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1、引言 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學(xué)科，所研究的對象是物理或生物等各種非電或電信號。根據(jù)各種非電或電信號的特征，利用相應(yīng)的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換為可真實反映事物特征的電信號后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可識別的有限長二進(jìn)制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學(xué)和實現(xiàn)工業(yè)實時控制的重要依據(jù)，實現(xiàn)對宏觀和微觀自然科學(xué)的量化認(rèn)識，典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖1所示。 在采集過程中，將傳感器獲取的參數(shù)通過A/D轉(zhuǎn)換送入內(nèi)存，然后由CPU對其進(jìn)行分析、運算和處理，如數(shù)字濾波、量綱變換、誤差修正、數(shù)字顯示等。在本文中，嘗試通過利用MATLAB的數(shù)據(jù)采集工具箱對自主設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果實現(xiàn)了對設(shè)計系統(tǒng)的模擬操作檢驗與數(shù)據(jù)分析。為了滿足實時采集的要求，采用了Compilier編譯器，Compilier以M語言編制的程序為輸入，可以根據(jù)需要生成獨立運行的應(yīng)用程序或可以被 C/C++程序調(diào)用的動態(tài)鏈接庫文件。它支持MATLAB所有的內(nèi)部函數(shù)，可使程序變得簡潔高效。 Figure 1 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 2、數(shù)據(jù)采集工具箱介紹 在MATLAB數(shù)據(jù)采集工具箱里集成了數(shù)據(jù)采集的M文件格式的函數(shù)和MEX文件格式的動態(tài)鏈接庫。其主要特征如下： (1) 提供了將實時測量數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集硬件采集到MATLAB中的框架。 (2) 支持模擬量輸入（AI）、模擬量輸出（AO）以及數(shù)字量I/O子系統(tǒng)，包括模擬量I/O實時變換。 (3) 支持PC聲卡和業(yè)界非常流行的數(shù)據(jù)采集設(shè)備如NI卡、并行口（LPT1-LPT3）、Keithley卡等。 (4) 采用事件驅(qū)動模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集工具箱由三部分組成：M文件格式的函數(shù)、數(shù)據(jù)采集引擎和硬件驅(qū)動，如圖2所示。這些組成部分使得MATLAB與數(shù)據(jù)采集硬件之間的信息傳遞成為可能。 Figure 2 數(shù)據(jù)采集引擎與硬件驅(qū)動 3、數(shù)據(jù)采集過程 3.1 數(shù)據(jù)采集的基本步驟 （1）創(chuàng)建設(shè)備的一個對象。對象創(chuàng)建函數(shù)列表如下： Table 1 對象創(chuàng)建函數(shù)列表 （2）添加通道或數(shù)據(jù)線。模擬量I/O對象中用應(yīng)添加通道，而數(shù)字量I/O對象中應(yīng)添加數(shù)據(jù)線，與添加通道或數(shù)據(jù)線有關(guān)的函數(shù)列表如下： Table 2 與添加通道或數(shù)據(jù)線有關(guān)的函數(shù)列表 （3）配置屬性。屬性分為公共屬性和通道/數(shù)據(jù)線屬性，而兩者又再被分為基本屬性與設(shè)備特有屬性。其中公共屬性為返回設(shè)備對象的所有可配置的公共屬性名及其可能的屬性值，應(yīng)將對象作為Set函數(shù)的輸入?yún)?shù)；要返回設(shè)備對象的所有公共屬性及其當(dāng)前值或為顯示某個屬性的當(dāng)前值，應(yīng)將對象或?qū)傩悦鳛?Get函數(shù)的輸入?yún)?shù)。對于通道/數(shù)據(jù)線屬性，則使用Channel(Line)屬性。 （4）獲取或輸出數(shù)據(jù)。包括啟動設(shè)備對象，記錄或發(fā)送數(shù)據(jù)及停止設(shè)備對象三個步驟。其中啟動設(shè)備執(zhí)行Start函數(shù)、提取記錄數(shù)據(jù)使用 Getdata函數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)前的數(shù)據(jù)排列使用Putdata函數(shù)、停止使用用Stop函數(shù)；另外運行狀態(tài)用Running屬性標(biāo)識、記錄狀態(tài)由 Logging屬性標(biāo)識、發(fā)送狀態(tài)由Sending屬性標(biāo)識，其取值均為On或Off。