1、基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)二目前市面上的數(shù)據(jù)采集卡一般都包含了完好的數(shù)據(jù)采集電路和與計(jì)算機(jī)的接口電路,如ni公司的e系列數(shù)據(jù)采集卡、研華的數(shù)據(jù)采集卡等,其價格是與性能成正比的,可以說比擬昂貴。在采樣頻率要求不高的情況下,可以利用計(jì)算機(jī)的聲卡作為數(shù)據(jù)采集的輸入和輸出。而如今聲卡技術(shù)已經(jīng)成熟,本錢越來越低。一般的聲卡都可以實(shí)現(xiàn)雙通道、16位、高保真的數(shù)據(jù)采集,采樣率甚至可以到達(dá)48khz。對于許多科學(xué)試驗(yàn)和工程測量來說,其樣本量化精度和采樣率是足夠高的,甚至優(yōu)于目前常用數(shù)據(jù)采集卡的性能。將其用于數(shù)據(jù)采集,性價比相當(dāng)高。聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng),其數(shù)字信號處理器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換

2、器(ad)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(da),ad用于采集音頻信號,da用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音,轉(zhuǎn)換率到達(dá)44.1khz。聲卡已成為多媒體計(jì)算機(jī)的一個標(biāo)準(zhǔn)配置,利用聲卡進(jìn)展采樣與輸出,就不需要購置專門的采集卡可以降低虛擬儀器的開發(fā)本錢,且在音頻范圍內(nèi)可以完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。3.3atlab在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工具箱集成于atlab中，所以在進(jìn)展數(shù)據(jù)采集的同時，可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展實(shí)時分析，或者存儲后再進(jìn)展處理，或者針對數(shù)據(jù)分析的需要對測試條件的設(shè)立進(jìn)展不斷的更新。應(yīng)用數(shù)據(jù)采集工具箱提供的命令和函數(shù)可以控制任何類型的數(shù)據(jù)采集。例如，在硬件設(shè)備運(yùn)行時，可以獲取事件信息，評估采集狀態(tài)，定義觸發(fā)器和回訪狀態(tài)，預(yù)覽

3、數(shù)據(jù)以及進(jìn)展實(shí)時分析，可以設(shè)置和顯示所有的硬件特性以滿足用戶的技術(shù)指標(biāo)。4系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案聲音信號的采集與分析處理在工程應(yīng)用中是經(jīng)常需要解決的問題,如何實(shí)時采集聲音信號并對其分析處理,從而找出聲音信號的特征在科學(xué)研究中是一項(xiàng)非常有意義的工作。聲卡是多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最根本、最常用的硬件之一,其技術(shù)開展已經(jīng)成熟,它具有ad/da轉(zhuǎn)換功能,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于聲音信號采集和虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。atlab那么是一種功能強(qiáng)大、計(jì)算效率高、交互性好的數(shù)學(xué)計(jì)算和可視化計(jì)算機(jī)高級語言,它將數(shù)值分析、信號采集與處理和圖形顯示有機(jī)地融為一體,形成了一個極其方便、用戶界面友好的操作環(huán)境。本文所設(shè)計(jì)的聲音信號采集與分析系統(tǒng)

4、就是充分利用了聲卡的ad/da轉(zhuǎn)換功能和atlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,同時,該系統(tǒng)還是建立在atlab軟件的圖形界面實(shí)現(xiàn)的,因此使系統(tǒng)具有良好的交互性?；谟?jì)算機(jī)聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：1價格低廉。在數(shù)據(jù)采集時，所要采用的是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對于某些應(yīng)用場合，可以利用計(jì)算機(jī)上所附帶的聲卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。2靈敏性強(qiáng)。用戶不僅可以進(jìn)展實(shí)時監(jiān)視和控制操作，還可以把數(shù)據(jù)保存到硬盤，供以后分析使用。在pu足夠快的條件下，還可以實(shí)時處理數(shù)據(jù)，動態(tài)顯示波形的頻譜、功率譜。另外在一臺計(jì)算機(jī)上，可以插假設(shè)干塊聲卡，組成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3頻率范圍較窄，不能測直流。由于受聲卡的硬件限制，要得到較好的波形，輸

5、入信號的頻率最好在100hz15khz范圍內(nèi)?？傊?，運(yùn)用廉價的聲卡，構(gòu)成一個較高的采樣精度，中等采樣頻率，且具有很大靈敏性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對于一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。4.1系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)atlab提供了一個數(shù)據(jù)采集工具箱(dataaquisitintlbx),在該數(shù)據(jù)采集工具箱中,有一整套的命令和函數(shù),可用來直接控制與p機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)展數(shù)據(jù)采集,因此,利用atlab的這一工具箱便可進(jìn)展聲音信號的采集。然后在atlab中直接調(diào)用頻譜分析函數(shù)、功率譜分析函數(shù)或數(shù)值分析函數(shù)等,就可以將采集到的聲音信號分別進(jìn)展頻譜、功率譜分析等多種譜分析。因此,在atlab中可以很容易地實(shí)現(xiàn)信號采集與分析

