有關(guān)基于Matlab的計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計成外置式結(jié)構(gòu)，模擬信號經(jīng)/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過串行口傳至較遠(yuǎn)距離之外的計算機。本研究采用RS一232形式接口。數(shù)據(jù)采集卡框，主要包括TI公司生產(chǎn)的一片/D 轉(zhuǎn)換芯片TLC2543及單片機AT89C51。
是帶串行控制和11個輸入端的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置采樣保持器，最長轉(zhuǎn)換時間不超過，內(nèi)置S/H 及多路選擇開關(guān)，單5 V供電，O～模擬輸入，需外接參考電壓輸入。單片機振蕩頻率選用22.118 4 MHz，這樣AT89C51與PC通信波特率可精確地達(dá)到115 200 bps，確保高速采集的數(shù)據(jù)能實時傳送給計算機[3]。
模擬信號輸入用TLC2274高速低噪聲運放緩沖，它的輸出是滿幅度的(即rail—to—rail)，采用單供電時，可產(chǎn)生O～5 V 輸出，用在這里是很合適的。電壓源芯片AD586產(chǎn)生+5 V精密基準(zhǔn)電壓作為TLC2543參考電壓。采集設(shè)置由PC傳送，采得的數(shù)據(jù)經(jīng)過串行口實時傳送給計算機。
系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件包括兩部分，即采集卡上的單片機程序與PC機上用Matlab語言編寫的M 程序。單片機程序按要求(來自PC 串I=I)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)回送至PC，M 程序控制采集卡及接收采集數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)處理、分析、存盤等任務(wù)。
單片機程序設(shè)計為保證采樣頻率準(zhǔn)確，采用定時中斷啟動采集。
采集在中斷服務(wù)程序中完成，每次采集循環(huán)均按指定的通道數(shù)對模擬通道1～11(最少1個通道，最多個通道)進行采集，之后將采得的數(shù)據(jù)傳送至。主程序完成初始化設(shè)置與PC機握手，接收控制參數(shù)，之后等待中斷。接收的參數(shù)有兩個，即通道數(shù)與表示采樣頻率的定時常數(shù)。顯然，這兩個參數(shù)之積大致為一定值。這樣可以通過靈活設(shè)置采樣參數(shù)，充分發(fā)揮采集卡性能。
數(shù)據(jù)采集與傳輸在中斷服務(wù)程序中完成。首先，完成一個循環(huán)的采集與傳輸，即按要求采集相應(yīng)的通道，并傳送2×通道數(shù)個字節(jié)。之后，檢查是否收到結(jié)束信號(檢查RI標(biāo)志位)，若收到，則中斷服務(wù)程序結(jié)束并返回至主程序開始處，即相當(dāng)于程序重新開始，等待下一次采集命令;否則，中斷服務(wù)程序正常結(jié)束，返回主程序，等待下一次中斷。
正常工作時單片機向PC串口高速傳送數(shù)據(jù)而無需接收來自PC的指令或數(shù)據(jù)，只要PC程序程序)設(shè)置較大容量串口通信接收緩存，則單片機只管定時向PC傳送數(shù)據(jù)，而不必?fù)?dān)心PC接收會漏收數(shù)據(jù)。握手信號及控制信號等必須與PC機交互傳送的數(shù)據(jù)，采用了PC機發(fā)送一單片機應(yīng)答一PC機發(fā)送下一字節(jié)的方式，確保單片機準(zhǔn)確接收。
程序設(shè)計采用Matlab編寫的驅(qū)動程序類似于下編寫基于對話框的應(yīng)用程序。利用Matlab的工具可方便地設(shè)計出符合要求的GUI。編程就是合理編寫相應(yīng)的控件回調(diào)函數(shù)，對GUI中控件的回調(diào)函數(shù)(eP Callback)編程。
為該采集系統(tǒng)設(shè)計的GUI共使用6個通用控件，即一個編輯框、4個按鈕及一個圖框。編輯框用來指示當(dāng)前設(shè)置及狀態(tài)，4個按鈕分別對應(yīng)采集系統(tǒng)的4個基本任務(wù)，即數(shù)據(jù)采集(toggle button)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)載入(eP數(shù)據(jù)文件打開)、數(shù)據(jù)存盤，其中后3個按鈕均為radio button型式。下面以“數(shù)據(jù)采集”對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)為例加以說明。
“數(shù)據(jù)采集”回調(diào)函數(shù)button—GatherData—是整個驅(qū)動程序的`核心，在按下該按鈕后開始執(zhí)行。該按鈕設(shè)置為toggle button即自鎖式按鈕，用來完成采集器啟�？刂婆c狀態(tài)指示兩個功能。
圖2是該回調(diào)函數(shù)程序流程框圖。首先檢查該按鈕的status屬性，判斷用戶是啟動采集還是結(jié)束采集。如是啟動采集(eP按鈕由彈開狀態(tài)至壓下狀態(tài))，則握手成功后即發(fā)送控制命令，包括通道數(shù)與代表采樣頻率的時間常數(shù)，之后采集卡立即開始采集，機則開始接收采集。由圖可見，數(shù)據(jù)接收部分實際上是一個循環(huán)程序，直至接收緩存中只有單個字節(jié)#OH時表示單片機已停發(fā)數(shù)據(jù)，此時退出上述循環(huán)，之后進行數(shù)據(jù)處理工作。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)重組與合成：重組是指將接收的數(shù)據(jù)組合成按通道排列的數(shù)據(jù);合成是將兩字節(jié)表示的12位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成實際電壓值，最后將結(jié)果存放于名為的矩陣中，其中 為每通道采樣點數(shù)， 為通道序號。value矩陣實際列數(shù)為通道數(shù)加1，其中第1列為采集時間(根據(jù)采樣頻率求得)，從第2列開始為各通道數(shù)據(jù)。將value設(shè)置為global屬性，這樣在工作區(qū)即可直接存取該矩陣。只要在命令窗口中聲明global value，程序結(jié)束后可直接對進行分析、繪圖等操作，無需先將value從函數(shù)空間裝至工作區(qū)空間，使用方便。只要PC機內(nèi)存足夠，使用者可采集任意時間長的數(shù)據(jù)。