對于數(shù)字量I/O對象，該部分處理有所不同。 （5）清除。當(dāng)不再需要設(shè)備對象時，應(yīng)使用刪除函數(shù)Delete將設(shè)備對象從內(nèi)存中清除，并使用清除命令Clear將對象從MATLAB工作空間中清除。 3.2 應(yīng)用實例與分析 3.2.1 MATLAB對RS232 的串口通信設(shè)計 MATLAB是一個跨平臺軟件，而此處使用的是自主設(shè)計的數(shù)據(jù)采集卡，因此不具備直接訪問的能力。但MATLAB的面向?qū)ο蠹夹g(shù)，已用一個對象把計算機(jī)串口封裝起來，只要用Serial函數(shù)創(chuàng)建串口對象即可。關(guān)鍵語句為：s=serial(‘COM1’，‘BaudRate’,9600)。 MATLAB封裝的串口對象支持對串口的異步讀寫操作，通過對異步讀寫設(shè)置，PC在執(zhí)行讀寫串口函數(shù)時能立即返回，不必等待串口把數(shù)據(jù)串輸完畢。當(dāng)指定數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時就觸發(fā)事件，執(zhí)行事件回調(diào)函數(shù)，對事件回調(diào)函數(shù)編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣可以大大提高數(shù)據(jù)處理的效率。 MEX是MATLAB的可執(zhí)行程序，是MATLAB調(diào)用其它語言編寫的程序或算法的接口，在Windows環(huán)境下是擴(kuò)展名為DLL的動態(tài)鏈接庫。對MEX 編譯器進(jìn)行配置的方法是：在MATLAB命令窗口中運行mex-setup，選擇VC6.0++作為編譯器。用C語言編寫端口讀、寫的操作程序，程序包含有頭文件mex.h和mexFunction函數(shù)，mexFunction函數(shù)中nelhs表示輸出變量的個數(shù)，plhs包含指向輸出變量指針的數(shù)組，nrhs表示輸入變量的個數(shù)，prhs包含指向輸入變量指針的數(shù)組。接口編形成的MEX文件與參考文獻(xiàn)類似，在此不再累述。 3.2.2 數(shù)據(jù)采集與分析 （1）數(shù)據(jù)讀取的MATLAB實現(xiàn) 主要代碼為： %讀取通道數(shù)及總數(shù)據(jù)量 fid=fopen(‘cardiogram.add’,‘r’); Status=fseek(fid,56,‘bof’); nDataChNum=fread(fid,1,‘long’); status=fseek(fid,204, ‘bof’); nAllDataLength=fread(fid,1, ‘long’); %按通道數(shù)循環(huán)讀出各通道起始地址 status=fseek(fid,76, ‘bof’);% for i="1:" nDataChNum pChannelAdr(i)=fread(fid,1, ‘long’) end %按通道數(shù)循環(huán)讀出各通道數(shù)據(jù) for i="1:nDataChNum" status=fseek(fid,pChannelAdr(i)+360, ‘bof’) nSegNum=fread(fid,1, ‘log’) status=fseek(fid,pChannelAdr(i)+160*nSegNum+1024, ‘bof’); data=fread(fid,nAllDataLength, ‘short’); end sta=fclose(fid); (2)數(shù)據(jù)處理與圖形繪制 利用MATLAB的圖形用戶接口，通過編程可以很方便地構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與分析的用戶交互界面。將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的實際心電圖信號，用RS232導(dǎo)入到PC 中。在MATLAB環(huán)境下，運行以上已經(jīng)編好的程序，即可得到如下的模擬實驗結(jié)果。不過要說明的是，此處使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是八通道同步采集，而仿真時僅使用的是其中一個通道進(jìn)行的操作。 figure 3 實際心電圖信號的采集與處理效果圖 4、結(jié)語 使用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過合理運用串口及MTLAB強(qiáng)大的數(shù)值計算和分析功能，實現(xiàn)了基于MATLAB的實時數(shù)據(jù)處理和分析。通過模擬實驗表明，該方法對于其它類似采集卡依然實用，具有一定的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。 |
