨率器件本身还存在着不稳定性，所以，在数据采集系统向高速、高分辨率发展同时，开发和研制器件和产品应不停地提升可靠性，降低成本，提升性价比，方便使之得到更广泛应用。在中国，因为历史、技术等原因，我们产品普遍存在：通用性差、用途单一、测点少、测量距离小、环境适应性差等缺点，远没有形成系列化、模块化、标准化通用产品，根本无法满足中国用户不停增加需要，也远远不能和国外产品抗衡，正所以使得价格高昂国外产品占有了相当大市场份额。
1.3 数据采集系统现实状况及发展

数据采集和分析一直是生产实践研究和应用领域一个热点和难点。伴随微电子制造工艺水平飞速提升及数据分析理论深入完善和成熟，现在中国外对数据采集系统高性能方面研究上取得了很大成就。就 A/D 转换精度、速度和通道数来说，采样通道从单通道发展到双通道、多通道，采样频率、分辨率、精度逐步提升，为分析功效加强提供了前提条件。而在数据分析微处理器上最初数据采集系统以 8 位单片机为关键，伴随微电子技术不停发展，新兴单片机不停问世，十六位、三十二位单片机也为数据采集系统研制厂家所采取，多年来采取含有 DSP 功效数据采集系统也己投入市场。同时，通用 PC 机 CPU 用于数据处理也较为常见。总而言之，伴伴随高性能微处理器采取和用户技术要求不停提升，数据采集系统功效也越来越完善。数据采集系统发展关键表现在以下多个趋势：

首先，在专业测控方面，基于 PC 计算机数据采集系统越来越成熟和智能化。在过去二十年中，开放式架构 PC 机处理能力平均每十八个月就增强一倍。为了充足利用处理器速度发展，现代开放式测量平台结合了高速总线接口，如 PCI和 PXI/Compact PCI，方便取得性能深入提升。计算机性能提升和由此引发基于计算机测量技术创新，正在连续不停地模糊着传统仪器和基于计算机测量仪器之间界线。

其次，在通用测控方面，采取嵌入式微处理器方案也由早期采取 A/D 器件和标准单片机组成应用系统发展到在单芯片上实现完整数据采集和分析，即现在极为热门 SOC (System On Chip)。通常在一块芯片上会集成一个，能够采样多路模拟信号 A/D 转换子系统和一个硬 CPU 核(比如增强型 80_52 内核)，而且其CPU 运算处理速度和性能也较早期标准 CPU 内核提升了数倍，而且有着极低功耗。这种单芯片处理方案降低了系统成本和设计复杂性。

另外，为了处理 SOC 方案中数据处理性能不足，采取 DSP 作为数据采集系统 CPU 研究和应用现在也逐步引发业内重视。不过这类产品现在仅仅处于发展初级阶段，在精度、速度或其它性能指标上并不能很好满足要求。所以，中国外以 DSP 作为数据采集系统采样控制和分析运算研究和应用正在展开。

多年来伴随芯片技术、计算机技术和网络技术发展，数据采集技术取得了很多新技术结果，市场上推出了繁多新产品。高速数据采集技术发展首先是提升采集速率，其次不停向两端延伸。一端是输入信号调理，另一端是采集后数字化信号实时处理和事后处理。20世纪90年代末，伴随数字技术快速发展，数据采集技术已向着并行、高速、大量存放、实时分析处理、集成化等方向发展。

(1) 采样方法

① 过采样（Over Sampling）。采样方法中最早是过采样，依据采样定理，采样频率fs必需高于被采信号最高频率fch两倍，才不致产生频率混叠现象。比如信号最高频率为10kHz，采样频率必需高于20kHz。

② 欠采样（Under Sampling）。在通信和动态数据采集中，发展了一个欠采样技术，即采样频率fs能够低于信号频率fch，但信号频带宽度不得大于0.5fs，利用采样信号产生高次谐波，将采样后信号移至第二或更高奈奎斯特区。比如采样频率fs为10kHz，可对频带fch落于11～14kHz信号(频带宽度为3kHz，低于0.5fs=5kHz)进行欠采样。于是在采样频率2次谐波两边产生采样后信号频带为f2ch = 2fs±fch = 20 kHz±(11～14 kHz)= 31～34 kHz，或9～6 kHz

③ 等效时间采样（Equivalent Time Sampling ）。关键是对于反复周期波形进行等效时间采样。比如美国泰克企业TDS784D数字存放示波器，其实际采样频率为 1 GS/s ( 1GHz )，对于反复周期信号，采取周期微差法，能够达成250GS/s(250GHz)等效时间采样。比如对于 1 GHz 方波，进行周期微差法采样，每个周期采样只有微小时差，将若干个周期中样点集中排列，即可测出方波上升沿和下降沿波形。对于单次瞬态信号，这种方法是无效。

　　④变速率变分辨率采样。

(2) 采集方法发展

① 扫描式采集（Scanning Acquisition）：时分制、多通道巡回采集。

② 并行式采集（Parallel Acquisition)：多个通道同时并行采集，每个通道采取一个独立A/D转换器，通道采集速率只取决于A/D转换速率，和通道数无关。

　　③交替采集（Internative Acquisition）：一个通道由多个A/D转换器交替采集，使每个通道采样速率等于多个A/D转换速率之和，能够高于单个A/D转换速率。

(3) 采集数据实时分析和处理软件

　　现在国外测试仪器或系统生产厂家，在生产硬件同时，推出其对应支持软件或软件开发平台，如为产品开发者提供软件工具；为系统集成者提供系统应用软件集成环境；为终端用户提供编写自己用户应用程序手段。