基于Matlab的USB數(shù)據(jù)采集卡上位機處理系統(tǒng)

張聰慧，鄭正奇

（華東師范大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海200241）

以多通道測距雷達信號的處理為研究背景，要求對USB數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理，得到多路測距雷達差頻信號的頻率與電壓幅度。為此以Matlab為平臺，接收USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后進行處理，并使用Matlab GUI設(shè)計用戶操作界面，完成了一個完整的基于Matlab的USB數(shù)據(jù)采集卡上位機程序。

1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

本上位機系統(tǒng)對應(yīng)的USB數(shù)據(jù)采集卡與上位機的接口基于Cypress公司的CY7C68013A，它支持USB 2.0協(xié)議，且自帶增強型8051單片機。利用Mex文件作為Matlab與C語言的程序接口，實現(xiàn)了Matlab對USB接口數(shù)據(jù)的讀寫操作，并利用Matlab進行進一步的數(shù)據(jù)處理和界面顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 Matlab讀取USB數(shù)據(jù)

Matlab不能直接對USB數(shù)據(jù)進行操作，但可通過API與外部程序接口，即Mex文件，來調(diào)用C語言程序加以實現(xiàn)。

2.1 Mex文件及其編寫環(huán)境

Mex文件是個動態(tài)鏈接子程序，它可在Matlab中被直接調(diào)用來控制多種硬件接口。Mex文件分為兩部分：控制實現(xiàn)部分以及入口程序部分，它們分別負責(zé)程序的功能實現(xiàn)和與Matlab的數(shù)據(jù)連接。

本設(shè)計中，Mex文件使用VC2008進行編寫，新建工程類型為MFC DLL，Cypress公司提供適用于CY7C68013A的API函數(shù)庫，可以通過將CyAPI.h和CyAPI.lib添加到VC工程中直接加以調(diào)用，從而實現(xiàn)各種USB接口操作[1-2]。

2.2 Mex控制實現(xiàn)部分

程序中，Mex控制實現(xiàn)部分的具體功能依次為：調(diào)用USB驅(qū)動模塊，打開USB設(shè)備，讀取USB數(shù)據(jù)，將讀取的數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)中。它由入口程序調(diào)用，部分程序代碼[3]如下：

2.3 Mex入口程序

Mex入口程序是Matlab與Mex控制實現(xiàn)部分的接口，其參數(shù)prhs、nrhs、plhs、nlhs分別為輸入?yún)?shù)數(shù)列、輸入?yún)?shù)的個數(shù)、輸出參數(shù)數(shù)列以及輸出參數(shù)的個數(shù)。

本段代碼只負責(zé)接收USB數(shù)據(jù)，所以Mex接口程序中沒有輸入?yún)?shù)，輸入?yún)?shù)數(shù)列為空，程序?qū)⒆x取的USB數(shù)據(jù)直接通過plhs指針傳輸給主程序，實現(xiàn)與主程序的數(shù)據(jù)傳遞功能。相關(guān)程序代碼如下：

2.4 Mex文件的調(diào)用

在Mex文件編寫完之后，通過VC生成.DLL文件，將此文件復(fù)制到Matlab的當(dāng)前目錄（current path）下，在Matlab的命令窗口或者.M文件中輸入.DLL文件的文件名即可實現(xiàn)Matlab對其的調(diào)用，從而實現(xiàn)了Matlab對USB數(shù)據(jù)的讀寫操作。

3 數(shù)據(jù)處理和GUI操作界面

在通過Mex文件完成了對USB數(shù)據(jù)的讀取和存儲后，在Matlab環(huán)境中利用數(shù)字信號處理函數(shù)對數(shù)據(jù)進行濾波、FFT等處理，從而實時地處理6個通道的數(shù)據(jù)，并將各自的頻率、電壓幅度等值顯示在GUI界面上。

3.1 Matlab數(shù)字信號處理部分

使用Matlab進行數(shù)字信號處理的步驟如下[4-6]：

1）在.M文件調(diào)用Mex文件生成的.DLL得到USB接口傳輸?shù)缴衔粰C的數(shù)據(jù)，并將每個通道的數(shù)據(jù)分別放入各自數(shù)組中。

2）因為雷達差頻信號經(jīng)采集卡的信號調(diào)理電路后，原本的交流信號疊加在1 V的直流電平之上，因此在進行FFT之前需要通過數(shù)字信號處理去掉直流分量，以保證直流分量不會對頻率和幅度測量結(jié)果產(chǎn)生影響。利用detrend函數(shù)去掉信號中疊加的直流成分。

3）因為該雷達差頻信號夾雜有低頻干擾信號，所以在FFT之前需要進行高通濾波。

本程序利用[B，A]=ellip（N，Rp，Rs，wn，‘high’）函數(shù)設(shè)計數(shù)字橢圓高通濾波器，再利用filter函數(shù)對各通道數(shù)據(jù)進行濾波。其中，橢圓濾波器參數(shù)N，Rp，Rs，wn在本程序中設(shè)有默認值，用戶也可以在GUI界面中根據(jù)需要對任意參數(shù)的值進行修改。

4）利用FFT函數(shù)對濾波后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換。因為FFT程序中所用數(shù)據(jù)點數(shù)與原含有信號數(shù)據(jù)點數(shù)相同時，頻譜圖具有較高的質(zhì)量，可以減少因補零或截斷而產(chǎn)生的影響，本程序中每個通道數(shù)據(jù)緩存區(qū)數(shù)組大小為1 024，所以對每個通道進行1 024點FFT，通過進一步地運算，便可得到信號的瞬時頻率和電壓幅度。

3.2 GUI操作界面

MATLAB GUI是一種新型的圖形用戶界面開發(fā)方式，用戶可以通過GUI界面與Matlab程序進行交互。本程序的GUI操作界面如圖2所示，該界面應(yīng)用的控件包括控制按鈕、參數(shù)設(shè)置編輯框和結(jié)果顯示文本框[7]。

圖2 GUI操作界面Fig.2 GUI operating interface

4 結(jié) 論

Matlab擁有強大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，但不能直接對USB接口數(shù)據(jù)進行實時讀寫操作。文中將Mex文件作為Matlab與C語言程序的軟件接口，使Matlab能夠調(diào)用VC函數(shù)來接收USB數(shù)據(jù)采集卡傳遞的數(shù)據(jù)，然后進一步對采集到的多通道數(shù)據(jù)分別進行數(shù)字信號處理，得到每個通道的信號頻率和電壓幅度，并顯示在Matlab GUI界面上，從而實現(xiàn)了基于Matlab的USB數(shù)據(jù)接收與處理軟件系統(tǒng)。

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