计算机仿真技术论文

计算机仿真论文

摘要：

计算机仿真技术是一个十分复杂的专业技术，利用数据采集卡构建的数据采集系统一般价格昂贵且难以与实际需求完全匹配。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。本文详细介绍了系统的开发背景，软件结构和特点，系统地分析了数据采集硬件和软件设计技术，在此基础上以声卡为数据采集卡，以MA TLAB为开发平台设计了数据采集与分析系统。

关键词：声卡数据采集MA TLAB 信号处理

1 引言

系统仿真是建立系统模型，并在模型上进行试验的技术、方法和过程。

随着仿真技术的不断发展，诞生了许多仿真实验室，许多机构也参与到了仿真技术的研发和应用中，积累了大量的仿真资源。本文介绍了MA TLAB及其数据采集工具箱，利用声卡的A/ D、D/ A技术和MA TLAB 的方便编程及可视化功能，提出了一种基于声卡的数据采集与分析方案，该方案具有实现简单、性价比和灵活度高的优点。用MA TLAB 语言编制了相应软件，实现了该系统。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。

1.1 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。

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。

1.2 数据采集系统的现状及发展

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，16位、32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。

采样方式分以下几种：

①过采样（Over Sampling）：采样方式中最早是过采样，根据采样定理，采样频率fs必须高于被采信号最高频率fch的两倍，才不致产生频率混叠现象。

②欠采样（Under Sampling）：在通信和动态数据的采集中，发展了一种欠采样技术，即采样频率fs可以低于信号频率fch，但信号的频带宽度不得大于0.5fs，利用采样信号产生的高次谐波，将采样后的信号移至第二或者更高的奈奎斯特区。

③等效时间采样（Equivalent Time Sampling ）：主要是对于重复的周期波形进行等效时间采样。对于单次瞬态信号，这种方法是无效的。

④变速率变分辨率采样。

2 数据采集系统结构特点

2.1 系统组成结构

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（Human Machine Interface）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。

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。

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。

2.2 系统的特点

现代数据采集系统发展到今天，一般来说具有如下主要特点：

（1）现代采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件投资。

（2）软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。

（3）数据采集与数据处理相互结合的日益紧密，形成数据采集与处理系统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。

（4）数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要；对于通用采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。

（5）随着电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。

（6）总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术它对数据采集系统结构的发展起着重要作用。

系统常见的几种结构形式有：多通道共享采样/保持器和A/D 转换器数据采集系统、多通道同步数据采集系统、多通道并行数据采集系统和分布式数据采集系统。

3 MA TLAB软件简介

MA TLAB 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,MA TLAB 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。

MA TLAB是一种解释语言，所有的程序和指令都必须在MA TLAB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。MA TLAB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MA TLAB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，MA TLAB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MA TLAB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MA TLAB 和C语言交互，也可以开发基于MA TLAB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。

BX07628

王超

2010.06.10