数据采集论文范文

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1．2传感器选型本系统选用的传感器为ES－T型三分向力平衡式加速度计，传感器可以在±0．25gn到±4gn的范围内选择设定满量程，其动态范围优于155dB，带宽在DC－200Hz之间。

1．3信号调理与AD采集电路传感器输出为差分信号，信号动态范围为±5V，系统选用的AD芯片输入信号范围在±2．5V之间，所以传感器输出信号必须经过信号调理后才能进行采集，图3是其中一个通道的信号调理与AD采集电路，其余通道电路与该图完全一致。信号调理电路由全差动放大器OPA1632构成，该放大器的电压噪声密度为1．3nV/Hz1/2，在100Hz(高铁地震监测常用采样率为200sample/s)带宽范围内噪声有效值不超过15nV，满足地震信号采集要求。图中R2∶R1、R7∶R9均为2∶1，可将输入差分信号衰减2倍，实现将传感器输出的±5V信号衰减到±2．5V范围内，满足ADS1281的输入电压范围，图中二极管D1与D2是钳位二极管，将电压钳位在±3V左右，保护AD芯片。AD转换器是一款32bitΔ－Σ高精度模数转换器ADS1281，内部具有可编程FIR、IIR和SINC滤波器，0．6×10－6线性度，在250sample/s采样率下其SNR可达130dB，全速采样模式下功耗仅12mW，非常适用于电池供电的野外作业。通过配置PINMODE引脚，可将ADS1281设置为引脚控制模式(PINMODE=1)和寄存器控制模式(PINMODE=0)，本系统将其配置成寄存器控制模式。系统为实现同步采样，将六通道ADS1281的低功耗控制PWDN，复位RST，同步SYNC，采样时钟CLK，SPI时钟SCLK，SPI数据输入DIN引脚分别连在一起，并由FPGA统一控制，达到时钟同步，统一配置AD的目的，从而实现同步采样;而ADS1281的数据输出引脚DOUT分别接在FPGA的6个不同IO口，用于读取六通道AD的数据。参考源是数据采集系统的关键部分，本系统利用DCDC产生－5V电压，低噪声LDO电源芯片LT1964产生－2．5V电压，作为六通道ADS1281的VREFN输入，LT1964噪声为30μVRMS(10Hz～100kHz);利用专用精准基准芯片LTC6655－2．5产生+2．5V电压，作为六通道ADS1281的VREFP输入，该芯片噪声0．25×10－6p－p(0．1Hz～10Hz)，温飘为2×10－6/℃，经过试验，该方案是取得较好结果。

1．4FPGA采集控制与数据传输实现数据采集之前，STM32单片机需要通过FPGA对各通道采集卡(即ADS1281)进行配置;数据采集过程中，FPGA需要对六通道数据读取、打包并传入STM32单片机。控制线A0用于选择上述功能。当A0=0时，将STM32单片机与FPGA之间的SPI接口、FPGA与六通道采集卡之间的SPI接口直接相连，此时由STM32单片机直接完成采集卡配置;当A0=1，FPGA输出采样时钟CLK，六通道采集卡同时启动采样。FPGA数据采集与传输过程如图4所示。当六通道ADC数据准备就绪时，ADC_nDRDY信号将同时由高变低，FPGA收到下降沿信号后，将在ADC_SCLK引脚连续产生32个周期的SPI时钟，ADS1281在时钟上升沿输出数据(ADC_DOUT_1至ADC_DOUT_6)，FPGA在时钟下降沿读取数据，六通道数据将被缓存在6个32bit寄存器ADC_DA-TA0至ADC_DATA5内;FPGA读取完六通道32bit数据后，在MCU_DRDY引脚产生一个高脉冲，通知STM32单片机读取数据，单片机在MCU_DRDY下降沿启动中断，并在中断中完成数据读取;数据读取过程中，单片机的SPI时钟MCU_SCLK连续产生时钟信号，FPGA在收到时钟信号时，将数据通过MCU_DIN输出，时钟信号共6×32=192个，正好读完六通道数据。