6、處理工作。圖4-1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體框圖從系統(tǒng)框圖上看,整個系統(tǒng)構(gòu)造簡單,而且數(shù)據(jù)的后續(xù)分析方便,不需要再進(jìn)展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移,而直接在atlab軟件中完成分析處理工作。在該系統(tǒng)中,從硬件上來講,只需必要的信號預(yù)處理電路和一臺普通的多媒體計(jì)算機(jī)(或筆記本電腦)即可;從軟件上來講,那么只需使用本文中所編制的程序,便可從聲卡獲取數(shù)據(jù)并保存為文件,然后再可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)展數(shù)據(jù)分析處理。4.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大局部組成,數(shù)據(jù)采集局部是實(shí)現(xiàn)信號采集功能,根據(jù)用戶選擇的采樣頻率和預(yù)設(shè)的采樣樣本數(shù)從聲卡獲得用戶需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析局部主要實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)從信號采集局部獲取數(shù)據(jù),或者從數(shù)據(jù)文件

7、讀取數(shù)據(jù);(2)實(shí)現(xiàn)將采集到的聲音信號數(shù)據(jù)進(jìn)展頻譜分析,畫出頻譜圖以圖形方式很直觀地反映出信號特征;(3)保存數(shù)據(jù),包括保存所有數(shù)據(jù)和局部數(shù)據(jù)的功能,同時保存對應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù);(4)顯示聲音信號數(shù)據(jù)的時域圖和頻譜圖;(5)其他功能。根據(jù)不同的需要,還可以進(jìn)展修改,以選擇適宜的實(shí)驗(yàn)方案。4.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)聲音信號采集功能的實(shí)現(xiàn)是由atlab控制計(jì)算機(jī)聲卡將傳感器得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在計(jì)算機(jī)中;而信號分析功能是將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)展時、頻域分析和各項(xiàng)數(shù)值分析等。整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的硬件配置、編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)四局部。4.3.1聲音信號采集的硬

8、件配置將聲卡插入計(jì)算機(jī)的pi插槽,安裝好相應(yīng)的驅(qū)動程序后,將聲音傳感器設(shè)備與聲卡的模擬輸入端連接起來,這就構(gòu)建了聲音采集的硬件設(shè)備,需要注意的是對聲音傳感器的選擇,應(yīng)選擇音頻專用電纜或屏蔽電纜以減小噪聲信號的引入,最好能選擇單向性聲音傳感器。在atlab的信號采集工具箱中有專門為聲卡生成一個操作對象的函數(shù),初始化該操作對象即能建立atlab與聲卡的通信,并為已創(chuàng)立的聲卡設(shè)備對象增加數(shù)據(jù)采集通道和觸發(fā)方式。假設(shè)缺省設(shè)置那么系統(tǒng)采用一個數(shù)據(jù)通道、手動觸發(fā)方式啟開工作。進(jìn)展數(shù)據(jù)采集時,根據(jù)所配置的聲卡的工作特性和信號分析的設(shè)計(jì)要求,可設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來控制聲卡在數(shù)據(jù)采集時的行為,如采樣頻率、采樣時間、

9、預(yù)計(jì)模擬信號的輸入/輸出范圍、采樣的出發(fā)方式,采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲等。另外需要注意的一點(diǎn)是采樣頻率是由聲卡的物理特性決定的,實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)情況選擇一個聲卡支持的采樣頻率.atlab支持電平觸發(fā)、事件觸發(fā)和手動觸發(fā)三種方式來啟動數(shù)據(jù)采集工作。聲音信號采集硬件配置的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程:sund=analginput(insund);%insund為聲卡的驅(qū)動程序hannel=addhannel(sund,1);%添加通道為單聲道set(sund,saplerate,44100);%設(shè)置采樣頻率為44100hzset(sund,saplespertrigger,22050);%設(shè)置采樣時間為0.5sset

10、(sund,triggertype,anual);%設(shè)置觸發(fā)方式為手工觸發(fā).%其它的相關(guān)設(shè)置4.3.2數(shù)據(jù)采集啟動設(shè)備對象,控制聲卡開場采集數(shù)據(jù),采集過程中可以向聲卡發(fā)送控制命令,如暫停采集、退出采集等。采集到的數(shù)據(jù)被暫時存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中,理論上可采集的最大數(shù)據(jù)量是由計(jì)算機(jī)的內(nèi)存量所決定的。同時,atlab可以記錄采集設(shè)備的硬件屬性、采集的啟動時刻、采集時間、采樣頻率及采樣通道等信息,假如采集過程中出現(xiàn)了錯誤,那么出錯的時刻、錯誤產(chǎn)生的來源等信息也都會被記錄下來供后續(xù)工作參考。需要注意的是,執(zhí)行完一次數(shù)據(jù)采集工作后應(yīng)刪除設(shè)備對象,將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲在硬盤上之后釋放數(shù)據(jù)存儲所占用的內(nèi)存空間,

