高速低噪声运放进行缓冲,它的输出是满幅度的(即rail-to-rail) ,采用单5V供电时,可产生0～5V输出,所以说它非常适合用在这里。TLC2543参考电压是电压源芯片AD586产生的+5V精密基准电压。由计算机传送采集设置,采集到的数据通过串行口实时传输给计算机。
（3） 使用USB总线的数据采集器。
USB总线的速度快，而且易扩展，能够采用总线供电，所以使用起来比较灵活。可以在MATLAB的环境下通过USB总线进行实时的信号采集，但是MATLAB自身是不能实现对USB总线的控制功能。在C语言环境下，是可以非常方便地对USB的驱动进行开发和控制。如果对USB的数据采集部分进行驱动和控制利用C语言进行开发，编译成MEX文件，然后在MATLAB中需要时调用即可。
(4) 基于ARM和GPRS的嵌入式多路数据采集系统。
该系统是运行于32位微处理器和嵌入式Linux操作系统的架构上，与传统的解决方案相比，速度更快，数据处理能力更强，功能也扩展了，更加的可靠。并且它有向其它的行业应用的发展前景。
1.3课题的研究目的和任务
设计声音采集系统，该系统利用计算机和声卡的资源完成10kHz以内的声音信号的采集和显示以及对其做一个简单的频谱分析，并且能够实现信号的存储和调用示。设计是以计算机为核心构成数据采集系统，主要模块包括麦克风、声卡和计算机。
系统具体的完成如下功能： 1．10kHz以内信号采集 2. 信号采集系统模型分析 3. 可连接相关处理程序
4. 可发送音频范围内的测试信号 5. 信号存储和调用 6. 信号显示
7. 信号处理结果显示与对比分析
基本要求：根据主要内容提出整体设计方案，确定设计方案满足题目要求及课设要求、明确系统所需的软硬件，并编写系统正常运行所需程序，完成软硬件的调试，使系统正常运行。
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2数据采集系统分析
2.1数据采集系统的构成
近年来，微电子技术与数字信号处理技术的火速发展使得数字信号处理变的非常容易和方便。因此，如果采用数字信号处理技术来处理信号，那么在进行信号处理之前就必须完成数据采集。
数据采集技术是信息科学技术的一个必不可少的分支，它主要研究数据的采集、存储、处理以及控制的问题。在信息处理、智能化仪器以及工业自动化控制等领域，都无法避免数据的采集、传输与控制等问题，将外面世界真实存在的压力、温度、位移以及速度等物理量转化为数字信号，再传输到计算机中并进一步予以显示、处理、传输与记录的过程，称为数据采集。相应的系统也就是数据采集系统。下图1是数据采集系统的系统框图：
图1 数据采集系统的系统框图
传感器是能够感受到特定的被测物理量，并且会呈现一定的规律变化，它通常是由敏感元件和转换元件两部分组成。其中，敏感元件是传感器中能直接感应被测物理量的部分；转换元件是能将敏感元件的输出量转化为方便传输或测量的电信号部分，转换元件是传感器中能够直观感受或响应被测物理量的部分。传感器在一些其他领域中又会被称为检测器或探测器。随着传感器集成技术的发展渐趋成熟，其应用将会越来越广泛。
传感器的功能是把非电的物理量转化成模拟电信号（电流或电压），例如热电偶、热电阻电阻大小随温度变化而变化；转速传感器通常是把转速转换为电脉冲信号。通常把传感器转化成的电信号输入到A/D转换器中，输入的这一段信号电路称为模拟通道。
对传感器输入的信号进行放大滤波就是信号调整模块，用输入放大器来放大和缓冲输入信号，后用抗混叠滤波器滤波。传感器输出的电信号太小，所以需要对其进行放大，以满足A/D转换器的满量程输入的要求。除此之外，一些传感器内阻很大，输
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出功率太小。这样同时放大器还起到了的来缓冲输入信号作用，也就是阻抗变换器的功能。下图2是传感器的工作框图：
图2 传感器的工作框图
A/D转换器的功能就是把不好处理的模拟信号转化为数字信号，具体的转化流程是采样、量化、编码，并且把转化后的数字信息储存在缓存当中，等待中央处理器的读取。要将模拟信号的转换必须由A/D转换器完成，伴随着大规模乃至超大规模集成电路的发展，为了满足各类不同的检测和控制任务的要求，大量的各式A/D转换电路应运而生，有的结构不同，有的性能不同。积分型、传统并行型、逐次逼近型是层出不穷以及新发展起来的∑一△型和流水线型等，所以在选取A/D转换器时我们就要根据应用场合和所需性能指标的要求来选取A/D转换器。低功率、高速度、高分辨率是大家所追求的，也是是A/D转换器的发展方向，所以A/D转换器的这一发展方向肯定是适应现代数字电子技术的发展方向。