由于利用同一按鈕的兩種狀態(tài)表示啟動與結(jié)束采集，因此就出現(xiàn)了所謂回調(diào)函數(shù)中斷問題。如果不能對回調(diào)函數(shù)進行中斷，則在回調(diào)函數(shù)結(jié)束前系統(tǒng)無法對再次按下按鈕作出響應(yīng)，從而導(dǎo)致無法結(jié)束采集的局面。Matlab共設(shè)計了drawnow、figure、 pause、waitfor與getframe共5條指令用于回調(diào)函數(shù)中斷(詳見Matlab幫助)，圖2的框圖中接收循環(huán)段插入drawnow指令。Matlab執(zhí)行此指令時會自動檢查是否有按鈕按下，若有則中斷當(dāng)前執(zhí)行中的回調(diào)函數(shù)程序而調(diào)用相應(yīng)按鈕對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)(在這里二者均為button_GatherData-Callback)，之后返回至下一句執(zhí)行;否則直接轉(zhuǎn)至下一句(即執(zhí)行。figure(gcf)保證GUI處于當(dāng)前窗口，隨時準(zhǔn)備接收用戶輸入。這樣，就利用了Matlab內(nèi)部回調(diào)函數(shù)中斷機制，正確地響應(yīng)了用戶輸入。
使用一種名為handles的結(jié)構(gòu)來保存數(shù)據(jù)。利用handles可以解決同一GUI中不同回調(diào)函數(shù)之間或者同一回調(diào)函數(shù)不同執(zhí)行次數(shù)之間的通信問題。
“數(shù)據(jù)分析”回調(diào)函數(shù)button—PlotData—根據(jù)需要將所得數(shù)據(jù)(handles結(jié)構(gòu)中)實現(xiàn)繪圖、計算等功能，例如數(shù)據(jù)濾波、頻譜分析、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、二維繪圖甚至三維繪圖等。“數(shù)據(jù)存盤”回調(diào)函數(shù)button—SaveData—Callback將采得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中)存為文本格式的數(shù)據(jù)文件，以方便在各種編輯軟件中打開。該文件包括文件頭與正文兩部分，文件頭主要是一些統(tǒng)計結(jié)果及說明，包括所用通道數(shù)、采樣頻率、每通道總樣點數(shù)、數(shù)據(jù)采集日期與時間等;正文部分即為正式數(shù)據(jù)部分，按列排列，總列數(shù)為通道數(shù)加1，其中第1列為時間，總行數(shù)(正文)為每通道樣點數(shù)。
應(yīng)用設(shè)計的基于Matlab的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用了Matlab方便的串口控制、強大的計算能力及編程方便等特點，在土槽應(yīng)用中，取得了良好的效果。
采集系統(tǒng)在土槽測試裝置中采用磁粉離合器垂直加載系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果。啟用2通道，采樣頻率每通道)，將采集的數(shù)據(jù)用Matlab繪制成二維圖形，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為電壓，分別記錄數(shù)字控制器輸入電壓(來自應(yīng)變儀)與調(diào)整輸出電壓控制器輸出)�？刂破骺刂颇繕�(biāo)是維持其輸入電壓穩(wěn)定(等于2倍設(shè)定值)，數(shù)字控制器采樣頻率為，即每秒對輸出更新100次。由圖可見，系統(tǒng)在數(shù)字控制器輸出(圖3a中上半部分曲線)作用控制下目標(biāo)值曲線基本上為一條水平線，說明反饋控制效果良好。用Matlab圖形自帶的圖形縮放功能可以方便地查看信號細(xì)節(jié)，圖中明顯可見數(shù)字控制器具有的“階梯”式輸出波形。
結(jié)論采用與計算機串口連接的外置式采集卡，利用Matlab語言編寫驅(qū)動程序的計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有優(yōu)良的性價比。系統(tǒng)基本性能總結(jié)如下：模擬通道數(shù)11，模擬輸入電壓0～5 V，分辨率12位，采樣頻率(每通道)與采樣通道數(shù)有關(guān)(二者乘積基本不變)，8通道時每通道可達(dá)450 Hz，2通道時可達(dá)以上，記錄長度(采集時間長度)由用戶決定，理論上最大長度僅取決于系統(tǒng)內(nèi)存容量，完全滿足一般測試系統(tǒng)的需要。
最大采樣頻率主要由A/D轉(zhuǎn)換時間與數(shù)據(jù)傳輸時間決定。上述指標(biāo)是在將每次采集的12位二進制數(shù)據(jù)用兩個字節(jié)(16位)發(fā)送至計算機的情況下測得的結(jié)果。可以簡單地省去冗余位發(fā)送(例如兩次采集結(jié)果即24位用3字節(jié)發(fā)送)以提高采集頻率，還可以通過在采集卡上加上緩存提高采集頻率。
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