基于MATLAB的實時數(shù)據(jù)采集與分析研究
程偉 程文波 李燦平 成都理工大學信息工程學院
摘要: 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學科,,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,利用相應的歸一化技術,,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)換為計算機可識別的有限長二進制數(shù)字編碼,,以此作為研究自然科學和實現(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的量化認識
Abstract:
Key words :
1、引言
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學科,,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,利用相應的歸一化技術,,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)換為計算機可識別的有限長二進制數(shù)字編碼,以此作為研究自然科學和實現(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的量化認識,,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計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行模擬仿真,,結(jié)果實現(xiàn)了對設計系統(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,。

圖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[4][5]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)采集設備如NI卡,、并行口(LPT1-LPT3)、Keithley卡等,。
(4) 采用事件驅(qū)動模式進行數(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。

圖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)建設備的一個對象,。對象創(chuàng)建函數(shù)列表如下:

表1 對象創(chuàng)建函數(shù)列表
?。?)添加通道或數(shù)據(jù)線。模擬量I/O對象中用應添加通道,,而數(shù)字量I/O對象中應添加數(shù)據(jù)線,,與添加通道或數(shù)據(jù)線有關的函數(shù)列表如下:

表2 與添加通道或數(shù)據(jù)線有關的函數(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備特有屬性。其中公共屬性為返回設備對象的所有可配置的公共屬性名及其可能的屬性值,,應將對象作為Set函數(shù)的輸入?yún)?shù),;要返回設備對象的所有公共屬性及其當前值或為顯示某個屬性的當前值,應將對象或?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。
?。?)獲取或輸出數(shù)據(jù),。包括啟動設備對象,記錄或發(fā)送數(shù)據(jù)及停止設備對象三個步驟,。其中啟動設備執(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屬性標識,、記錄狀態(tài)由 Logging屬性標識、發(fā)送狀態(tài)由Sending屬性標識,,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,。
?。?)清除。當不再需要設備對象時,,應使用刪除函數(shù)Delete將設備對象從內(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 應用實例與分析
3.2.1 MATLAB對RS232 的串口通信設計
MATLAB是一個跨平臺軟件,,而此處使用的是自主設計的數(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,,已用一個對象把計算機串口封裝起來,,只要用Serial函數(shù)創(chuàng)建串口對象即可[6]。關鍵語句為: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)境下是擴展名為DLL的動態(tài)鏈接庫,。對MEX 編譯器進行配置的方法是: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[7][8]類似,,在此不再累述。
3.2.2 數(shù)據(jù)采集與分析
?。?)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行的操作,。

圖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,,具有一定的應用價值和發(fā)展前景。
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