基于MATALB的数据采集器设计本科毕业设计.docx
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基于MATALB的数据采集器设计本科毕业设计
CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY
毕业设计（论文）
题目：
基于MATALB的数据采集器设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
毕业设计（论文）任务书
电气与信息工程 学院 电子信息工程 专业258410602班
题目基于MATLAB的数据采集器设计
任务起止日期：
2010年3月22日～2010年6月25日
学生姓名学号200684250202
指导教师
教研室主任年月日审查
院长年月日批准
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（ApplicationProgramInterface），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）:
287－292.
[6]J.Ludvig,J.Mcarthy,S.Meuendorfferetc.ReprogrammablePlatformsforHigh-SpeedDataAcquisition[J].DesignAutomationforEmbeddedSystems，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.Mülle,A.Bogaerts,J.Buytaertetc.FirstExperiencewiththeScalableCoherentInterface[Z].
[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]VincenzoGattulli,MarcoLepidiandFrancescoPotenza.Seismicprotectionofframestructuresviasemi-activecontrol:
modelingandimplementationissues[J].EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATION,2009（8）627-645.
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
二、毕业设计（论文）工作进度计划表
序号
毕业设计（论文）工作任务
工作进度日程安排
周次
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1
查找,收集并研究资料
4～7
一
一
一
一
2
确定设计方案
8，9
一
一
3
软硬件设计
10～12
一
一
一
4
仿真
13
一
5
设计总结
14
一
6
完成毕业设计论文，准备答辩
15～17
一
一
一
7
8
9
10
注：
1.此表由指导教师填写；
2.此表每个学生人手一份，作为毕业设计（论文）检查工作进度之依据；
3.进度安排请用“一”在相应位置画出。
三、学生完成毕业设计（论文）阶段任务情况检查表
时间
第一阶段
第二阶段
第三阶段
内容
组织纪律
完成任务情况
组织纪律
完成任务情况
组织纪律
完成任务情况
检
查
记
录
教师
签字
签字日期
签字日期
签字日期
注：
1.此表应由指导教师认真填写。
阶段分布由各学院自行决定。
2.“组织纪律”一档应按《长沙理工大学学生学籍管理实施办法》精神，根据学生具体执行情况，如实填写。
3.“完成任务情况”一档应按学生是否按进度保质保量完成任务的情况填写。
包括优点，存在的问题与建议
4.对违纪和不能按时完成任务者，指导教师可根据情节轻重对该生提出忠告并督促其完成。
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
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
DATAACQUISITIONDESIGNBASEDONMATLAB
Abstract
Nowadays,ascomputersiswidelyused,DataAcquisitionisabridgebetweencomputerandtheexternalphysicalworld.DataAcquisitionSystemsisquicklyappliedwiththerapiddevelopmentandthepopularityofcomputertechnology.Inordertoimprovingproductqualityandreducingcosts,thissystemisusedtocollect,monitorandrecordtheproductionprocessparametersIntheproductionprocess.applyingdataacquisitionsystemswillgatheralotofdynamicinformationInscientificresearch,whichisthepowerfultooltostudytheInstantaneousphysicalprocessandoneofimportantmeansofaccesstothemysteriesofscience.Inshort,moretimelydataacquireandprocessregardlessofwhereapplications,higherefficiencyandhighereconomicefficiencywillachieve.ThisthesisfocusesonthecollectionandprocessingofvoicesignalsofDataAcquisitiondesignbasedonMATLAB,systemstructure,designanddevelopmentprocess.
ThecoreofDataAcquisitionSystemisacomputer,thesystemisdividedintosensormodule,signalconditioningmodule,A/Dconvertermodule,andcomputerparts.Basedonthisgeneralschemewasputforward,andfinallyeverymoduleistestdeandverifiedbythehardwareandsoftware.firstly,signalswillbemeasuredandtransmittedtothesignaladjustmentmoduletozoominorfilterfromthesensors.Secondly,theA/Dconversion（collect,quantitative,codingprocess）ofsignalthroughthesoundcard.Atlastputtingitstoredintothecomputerorprocessed.
Hardwarereferencetothemicrophoneasasoundsignalsensor,AD620asasignalamplifierinsignalconditioningmodule,asoundcardwithsoftwarecontrolasaA/Dconvertermoduleofsignal,thecomputerusedtosignalstorageandprocessing.SoftwarecomponentswithMATLAB,mainlyusedinMATLAB'sDataAcquisitionToolbox.Firstly,initializedbythesoftwareonthesoundcardtocreatedeviceobject,thenalltheparameterscollectedintheset.Finally,thereisagraphsboutdataacquisitionwaveform,fromwhichshows,DataAcquisitionaftertheactualtest,almostmeetthetechnicalrequirements.
Keywords：
DataAcquisition;A/Dconversion;Sensor;Soundcard
1绪论………………………..……………………………….………………………1
1.1课题背景及意义………..……………………………….……………………1
1.2数据采集器的研究状况………….…………………………………………2
1.3论文的主要内容………..……………………………….……………………3
2数据采集系统分析……..………………...……………….………………………4
2.1数据采集系统构成………………………..............….………………………5
2.2基于MATLAB的数据采集系统原理………………………….………………7
2.3本章小结……..……………………………….………………………………9
3基于MATLAB和声卡的数据采集器设计……..………………………………10
3.1方案选取……..……………………………….…………………………..…10
3.2传声器的选择……..……………………………….………………………12
3.3信号放大电路…..……………………………….…………………………13
3.4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………………….……………………15
3.4.2声卡的驱动软件…………………………………………………16
3.4.3采样参数设置……………………………………………………16
3.5本章小结……..……………………………….……………………………19
4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……..……………………………….…………………………….25
4.3本章小结……..……………………………….…………………………….26
5结论……..……………………………….…………..……………………………27
致谢……..…………………..……………………………….………………………28
参考文献……..……………..……………………………….……………………29
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（Version6.1）的数据采集箱（DataAcquisitionToolboxVesion2.1）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：
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
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