基于MATALB的数据采集器设计本科毕业设计 - 图文

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

第 1 页 共 31 页

基于MATLAB的数据采集器设计

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： ⑴ 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。

⑵ 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,0～5V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

第 2 页 共 31 页

基于MATLAB的数据采集器设计

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0～5V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。

第 3 页 共 31 页

基于MATLAB的数据采集器设计

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

了调试。

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

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。

第 4 页 共 31 页