基于MATLAB的数据采集系统开题报告

1  课题背景 数据也称观测值，是实验、测量、观察、调查等的结果，常以数量的形式给出。数据采集，又称数据获取，就是将系统需要管理的所有对象的原始数据收集、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的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，都是数据采集工具。 数据采集（Data Acquisition）是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(可以是物理量，也可以是化学量、生物量等)通过各种传感元件作适当转换后，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。 被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据测量是数据采集的基础。数据测量方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，都以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包括对连续物理量的采集。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，此时被采集的是几何量数据。 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与控制问题，常常需要对外部的温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集。数据采集技术是一种流行且实用的电子技术。它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域。近年来，随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更高、通道更多、数据量更大的发展态势。 数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任务是把信号送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同的需要进行相应的计算和处理。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的数据。同时，还可以用计算机将得到的数据进行储存、显示和打印，以实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被用作生产过程中的反馈控制量。 数据采集系统是计算机测控系统中非常重要的环节，目前，有各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的不同需要，但由于数据源以及用户需求的多样性，有时并不能满足要求。特别是在某些应用中，需要同时高速采集多个通道的数据，而且为了分析比较各通道信号间的相互关系，常常要求所有通道的采集必须同步。现有的数据采集系统能够满足上述要求的比较少，且价格十分昂贵，体积较大，分量较重，使用十分不方便。 一般模拟量是通过各种数据采集卡进行数据采集。目前常用的是具有ISA总线、PCI总线等接口形式的A/D采集卡，虽然数据传输率很高，但是还存在整个系统笨重，缺乏灵活性，不能实现即插即用，不适合小型、便携设备采用等缺点。另外这些类型的采集卡在计算机上安装比较麻烦，而且由于受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制不可能挂接很多设备。因此，工程师们往往需要花费大量的时间和资源用于系统搭建。 随着现代工业技术的迅猛发展，生产规模的不断壮大，生产过程和制作工艺的日趋复杂，对自动测试和各种信息集成的要求也就越来越高。数据采集系统的好坏将直接影响自动测试系统的可靠性和稳定性，为了满足不同的测试需求，以及减少对资源的浪费，在系统的设计上应该尽量满足通用性和可扩展性。在高度发展的当今社会中，科学技术的突飞猛进和生产过程的高度自动化已成为人所共知的必然趋势，而它们的共同要求是必须建立在有着不断发展与提高的信息工业基础上。人们只有从外界获取大量准确、可靠的信息经过一系列的科学分析、处理、加工与判断，进而认识和掌握自然界与科学技术中的各种现象与其相关的变化规律，并通过相应的系统和方法实现科学实验研究与生产过程的高度自动化。换言之，生产过程的自动化面临的第一个问题就是必须根据从各种传感器得到的数据来检测、监视现场，以保证现场设备的正常工作。所以对现场进行数据采集是重要的前期基础工作，然后再对现场数据进行传输和相应的处理工作，以满足不同的需要。 数据采集卡是中低端数据采集系统设计的必选产品。基于 ISA、PCI 的插卡式数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。而现代工业生产和科学研究的发展要求数据采集卡具有更好的数据采集、处理能力，传统的 CPU 已经不能满足这一要求。