基于Matlab的USB數據采集卡上位機處理系統

張聰慧，鄭正奇

（華東師范大學 信息科學與技術學院，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數據采集卡傳輸到上位機的數據進行數字信號處理，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傳輸的數據，然后進行處理，并使用Matlab GUI設計用戶操作界面，完成了一個完整的基于Matlab的USB數據采集卡上位機程序。

1 系統架構介紹

本上位機系統對應的USB數據采集卡與上位機的接口基于Cypress公司的CY7C68013A，它支持USB 2.0協議，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，實現了Matlab對USB接口數據的讀寫操作，并利用Matlab進行進一步的數據處理和界面顯示。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

2 Matlab讀取USB數據

Matlab不能直接對USB數據進行操作，但可通過API與外部程序接口，即Mex文件，來調用C語言程序加以實現。

2.1 Mex文件及其編寫環境

Mex文件是個動態鏈接子程序，它可在Matlab中被直接調用來控制多種硬件接口。Mex文件分為兩部分：控制實現部分以及入口程序部分，它們分別負責程序的功能實現和與Matlab的數據連接。

本設計中，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函數庫，可以通過將CyAPI.h和CyAPI.lib添加到VC工程中直接加以調用，從而實現各種USB接口操作[1-2]。

2.2 Mex控制實現部分

程序中，Mex控制實現部分的具體功能依次為：調用USB驅動模塊，打開USB設備，讀取USB數據，將讀取的數據寫到緩沖區中。它由入口程序調用，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控制實現部分的接口，其參數prhs、nrhs、plhs、nlhs分別為輸入參數數列、輸入參數的個數、輸出參數數列以及輸出參數的個數。

本段代碼只負責接收USB數據，所以Mex接口程序中沒有輸入參數，輸入參數數列為空，程序將讀取的USB數據直接通過plhs指針傳輸給主程序，實現與主程序的數據傳遞功能。相關程序代碼如下：

2.4 Mex文件的調用

在Mex文件編寫完之后，通過VC生成.DLL文件，將此文件復制到Matlab的當前目錄（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Matlab對其的調用，從而實現了Matlab對USB數據的讀寫操作。

3 數據處理和GUI操作界面

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

3.1 Matlab數字信號處理部分

使用Matlab進行數字信號處理的步驟如下[4-6]：

1）在.M文件調用Mex文件生成的.DLL得到USB接口傳輸到上位機的數據，并將每個通道的數據分別放入各自數組中。

2）因為雷達差頻信號經采集卡的信號調理電路后，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果產生影響。利用detrend函數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’）函數設計數字橢圓高通濾波器，再利用filter函數對各通道數據進行濾波。其中，橢圓濾波器參數N，Rp，Rs，wn在本程序中設有默認值，用戶也可以在GUI界面中根據需要對任意參數的值進行修改。

4）利用FFT函數對濾波后的數據進行快速傅里葉變換。因為FFT程序中所用數據點數與原含有信號數據點數相同時，頻譜圖具有較高的質量，可以減少因補零或截斷而產生的影響，本程序中每個通道數據緩存區數組大小為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，該界面應用的控件包括控制按鈕、參數設置編輯框和結果顯示文本框[7]。

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

4 結 論

Matlab擁有強大的數據處理和分析功能，但不能直接對USB接口數據進行實時讀寫操作。文中將Mex文件作為Matlab與C語言程序的軟件接口，使Matlab能夠調用VC函數來接收USB數據采集卡傳遞的數據，然后進一步對采集到的多通道數據分別進行數字信號處理，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，從而實現了基于Matlab的USB數據接收與處理軟件系統。

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[7]蘇金明.MATLAB7.0實用指南[M].北京:電子工業出版社，2006.