2预警系统C/S构架软件设计

2．1客服端LabVIEW编程PC机客服端界面与网络编程利用LabView软件实现。LabView是由美国国家仪器(NI)公司研制开发虚拟仪器开发软件，是一种图形化编程语言，使用较为方便［6－7］。LabView主界面包含采样率、量程设置，IP地址，端口，开始采集按钮，停止采集按钮和波形界面几个部分，其中波形界面由WaveChart控件实现，具体实现如下:将下位机上传的六通道数据绑定为簇，簇输出接到WaveChart控件的数据输入端，Wave-Chart控件的图形显示方式设置为分格显示曲线，由于簇输入是6个数组绑定而成，WaveChart自动将窗口分成6个子窗口，每个数据对应一个窗口;Wave-Chart界面更新模式设置为StripChart，此模式下波形从左至右绘制，达到右边边界时，旧数据从左边溢出，新数据从右边进入。LabView具有强大的网络编程功能，本系统客户端利用了其中的TCP/IP协议模块，主要涉及到以下几个函数:TCPOpen(打开)，TCPRead(读取)，TCPWrite(写入)，TCPClose(关闭)。客户端程序工作流程如图5所示。从图中可以看出，从开始到结束采集一共用了两次TCP/IP连接，第1次用于发送采集命令，然后接收、处理、显示数据，当按下“停止采样”命令后，首先关闭第1次TCP/IP连接，此时服务器还在继续采集数据，但不发送，所以还需进行一次TCP/IP连接发送停止采集命令给服务器，服务器收到命令后即可停止采集，并进入低功耗模式。

2．2基于LWIP的服务器程序设计服务器的主控单片机是STM32F407，其内部集成了10/100M以太网MAC，结合PHY芯片DP83848即可完成以太网硬件搭建;以太网软件部分通过移植LWIP协议栈实现，已有较多文献或文档详细叙述了移植方法与过程，服务器接收命令、启动采样和传输数据等功能在tcp回调函数中实现。数据采集和传输是同时进行的，可在单片机中申请两个缓存，采用乒乓操作模式工作实现，即:其中一个用于中断采集数据存储，缓存满后，设置数据满标志，并查询另一个缓存的数据空标志，若为空，证明数据已经传输完成，可新的存储数据;另一个用于传输，传输完成后，设置数据空标志，并查询第1个缓存的数据满标志，若位满，证明数据可以传输;由于以太网的传输速度远大于数据采集的速度，以太网传输完成后会等待另一个缓存存满，所以整个过程中不会出现采样数据丢失的情况。

3采集系统性能测试

3．1噪声测试进行噪声测试时，将6通道输入短接，采样率设置为200sample/s;采集开始后，数据将以文本文档的形式实时存入SD卡。图6是由采集的一个通道数据用excel作图得到(取其中任意2000个点)，从该图可以看出:该通道采集的输入短接噪声峰峰值在±1．5μV范围内。为进一步对噪声大小进行量化分析，分别进行了三次噪声测试，并在excel软件中利用STDEVA函数对每一次的六通道采集数据做均方差处理，处理结果如表1所示。从表中可以看出:每隔通道的噪声均方差低于0．5μV，噪声一致性较好;采集卡输入信号范围是±5V，按照ADC的信噪比计算公式可算出采集卡的信噪比优于140dB。

3．2地震信号采集实验实验时，把传感器放置于地面，传感器差分信号输出端接入采集卡第1通道，打开监测站电源，在PC机中启动LabVIEW界面，设定好采样率、量程、IP地址与端口，点击“启动采集”，在距传感器2m左右用硬物连续敲击地面，图7是截取的实时显示结果图，从图7可以看出，第1通道具有典型的地震波形输出，纵坐标单位为mV，第2通道～第6通道输出为随机噪声，纵坐标单位为μV。