2.2基于MATLAB的数据采集系统原理
基于MATLAB的数据采集需要用到数据采集工具箱，使用它可以极大地简化和加快数据采集工作。它将实验测量、数据分析、和可视化的应用集合在一起会更加的容易，它提供了一整套的命令和函数，通过调用这些命令和函数，可以实现各种与计算机兼容的硬件设备的数据采集和通信。因为现在的MATLAB软件自身是集成有数据采集工具箱的，所以一边在实时采集数据，一边就可以对采集到的数据进行分析，或进行相应的处理，或者因为数据分析的需要实时地更新测试条件。
数据采集工具箱给硬件驱动程序和MATLAB环境之间提供了“对话”所需的3种组件,分别是M文件函数、数据采集引擎和硬件驱动接口。MATLAB程序通过这3种组件与数据采集硬件的互联和信息传递，它们之间的关系如图3所示。
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图3 MATLAB数据采集箱提供的三种组件硬件之间的关系
硬件驱动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、检查数据采集设备和数据采集的状态和配置属性值。只有使用工具箱提供的设备对象才能访问硬件端口。设备对象给访问硬件设备带来了方便,数据采集的应用程序需要设备对象来控制。每个设备对象它都会对应着一个规定的硬件子系统,如下图4所示。
MATLAB数据采集工具箱提供了3个设备对象，分别是模拟输入设备对象(AI)、模拟输出设备对象(AO)和数字输入/输出设备对象(DIO)。在每次采样之前,要创建合适的设备对象。
图4 设备对象和硬件子系统
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3基于MATLAB和声卡的数据采集器的设计
3.1方案选取
当今在推进信息化建设的实践中，数据采集技术是不可缺少的重要环节，对设施的影响尤为深远。目前，比较常见的数据采集系统设计方案主要有以下几种：
（1）使用RS232串行通信将采集模块采集到的数据传输到PC机
RS232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，RS232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯，同时又有通信距离短、速率低的缺点。
（2）用AT89C51单片机(MCS51系列)与美国TI(Texas Instruments)公司的A/ D芯片TLC2543制作数据采集卡
该采集系统具有较好的可移动性并降低成本, 但AT89C51的精确度不高。 （3）应用USB总线的数据采集器。
该方案有速度快、易扩展、能够采用总线供电、设备安装和配置容易和使用灵活等优点，但是设计和调试比较麻烦，成本相对较高。
（4）基于ARM和GPRS的嵌入式多路数据采集系统。
该系统运行于32位微处理器和嵌入式Linux操作系统的架构上，与传统的解决方案相比，在可靠性、速度、数据处理能力、功能扩展等方面有了显著改进，并且有向其它场合下的行业应用扩展的前景。
信号采集工程是工程中信号分析和处理的前提，基于MATLAB的数据采集器是为了实现MATLAB与外部环境的交互，达到直接对硬件端口进行读写操作，实现这个目的，要利用MATLAB的数据采集工具箱。数据采集工具箱是MATLAB计算环境中M文件函数、MEX文件和MEX -file 动态链接库的集合。硬件驱动接口也就是硬件驱动程序和数据采集工具箱它们之间的接口，主要目的是通过驱动程序在硬件设备和MATLAB之间传送信息。数据采集工具箱是不会提供硬件驱动的,一般设备供应商提供是会提供硬件驱动的。那么在系统中安装相应的版本NIDAQ驱动即可,它可从硬件的驱动程序实现接收数据的采集,并送入MATLAB。功能包括实时模拟输入(AI,ADC,数据采集)、模拟输出(AO,DAC)、数字量输入输出(DI/DO)。支持流行的硬件,例如声卡、National instruments E系列和1200系列数据采集卡、Hewlett-Packard E1432A系列VXI数据采集卡等。表1是目前支持的供应商和接口卡的名称。
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