11、以備下一次采集能有足夠的內(nèi)存空間存儲新的數(shù)據(jù)，聲音信號采集的實(shí)現(xiàn)程序?yàn)?start(sund);%啟動設(shè)備對象trytie=0;data=0;data,tie=getdata(sund);%獲取采樣數(shù)據(jù)athtie=0;data=0;disp(atieuturred);endstp(sund);%停頓設(shè)備對象delete(sund);%刪除設(shè)備對象4.3.3數(shù)據(jù)分析在設(shè)計(jì)該局部時,不僅要務(wù)實(shí)現(xiàn)能從數(shù)據(jù)采集局部直接獲取數(shù)據(jù),還需實(shí)現(xiàn)能從文件中讀取以前所保持好的數(shù)據(jù)。之后,用戶可以根據(jù)實(shí)際研究的需要,在atlab中調(diào)用頻譜分析函數(shù)(peridgra等)、功率譜分析函數(shù)(psd等)或數(shù)值分析函數(shù)(f

12、inbnd等),就可以將采集到的聲音信號分別進(jìn)展頻譜、功率譜分析等多種譜分析,并且可方便地將分析結(jié)果以圖形的形式顯示出來,如圖4-2所示。在研究蛋殼破損自動檢測過程中,通過對所采集的蛋殼聲音信號進(jìn)展頻譜分析,找出區(qū)分損殼蛋與好殼蛋的特征變量,從而實(shí)現(xiàn)蛋殼破損的自動檢測。對所采集的聲音信號進(jìn)展頻譜分析的程序?yàn)?.%獲取采樣數(shù)據(jù)px=abs(fft(data,512)2/512;%對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展傅立葉變換px=px(1:256);s=60+10*lg10(px);.%其它功能圖4-2聲音信號的采集與頻譜分析4.3.4系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)利用atlab軟件中g(shù)ui模塊進(jìn)展設(shè)計(jì),在atlab中可以方便地設(shè)

13、計(jì)出基于對話框的圖形用戶界面,它提供了諸如編輯框、按鈕、滾動條等圖形對象,通過對這些圖形對象的有機(jī)組合,再對相應(yīng)的圖形對象編寫程序,就可以設(shè)計(jì)出界面友好、操作方便的系統(tǒng)軟件。圖4-2所示為聲音信號采集與頻譜分析系統(tǒng)的運(yùn)行界面,還可再根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)展擴(kuò)展。建立基于聲卡和atlab的信號采集與分析系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)信號采集、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)果顯示等功能。理論證明該系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時性好、性價比高、人機(jī)界面友好、晉級修改簡單等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)展工程研究過程中,常常需要進(jìn)展屢次實(shí)驗(yàn),采集大量的數(shù)據(jù),并且要求對數(shù)據(jù)能實(shí)時地進(jìn)展分析處理,該系統(tǒng)能很好地滿足這種研究需要。此外,這一系統(tǒng)還可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他相

14、關(guān)的領(lǐng)域中,如在語音識別工作中可以用該系統(tǒng)采集語音信號并且參加語音處理的相關(guān)分析等。因此,該系統(tǒng)不僅具有良好的實(shí)用性,還可為其他的相關(guān)研究提供理論和應(yīng)用基矗語音信號分析處理系統(tǒng)一般由聲電傳感器(麥克風(fēng))、數(shù)據(jù)采集卡、處理器(計(jì)算機(jī))、軟件系統(tǒng)等幾局部組成。商品數(shù)據(jù)采集卡(a/d板)都包含了完好的數(shù)據(jù)采集電路和計(jì)算機(jī)接口電路,并同時提供驅(qū)動程序,產(chǎn)品和種類繁多,性能價格各異,價格一般都比擬貴。p機(jī)的聲卡本身就是一個廉價同時又非常優(yōu)秀的語音信號采集系統(tǒng),它采用直接內(nèi)存讀取方式傳輸數(shù)據(jù),極大地降低了pu的占用率;不僅如此,聲卡16位的a/d轉(zhuǎn)換精度比普通16位a/d卡要高,可以滿足語音信號采集分析要