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2节点软件

2.1节点软件架构软件设计部分主要是基于TI公司的Z-stack协议栈进行应用程序的开发。Z-stack协议栈是一款稳定性强的Zigbee开发协议栈，是对Zigbee标准的具体实现。协议栈APL（应用层）包含了主要的API函数接口，方便进行应用开发，从而实现对CC2530芯片硬件资源的控制功能。具体软件框架设计如图4所示。应用层软件主要包括节点间数据的接收/发送、节点内应用层与底层的交互。应用层的数据经过应用层数据帧格式进行封装传给底层继续封装并发送出去；接收数据则由底层先进行解释，再由应用层进行解释，然后进行数据的计算、更新参数等步骤。应用层还可通过API控制接口对底层进行控制与信号、参数获取。

2.2数据帧格式Zigbee采集节点和主节点模块的数据传输格式采用字符串形式进行数据的发送/接收。由于是采用字符进行数据传输，所以可以利用上位机现有的字符串处理函数，很容易校验数据正确性，并从数据帧中提取有效信息，避免因帧长度判断引起的错误。另外，基于Zigbee传输速率较低、传感器数据量小、刷新速度慢的需求等特点尽量减小和限制了协议中各数据域的占位宽度，保证传输效率。具体数据格式如表1所示。帧头：本协议节点间的应用层交互主要有命令帧和数据帧。帧头是辨别命令帧和数据帧而设立的。帧头包括：Set、Get、Ack、Data4种。Set指的是主节点对采集节点进行参数设定，为命令帧，是主节点需要对子节点进行参数配置的时候发送的，子节点收到此类型帧后，发回Ack帧，说明参数设置成功与否；Get指的是其他节点需要获取本节点信息，为命令帧，本节点收到此类型帧后，发送数据帧；Ack指的是节点间通信应答状态帧，SUCC为成功、FAIL为失败；Data指的是数据帧，携带节点参数、传感器采集数据。如表2所示。目的地址：目的地址指的是Zigbee网络中的设备唯一标识的网络ID。为十六进制0X0000-0XFFFF之间值。其中有几个地址值有特殊的含义，0XFFFF表示广播地址；0XFFFE表示所有接收功能打开的设备；0XFFFC表示所有路由设备；其余地址为单一设备的网络地址。网络地址的获得过程是：主节点设备启动成功后，自设定为Zigbee网络的主网络ID0X0000，子节点设备在申请加入成功后获得一个网络身份标志ID。帧类型：在帧头为Set、Get、Data时，此帧位置都有意义，分别代表设置、获取、携带相应类型的节点信息。这些类型包括，传感器数据(Sensor)、节点网络地址(NAdr)、节点网络类型(NType)、采集周期(Cycle)、产品信息(Info)、发送方式(SWay)、功率模式(PMode)、信道选择(Channel)、AD参考电压(ADMode)、默认发送地址(DSAdr)。信道数据：DataChannel796F800\r\n(第11（0x0B）无线信号通道)载荷：载荷是整个通信帧中最重要的部分，包括了通信的主要内容。载荷的具体内容需要根据帧类型来确定。描述如下：（1）帧类型为传感器数据：此时载荷部分包括传感器类型、传感器ID、传感器值。传感器类型包括危化品物流车辆常见信号：1.温度、2.门开关、3.真空度、4.液位、5.压力、6.电压、7.湿度、8.气体、9.红外10.光敏、11.倾斜。传感器ID从0开始分配，表示同种类传感器的使用编号。（2）帧类型为非传感器数据：此时载荷部分携带网络地址、采集周期、发送地址等值。结尾符：本协议结尾符为字符“\r\n”，加上字符串结束符‘\0’,固定为3个字节。结尾符是一帧数据的界定符，上位机软件可以根据此结尾符很快能判定帧的长度，避免一些数据长度判读错误的发生。

2.3软件处理流程Z-stack协议栈基于轮询机制，事件是最小处理单元，每个事件都有相应的处理函数，当事件管理数据结构相应的位置位时，协议栈通过轮询机制就能发现并跳入相对应处理函数进行处理步骤，处理完再返回轮询大循环。这里主要设置了3个事件，分别是串口事件、无线事件和采集事件。串口事件主要处理与上位机的通信；包括根据上位机命令修改本节点参数、接收发送数据等；无线事件主要处理数据的无线发送和接收；采集事件主要处理传感器的数据读入、封装、发送或者接收、解析、转发等。处理流程图如图5所示。

