基于MATLAB的實時數(shù)據(jù)采集與分析研究

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(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(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]進行模擬仿真，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[2]，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[3]。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[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(shè)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。

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

　?。?）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

　?。?）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(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
 
　?。?）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前值或為顯示某個屬性的當前值，應將對象或?qū)傩悦鳛镚et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(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。

　　（5）清除。當不再需要設(shè)備對象時，應使用刪除函數(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串口封裝起來，只要用Serial函數(shù)創(chuàng)建串口對象即可[6]。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。

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。