15、求。5應(yīng)用設(shè)計(jì)一、對聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對象(ai)進(jìn)展操作聲卡是atlab數(shù)據(jù)采集工具箱所支持的一種硬件，用聲卡完成一個簡單的數(shù)據(jù)采集過程，麥克風(fēng)就成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器1)創(chuàng)立設(shè)備對象，這里創(chuàng)立的是一個聲卡ai設(shè)備對象，硬件設(shè)備標(biāo)示符為2ai=analginput(insund,2)；2)給設(shè)備對象添加通道，這里添加1個通道addhannel(ai,1)；3)設(shè)定設(shè)備屬性值，控制數(shù)據(jù)采集freq=8000；采樣頻率8000hzset(ai，sapleratefreq)duratin=2；采樣時間2sset(ai，saplespertrigger,duratin*freq)；4)數(shù)據(jù)采集及

16、結(jié)果處理在這里首先將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)展快速傅立葉變換，然后轉(zhuǎn)化成分貝，并顯示結(jié)果的實(shí)數(shù)局部start(ai)；data=getdata(ai)；fftdata=abs(fft(data)；ag=20*lgl0(fftdata)；ag=ag(1：end2)；5)去除內(nèi)存中的設(shè)備對象delete(ai)；learai；圖5-1采樣過程中沒有對麥克風(fēng)講話圖5-2采樣過程中對麥克風(fēng)講話結(jié)果分析：圖5-1是在采樣過程中翻開麥克風(fēng)，但是沒有對麥克風(fēng)講話的結(jié)果(對不同品牌、質(zhì)量的聲卡，結(jié)果可能有所不同)，圖5-2是在采樣的過程中對麥克風(fēng)講話的結(jié)果可以看出，講話與否(傳感器感受端的變化)改變了所采集到的數(shù)據(jù)的

17、結(jié)果二、直接利用atlab數(shù)據(jù)采集箱中提供的函數(shù)命令進(jìn)展采集一般的采樣過程是對聲卡產(chǎn)生的模擬輸入對象(ai)進(jìn)展操作的,由于計(jì)算機(jī)配置和模擬通道的運(yùn)用使得數(shù)據(jù)采集過程顯得煩瑣難以理解,有時還不易獲得采樣數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)一種更為簡單實(shí)用的方法可以進(jìn)展數(shù)據(jù)采集。在闡述之前,首先介紹一下atlab數(shù)據(jù)采集箱中的幾條有關(guān)命令:avrerd:avrerd利用inds音頻輸入設(shè)備記錄聲音,其調(diào)用形式為:avrerd(n,fs,h)。利用inds音頻輸入設(shè)備記錄n個音頻采樣,頻率為fshz,通道數(shù)為h。采樣值返回到一個大小為n*h的矩陣中。缺省時,fs=11025,h=1。aveplay:aveplay利

18、用inds音頻輸出設(shè)備播放聲音,其調(diào)用形為:aveplay(y,fs)。以采樣頻率fs向inds音頻設(shè)備發(fā)送向量信號。標(biāo)準(zhǔn)的音頻采樣率有:8000、11025、22050和44100hz。avread:avread用于讀取irsft的擴(kuò)展名為“.av的聲音文件。其調(diào)用形式為:y=avread(file)。其作用是從字符串file所指的文件途徑讀取ave文件,將讀取的采樣數(shù)據(jù)送到y(tǒng)中。y的取值范圍:-1,1。sund:音頻信號是以向量的形式表示聲音采樣的。sund函數(shù)用于將向量轉(zhuǎn)換為聲音,其調(diào)用形式為:sund(y,fs),作用是向揚(yáng)聲器送出向量y中的音頻信號(采樣頻率為fs)。應(yīng)用上述所講到的

19、atlab數(shù)據(jù)采集箱提供的函數(shù)進(jìn)展一次簡單的語音信號的采集實(shí)驗(yàn)。記錄5秒鐘的8位音頻語音信號并回放之,采樣頻率設(shè)為11025hz。fs=11025;設(shè)置采樣頻率y1=avrerd(5*fs,fs,uint8);進(jìn)展無語音采集plt(y1);y2=avrerd(5*fs,fs,uint8);開場采集8位語音信號,時間為5splt(y2);avplay(y2,fs);回放所采集的語音sund(y2,fs);y1=fft(y2);做信號的fft變換plt(y2);圖5-3無聲音信號輸入波形圖5-4有聲音信號輸入波形圖5-5聲音信號傅里葉變換圖形分析：用戶可以變換采樣頻率及采樣時間,也可以不同的頻率回放語音。感受不同函數(shù)在一樣的頻率下回放的語音信號是否一致。此例進(jìn)展的是實(shí)時回放,假設(shè)要事后回放那么可用avread函數(shù)。從程序語言及實(shí)現(xiàn)上可看出此方法簡便了許多,而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。圖5-3為在采樣過程中翻開麥克風(fēng),