针对以上要求，本文将论述一种基于PC机的声卡技术，它安装容易，成本较低。只需利用计算机本身的软硬件资源，而不需添加其他任何设备即可构成数据采集与分析系统，使用MATIAB语言编制简洁的图形用户界面，该界面操作方便，并且可以根据用户的需求进行功能扩充。 数据分析在整个科研工作中是个重要的必不可少的环节，它的目的是把隐没在一大批看来杂乱无章的数据中的信息集中、萃取和提炼出来，以找出所研究对象的内在规律。在实用中，数据分析可帮助人们作出判断，以便采取适当行动。数据分析是组织有目的地收集数据、分析数据，使之成为信息的过程。这一过程是质量管理体系的支持过程。在产品的整个寿命周期，包括从市场调研到售后服务和最终处置的各个过程都需要适当运用数据分析过程，以提升有效性。例如，一个企业的领导人要通过市场调查，分析所得数据以判定市场动向，从而制定合适的生产及销售计划。因此数据分析有极其广泛的应用范围。数据分析系统工作的质量和速度如何，对整个科研工作的影响也是很大的。因此研究一种质量性能高的通用数据采集平台具有很大的意义。 在近几十年来IC技术和计算机技术的高速发展，为数据采集与分析提供了非常良好与可靠的科学技术基础，也提出了更高的要求和强有力的推动。如今面临着先进的计算机技术和信息技术与落后的信息采集与分析技术的现实差距，那将大大影响科学技术的高度发展和生产过程的高度自动化。所以，近几十年来世界各国都大量投入进行信息采集与分析的工作，尤其是在经济发达的美、英、德、法日等国与我国，都对这一技术高度重视。 2 研究与应用概况 2.1  国内外研究动态 数据采集是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的实用性。随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛得应用，同时人们对数据采集系统的各项技术指标，如：采样率、线性度、精度、输入范围、控制方法以及抗干扰能力等提出了越来越高的要求，特别是精度和采样率更是使用者和设计者所共同关注的重要问题，于是，高速及超高速数据采集系统应运而生并且得到了快速发展。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、工业自动控制以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用并且收到了良好的效果。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的各个领域的成功的应用，进一步引起了各方的关注，推动了它的研制和发展。随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛的应用。目前，国外很多公司与厂商都投入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较著名的有NEFF，NI、HP，TEK 等。 从数据采集系统产品来看，各大公司提供的系列产品都包括了完成数据采集的诸如信号放大、滤波、多路开关、模数转换和接口等各种模块。现有的高速数据采集器件和开发的产品中，目前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的日益更新的需要，实现数据采集的高速、高分辨率已成为数据采集系统的一个发展方向。现有的高速ADC器件和产品价格都比较昂贵，有些高速、高分辨率的器件本身还存在着不稳定性，因此，在数据采集系统向高速、高分辨率发展的同时，开发和研制的器件和产品应不断地提高可靠性，降低成本，提高性价比，以便使之得到更广泛的应用。在国内，由于历史、技术等原因，我们的产品普遍存在：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、标准化的通用产品，根本无法满足国内用户不断增长的需要，也远远不能与国外产品抗衡，正因此使得价格高昂的国外产品占有了相当大的市场份额。 2.2  现状及发展  数据采集与分析一直是生产实践研究与应用领域的一个热点和难点。随着微电子制造工艺水平的飞速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟，目前国内外对数据采集系统的高性能方面的研究上取得了很大的成就。就 A/D 转换的精度、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、精度逐步提高，为分析功能的加强提供了前提条件。而在数据分析的微处理器上，最初的数据采集系统以 8 位单片机为核心，随着微电子技术的不断发展，新兴单片机的不断问世，十六位、三十二位单片机也为数据采集系统研制厂家所采用，近年来采用具有 DSP 功能的数据采集系统也己投入市场。同时，通用 PC 机的 CPU 用于数据处理也较为常见。总之，伴随着高性能微处理器的采用和用户技术要求的不断提高，数据采集系统的功能也越来越完善。数据采集系统的发展主要体现在以下几个趋势： 首先，在专业测控方面，基于 PC 计算机的数据采集系统越来越成熟和智能化。在过去的二十年中，开放式架构 PC 机的处理能力平均每十八个月就增强一倍。