2.4上位机配置软件Zigbee设备逻辑类型包括3种，分别是主节点、路由节点、终端节点。对于不同设备类型的具体处理流程，本设计编写了统一的参数配置服务函数，可通过上位机软件方便进行配置。比如，终端节点配置成具有传感器数据的采集功能，可选择无线和串口两种发送方式，而对于路由器或者协调器，基于功耗考虑，则配置成不具有传感器数据采集功能。通过设计节点上位机配置软件ZigConfig来实现参数的配置，简单的界面操作就能通过串口以上述数据格式下载到节点，并烧写到CC2530的flash中永久保存起来，节点下一次启动将以新的参数启动。上位机配置软件介绍如下：（1）配置软件由QtCreator开发。QtCreator是Qt被Nokia收购后推出的一款新的轻量级跨平台集成开发环境（IDE）。支持的系统包括Linux（32位及64位）、MacOSX以及Windows。开发人员能利用该应用程序框架更快速及轻易地完成开发任务。（2）该配置软件完成节点的设备类型、接口采集逻辑、入网参数等的配置。可直接通过串口线与待配置节点连接，也可以通过一个中间节点对待配置节点进行无线配置，中间节点通过串口线与上位机连接。操作界面如图6所示。（3）如图7，图8所示，通过上位机配置软件S1（实物图如图6所示）可方便地对待配置节点S2进行参数配置。对于待配置设备，如果是终端设备，配置前需先按下配置按键，指示灯亮后，装置即进入配置模式；而如果是路由设备或协调器设备则无需此步骤。（4）有线配置如图6所示：上位机通过串口线连接待配置设备，然后配置软件上收到待配置节点S2发送过来的设备信息，并显示在界面上，然后点击配置按钮，即发送配置帧到节点S2，点击读取配置按钮，则将节点S2各项参数显示在界面上，如果节点S2是数据透传模块，则可以直接接收数据或填写目标地址发送数据。配置完后再按一下按键，指示灯不亮，表示配置完成。可以配置设备类型为Zigbee终端设备、路由设备、协调器设备和点对点透传设备；可以配置入网参数，比如PANID值、信道、网络模型、网络层次等；可以配置传感器发送周期，使各传感器通道数据可以同一周期发送，也可以不相同周期发送等。（5）无线配置如图8所示，采用一个节点作为数据中转与上位机有线连接，通过这个节点无线发送指令到待配置节点进行配置，配置过程中的操作步骤与有线时类似。

3节点测试

3.1信号强度RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)是接收端的信号强度指示，可用来判定链接质量。实际应用中，普遍采用简化后的Shadowing模型，即如下公式计算RSSI值。其中Pr（d）为接收端接收信号强度，Pr（d0）为参考处接收端接收信号强度，d为接收端与发送端实际距离，d0为接收端与发送端参考距离，n为路径损耗指数，通常取2~4。取d0=1m，实测得Pr（d0）的值代入，并取n=3代入公式（1）得新的计算公式。实际测试中取两个节点，分别设为协调器节点和终端节点。将协调器节点固定，令终端节点远离，终端节点加入协调器节点网络后，每隔1s发送一次数据到协调器节点。协调器接收到数据包后，从TI协议栈Z-Stack的数据结构afIncom-ingMSGPacket_t中提取RSSI值记录下来。100M范围每隔5M记录一次RSSI值，每次记录100个值，然后取100个中的随机值和平均值分别作为本次终值绘制曲线。

3.1.1空旷环境下测得Pr（d0）=-28dbm，按照公式(2)与实际数据，绘制对比曲线。从图9和图10对比曲线可以看出，随着两节点间距离增大，RSSI值会逐渐衰减，符合一般规律。0-20m范围内，RSSI衰减较快，之后较为平缓。40m后信号质量普遍较理论值平缓，可能是受硬件条件影响，误差增大。图9由于每次记录取的随机值，存在较大误差，图10每次记录取100个数据的平均值，曲线较为平缓。误差因素包括硬件设计、周边环境影响等。

