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(cè)距雷達(dá)信號(hào)的處理為研究背景，要求對(duì)USB數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到多路測(cè)距雷達(dá)差頻信號(hào)的頻率與電壓幅度。為此以Matlab為平臺(tái)，接收USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理，并使用Matlab GUI設(shè)計(jì)用戶(hù)操作界面，完成了一個(gè)完整的基于Matlab的USB數(shù)據(jù)采集卡上位機(jī)程序。

1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

本上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的USB數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)的接口基于Cypress公司的CY7C68013A，它支持USB 2.0協(xié)議，且自帶增強(qiáng)型8051單片機(jī)。利用Mex文件作為Matlab與C語(yǔ)言的程序接口，實(shí)現(xiàn)了Matlab對(duì)USB接口數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，并利用Matlab進(jìn)行進(jìn)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(duì)USB數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，但可通過(guò)API與外部程序接口，即Mex文件，來(lái)調(diào)用C語(yǔ)言程序加以實(shí)現(xiàn)。

2.1 Mex文件及其編寫(xiě)環(huán)境

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

本設(shè)計(jì)中，Mex文件使用VC2008進(jìn)行編寫(xiě)，新建工程類(lèi)型為MFC DLL，Cypress公司提供適用于CY7C68013A的API函數(shù)庫(kù)，可以通過(guò)將CyAPI.h和CyAPI.lib添加到VC工程中直接加以調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)各種USB接口操作[1-2]。

2.2 Mex控制實(shí)現(xiàn)部分

程序中，Mex控制實(shí)現(xiàn)部分的具體功能依次為：調(diào)用USB驅(qū)動(dòng)模塊，打開(kāi)USB設(shè)備，讀取USB數(shù)據(jù)，將讀取的數(shù)據(jù)寫(xiě)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(shí)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(gè)數(shù)、輸出參數(shù)數(shù)列以及輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)。

本段代碼只負(fù)責(zé)接收USB數(shù)據(jù)，所以Mex接口程序中沒(méi)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(guò)plhs指針傳輸給主程序，實(shí)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(xiě)完之后，通過(guò)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(shí)現(xiàn)Matlab對(duì)其的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)了Matlab對(duì)USB數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。

3 數(shù)據(jù)處理和GUI操作界面

在通過(guò)Mex文件完成了對(duì)USB數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)后，在Matlab環(huán)境中利用數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、FFT等處理，從而實(shí)時(shí)地處理6個(gè)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(hào)處理部分

使用Matlab進(jìn)行數(shù)字信號(hào)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(jī)的數(shù)據(jù)，并將每個(gè)通道的數(shù)據(jù)分別放入各自數(shù)組中。

2）因?yàn)槔走_(dá)差頻信號(hào)經(jīng)采集卡的信號(hào)調(diào)理電路后，原本的交流信號(hào)疊加在1 V的直流電平之上，因此在進(jìn)行FFT之前需要通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理去掉直流分量，以保證直流分量不會(huì)對(duì)頻率和幅度測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。利用detrend函數(shù)去掉信號(hào)中疊加的直流成分。

3）因?yàn)樵摾走_(dá)差頻信號(hào)夾雜有低頻干擾信號(hào)，所以在FFT之前需要進(jìn)行高通濾波。

本程序利用[B，A]=ellip（N，Rp，Rs，wn，‘high’）函數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字橢圓高通濾波器，再利用filter函數(shù)對(duì)各通道數(shù)據(jù)進(jìn)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(rèn)值，用戶(hù)也可以在GUI界面中根據(jù)需要對(duì)任意參數(shù)的值進(jìn)行修改。

4）利用FFT函數(shù)對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換。因?yàn)镕FT程序中所用數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)與原含有信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)相同時(shí)，頻譜圖具有較高的質(zhì)量，可以減少因補(bǔ)零或截?cái)喽a(chǎn)生的影響，本程序中每個(gè)通道數(shù)據(jù)緩存區(qū)數(shù)組大小為1 024，所以對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行1 024點(diǎn)FFT，通過(guò)進(jìn)一步地運(yùn)算，便可得到信號(hào)的瞬時(shí)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(hù)界面開(kāi)發(fā)方式，用戶(hù)可以通過(guò)GUI界面與Matlab程序進(jìn)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，但不能直接對(duì)USB接口數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀寫(xiě)操作。文中將Mex文件作為Matlab與C語(yǔ)言程序的軟件接口，使Matlab能夠調(diào)用VC函數(shù)來(lái)接收USB數(shù)據(jù)采集卡傳遞的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)一步對(duì)采集到的多通道數(shù)據(jù)分別進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到每個(gè)通道的信號(hào)頻率和電壓幅度，并顯示在Matlab GUI界面上，從而實(shí)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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