为了充分利用处理器速度的发展，现代开放式测量平台结合了高速总线接口，如 PCI和 PXI/Compact PCI，以便获得性能的进一步提升。计算机的性能提升和由此引起的基于计算机的测量技术的创新，正在持续不断地模糊着传统仪器和基于计算机的测量仪器之间的界线。 其次，在通用测控方面，采用嵌入式微处理器的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 也由早期的采用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的数据采集与分析，即目前极为热门的SOC(System On Chip)。通常在一块芯片上会集成一个，可以采样多路模拟信号的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的运算处理速度和性能也较早期的准CPU内核提高了数倍，而且有着极低的功耗。这种单芯片解决方案降低了系统的成本和设计的复杂性。 此外，为了解决SOC方案中数据处理性能的不足，采用DSP作为数据采集系统的CPU的研究与应用目前也逐渐引起业内重视。但是这类产品目前仅仅处于发展的初级阶段，在精度、速度或其它性能指标上并不能很好的满足要求。因此，国内外以DSP作为数据采集系统的采样控制和分析运算的研究与应用正在展开。 近年来随着芯片技术、计算机技术和网络技术的发展，数据采集技术取得了许多新的技术成果，市场上推出了繁多的新产品。高速数据采集技术的发展一方面是提高采集速率，另一方面不断向两端延伸。一端是输入的信号调理，另一端是采集后的数字化信号的实时处理与事后处理。20世纪90年代末，随着数字技术快速发展，数据采集技术已向着并行、高速、大量存储、实时分析处理、集成化等方向发展。 3  基于MATLAB的数据采集系统设计 3.1  方案论证 基于MATLAB的数据采集系统设计有两种方案： 方案1：一种基于数据采集卡构建的数据采集系统进行数据采集，不过这种方案中数据采集卡一般价格昂贵，费用较高，并且该方案难以与实际需求完全匹配。 方案2：一种基于声卡的数据采集与分析方案来进行数据采集与处理，利用声卡的A/D、D/A技术和MATLAB的方便编程及可视化功能,该方案具有实现简单、性价比和灵活度高等优点，分析了用 MATLAB语言编程实现该数据采集与分析系统的过程， 阐述了对采集到的语音信号加噪声信号后进行滤波的设计方法．系统运行表明：通过计算机声卡能够自动录音和自动保存；用户可在主界面预览时域图形和频谱图，滤波处理后可实时显示和重放录音。 比较两种方案，使用声卡作为数据采集卡，具有价格低廉、开发容易和系统灵活等优点，因此选用方案2，一种基于声卡的数据采集与分析方案，用MATLAB语言编制了相应软件，该软件有着简洁的人机交互工作界面,操作方便,并且可以根据用户的需求进行功能扩充。 3.2  系统结构 数据采集系统主要由两部分组成：采集子系统和计算机子系统，即下位机智能数据采集系统和上位机HMI系统。采集子系统实现将客观世界被测对象信号采集和转换为能被计算机处理的数字信号的功能等；计算机子系统实现对采集数据的控制、存储和处理等功能，计算机起着对采集数据的存储和处理、统计分析、提供人机接口与其他计算机的数据通信和交换的功能。 数据采集系统涉及多学科，所研究的对象是物理或生物等各种非电或电信号。根据各种非电或电信号的特征，利用相应的归一化技术，将其转换为可真实反映事物特征的电信号后，经A／D转换器转换为计算机可识别的有限长二进制数字编码，以此作为研究自然科学和实现工业实时控制的重要依据，实现对宏观和微观自然科学的量化认识，典型的数据采集系统组成如图3-1所示。 图3-1 典型数据采集系统的组成 而一般的外置式数据采集系统结构如图3-2所示。模拟信号由传感器采得经过信号调理模块送入数据采集硬件设备。在数据采集设备中完成A／D转换，包括采样、量化、编码，转化成数字信号后送入与之相连的PC机中。根据不同的要求，在PC机上利用MATLAB以及二次编程实现数据的实时分析与处理。用户可以通过人机交互界面修改、设定各项参数来控制数据采集硬件设备的工作状态，同时可以得到数据的采集与分析结果，从而实现数据采集与分析的自动化。 图3-2 一般的外置式数据采集系统结构 利用声卡在WINDOWS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，这显然增加了开发的难度，并且也极不利于分析功能的进一步扩展。 整个系统可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；数据分析部分对采集到的数据进行频谱分析。全部数据的时域和频域波形以图形方式直观地呈现于用户面前。此外，还提供保存数据以及回放数据的功能。 图3-3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”所需的硬件驱动程序适配器、数据采集引擎和M-文件函数． 图3-3基于MATLAB的数据采集系统简图 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。 