基于Matlab的USB数据采集卡上位机处理系统

张聪慧，郑正奇

（华东师范大学 信息科学与技术学院，上海200241）

以多通道测距雷达信号的处理为研究背景，要求对USB数据采集卡传输到上位机的数据进行数字信号处理，得到多路测距雷达差频信号的频率与电压幅度。为此以Matlab为平台，接收USB传输的数据，然后进行处理，并使用Matlab GUI设计用户操作界面，完成了一个完整的基于Matlab的USB数据采集卡上位机程序。

1 系统架构介绍

本上位机系统对应的USB数据采集卡与上位机的接口基于Cypress公司的CY7C68013A，它支持USB 2.0协议，且自带增强型8051单片机。利用Mex文件作为Matlab与C语言的程序接口，实现了Matlab对USB接口数据的读写操作，并利用Matlab进行进一步的数据处理和界面显示。系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

2 Matlab读取USB数据

Matlab不能直接对USB数据进行操作，但可通过API与外部程序接口，即Mex文件，来调用C语言程序加以实现。

2.1 Mex文件及其编写环境

Mex文件是个动态链接子程序，它可在Matlab中被直接调用来控制多种硬件接口。Mex文件分为两部分：控制实现部分以及入口程序部分，它们分别负责程序的功能实现和与Matlab的数据连接。

本设计中，Mex文件使用VC2008进行编写，新建工程类型为MFC DLL，Cypress公司提供适用于CY7C68013A的API函数库，可以通过将CyAPI.h和CyAPI.lib添加到VC工程中直接加以调用，从而实现各种USB接口操作[1-2]。

2.2 Mex控制实现部分

程序中，Mex控制实现部分的具体功能依次为：调用USB驱动模块，打开USB设备，读取USB数据，将读取的数据写到缓冲区中。它由入口程序调用，部分程序代码[3]如下：

2.3 Mex入口程序

Mex入口程序是Matlab与Mex控制实现部分的接口，其参数prhs、nrhs、plhs、nlhs分别为输入参数数列、输入参数的个数、输出参数数列以及输出参数的个数。

本段代码只负责接收USB数据，所以Mex接口程序中没有输入参数，输入参数数列为空，程序将读取的USB数据直接通过plhs指针传输给主程序，实现与主程序的数据传递功能。相关程序代码如下：

2.4 Mex文件的调用

在Mex文件编写完之后，通过VC生成.DLL文件，将此文件复制到Matlab的当前目录（current path）下，在Matlab的命令窗口或者.M文件中输入.DLL文件的文件名即可实现Matlab对其的调用，从而实现了Matlab对USB数据的读写操作。

3 数据处理和GUI操作界面

在通过Mex文件完成了对USB数据的读取和存储后，在Matlab环境中利用数字信号处理函数对数据进行滤波、FFT等处理，从而实时地处理6个通道的数据，并将各自的频率、电压幅度等值显示在GUI界面上。

3.1 Matlab数字信号处理部分

使用Matlab进行数字信号处理的步骤如下[4-6]：

1）在.M文件调用Mex文件生成的.DLL得到USB接口传输到上位机的数据，并将每个通道的数据分别放入各自数组中。

2）因为雷达差频信号经采集卡的信号调理电路后，原本的交流信号叠加在1 V的直流电平之上，因此在进行FFT之前需要通过数字信号处理去掉直流分量，以保证直流分量不会对频率和幅度测量结果产生影响。利用detrend函数去掉信号中叠加的直流成分。

3）因为该雷达差频信号夹杂有低频干扰信号，所以在FFT之前需要进行高通滤波。

本程序利用[B，A]=ellip（N，Rp，Rs，wn，‘high’）函数设计数字椭圆高通滤波器，再利用filter函数对各通道数据进行滤波。其中，椭圆滤波器参数N，Rp，Rs，wn在本程序中设有默认值，用户也可以在GUI界面中根据需要对任意参数的值进行修改。

4）利用FFT函数对滤波后的数据进行快速傅里叶变换。因为FFT程序中所用数据点数与原含有信号数据点数相同时，频谱图具有较高的质量，可以减少因补零或截断而产生的影响，本程序中每个通道数据缓存区数组大小为1 024，所以对每个通道进行1 024点FFT，通过进一步地运算，便可得到信号的瞬时频率和电压幅度。

3.2 GUI操作界面

MATLAB GUI是一种新型的图形用户界面开发方式，用户可以通过GUI界面与Matlab程序进行交互。本程序的GUI操作界面如图2所示，该界面应用的控件包括控制按钮、参数设置编辑框和结果显示文本框[7]。

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

4 结 论

Matlab拥有强大的数据处理和分析功能，但不能直接对USB接口数据进行实时读写操作。文中将Mex文件作为Matlab与C语言程序的软件接口，使Matlab能够调用VC函数来接收USB数据采集卡传递的数据，然后进一步对采集到的多通道数据分别进行数字信号处理，得到每个通道的信号频率和电压幅度，并显示在Matlab GUI界面上，从而实现了基于Matlab的USB数据接收与处理软件系统。

[1]石波，陈淑珍，沈海鸥.VC与Matlab接口方法的剖析[J].计算机工程，2000，26（3）：98-100.SHI Bo， CHEN Shu-zhen，SHEN Hai-ou.The analyze of interface method between Matlab and visual C++[J].Computer Engineering， 2000， 26（3）:98-100.

[2]许大好，李询，谢倩.用Matlab控制NI数据采集卡实现实时数据采集[J].常州工学院学报，2006，19（5）：35-38.XU Da-hao， LI Xun， XIE Qian.Data acquisition system based on NI card and Matlab environment[J].Journal of Changzhou Institute of Technology， 2006， 19（5）:35-38.

[3]王世香.精通MATLAB接口与编程[M].1版.北京：电子工业出版社，2007.

[4]胡广书.数字信号处理理论算法与实现[M].2版.北京：清华大学出版社，2003.

[5]万永革.数字信号处理的 MATLAB实现[M].北京：科学出版社，2007.

[6]方勇.数字信号处理——原理与实践[M].北京：清华大学出版社，2005.

[7]苏金明.MATLAB7.0实用指南[M].北京:电子工业出版社，2006.