4  MATLAB软件 4.1  MATLAB简介 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，它适合于工程各领域的分析设计与复杂计算的软件，该软件包括基本部分和专业扩展两大部分．扩展部分称为工具箱，用于解决某一方面的专业问题．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。对于信号处理和图像处理等数字处理领域,MATLAB 更是得天独厚,它丰富的M文件和强大的绘图可视功能为使用者带来了极大的方便, 被广泛的应用于信号与图像处理、控制系统设计、通信、系统仿真等诸多领域，尤其对初学者可起到事半功倍之效。 MATLAB是一种解释语言，所有的程序和指令都必须在MATLAB解释器中读入后才能运行，因而极大地限制了代码执行速度。MATLAB强大的计算功能只能在其平台上才能使用，也就是说，必需在安装了其解释器的机器上才能使用MATLAB的M文件，这样就给工程应用带来了很大不便。对于一般用户来讲，MATLAB只能作为离线的计算和分析工具，而不能作为实时的工程工具。幸运的是，开发MATLAB的MathWorks公司为广大的应用者提供了应用程序接口(API，ApplicationProgram Interface)和编译器(Compiler)。利用MATLAB和C语言交互，也可以开发基于MATLAB的数据采集系统。如果配上数据采集线路，该系统就可以作为一个虚拟仪器来使用。 4.2  数据采集工具箱及声卡简介  MATLAB自带的数据采集工具箱(Data Acquisitiontoolbox,DAQ)能更容易地将实验测得的数据进行分析和可视化操作。数据采集设备包括:多媒体声卡、美国国家仪器E系列和1200系列接口板、Hewlett-Packard-VXIE1432-系列接口板及其他各种数据采集硬件设备。数据采集硬件设备的内部特性对MATLAB 的接口完全透明,无论是使用一个或几个硬件设备,数据采集工具箱都会向所有硬件设备提供单一和统一的接口。通过调用MATLAB命令和函数可对与计算机兼容的数据采集硬件设备进行访问并对其属性进行可视化监控。 数据采集工具箱是一种建立在MATLAB环境下的M函数文件和MEX动态链接库文件的集合，包含3大区域的组件：M文件函数、数据采集引擎及硬件驱动适配器。它具有如下特点：是一种通过使用与PC机兼容的、即插即用的数据采集设备在MATLAB环境中的架构；支持模拟信号的输入输出以及数字信号的输入、输出，子系统还包括同步模拟输入输出的转换；支持声卡；事件驱动采集。 在MATLAB数据采集工具箱里集成了数据采集的M 文件格式的函数和MEX文件格式的动态链接库。其主要特征如下： (1)提供了将实时测量数据从数据采集硬件采集到MATLAB中的框架。 (2)支持模拟量输入(AI)、模拟量输出(A0)以及数字量I／0子系统，包括模拟量I／O实时变换。 (3)支持PC声卡和业界非常流行的数据采集设备如NI卡、并行口(LPT1-LPT3)、Keithley卡等。 (4)采用事件驱动模式进行数据采集。数据采集工具箱由3部分组成：M文件格式的函数、数据采集引擎和硬件驱动，如图4-1所示。这些组成部分使得MATLAB与数据采集硬件之间的信息传递成为可能。 图4-1 数据采集引擎与硬件驱动 6  进度安排 15-16（1）学期 10-11周 查阅资料，熟悉所设计课题的设计任务 12-14周 英文资料翻译 15-17周 学习MATLAB软件 17-19周 方案设计和论证 15-16（2）学期 01-04周 确定设计方案，掌握数据采集原理,写开题 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 04-05周 基于声卡的数据采集系统的设计 06-10周 系统调试和完善，写中期报告 11-14周 撰写论文  预答辩 15周    答辩 7  工作总结 关于社区教育工作总结关于年中工作总结关于校园安全工作总结关于校园安全工作总结关于意识形态工作总结 目前，我已查阅了关于这个课题的相关资料文献，了解了课题完成的相关知识，对完成这个课题有了清晰的架构，并写了7篇的读书笔记。英文翻译方面我已翻译了一篇与这次课题有关的英文文献。通过方案比较论证，我选择了一种基于声卡的数据采集与分析方案来进行数据采集与处理，利用声卡的A/D、D/A技术和MATLAB的方便编程及可视化功能,该方案具有实现简单、性价比和灵活度高等优点，分析了用 MATLAB语言编程实现该数据采集与分析系统的过程， 阐述了对采集到的语音信号加噪声信号后进行滤波的设计方法。系统运行表明：通过计算机声卡能够自动录音和自动保存；用户可在主界面预览时域图形和频谱图， 滤波处理后可实时显示和重放录音。当然在做课题时，我也遇到了很多问题，通过查阅资料，我弄清楚了如何解决这些问题。接下来的一段时间，我的工作重点是软件的设计，实现课题任务的完成。 参考文献 [1]陈志勇，钱卫飞.基于MATLAB数据采集系统的设计与实现[J].计景技术,2010 （1）:12-15. 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