3.1.2危化品物流车辆环境下采用深圳市中集集团液化气罐(空罐)危化品物流车辆进行实地测试，测试车辆长度14m，宽度2.5m。将协调器节点放置在车驾驶座，终端节点自由放置于车厢体内部，加入网络并发送数据到协调器节点。测得Pr（d0）=-44dbm，根据公式（2）和实际数据的结果曲线如下：由图11和图12可以看出，在车辆环境下，节点信号普遍较空旷环境下差，这主要是因为接收节点被放进车辆箱体内部，信号一定程度上受到厢体衰减。大于40m距离后信号变得不稳定，通信断续和重连情况发生频繁，此时RSSI值普遍>82dbm，80m后多次测试接收端均接收不到数据。

3．2数据传输将协调器节点放置在车驾驶座，终端节点自由放置于车辆厢体内部，加入网络并发送数据到协调器节点。在协调器端统计接收数据包个数，并计算丢包情况和最大稳定通信距离(即数据通信情况良好，极少发生重连情况)，结果如下。由表3可以看出，主节点在车驾驶室情况下，车正前方和侧面信号要好于车后方信号，节点丢包率较低，通信距离>=25M，满足一般危化品物流车辆要求。另外，通信的最大稳定传输RSSI值是极少断网重连情况发生下的统计值，所以普遍低于信号强度曲线中的极限值。随着距离增大，节点间的网络传输也会变得不稳定，常常发生断网重连，甚至无法重连状况。实际数据包传输受节点间不同阻挡物、不同车型、车体电磁干扰、程序执行等因素影响。

3．3功耗通过万用表、示波器和在程序中设计测试模块的结合进行功耗测试，测试结果如下。从表4的测试结果可以看出，节点满足低功耗要求，休眠情况下，节点功耗低至0.33uA。

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2硬件电路设计

2.1动力电池电压信号检测电路设计

动力电池组是由众多单体电池串联而成。本设计中，选取12个单体电池串联而成的动力电池组，相应的就有12个电压模拟量信号。图2所示为电压采集电路设计。动力电池组中，各个动力电池串联而成。在地参考点的作用下，各个电池正负极对地参考电压近似比例增大，为实现输出的是电池电压，最有效的实现途径是借助由运算放大器“虚短”与“虚断”原理构成的减法电路。图2中，由双运放运算放大器LM358构建2级网络：第1级即为由R1~R4组建的差分放大电路形成减法电路，第2级构成电压跟随器，起到缓冲及隔离的作用。LM358使用单5V电源供电。

2.2动力电池双向电流检测电路设计

电池组在充放电过程中，由于只有一个充放电通道，理论上而言电流检测通道只有一个。根据电路理论电流在其参考方向下存在正负之分，因此必须单独设计充电电流、放电电流各自的检测信号。图3所示为集成的双向电流检测硬件电路设计。从电路中可以看出，该电路的设计非常类似于电气中的互锁电路。从采样电阻中采集的电阻两端电压在电阻分压网络下，产生不同的电压。结合运放的差分放大功能，分别引入LM358运算放大器的2组不同的运放输入端，由于引入同相输入端和反相输入端的电压不同，使得2组运放各自工作在线性工作区与非线性工作区中。当电池组中有任意方向的电流时，均会产生一组运放工作在线性放大区域产生对应的模拟电压信号同时另外一组运放工作在非线性区域而作为电子开关输出供电电源的参考地电压。在实际的电动汽车中，通常选用100AH的动力电池组为电动汽车提供动力源，这样，采样电阻的选择就有了依据。本设计中，选用0.05R/2W的采样电阻多个并联成0.01R的功率电阻作为充放电电流检测元件。

2.3动力电池组温度检测电路设计

温度检测保证电池组工作在可靠温度范围内而不引起电池故障，是电池管理系统中必不可少的有效组成部分。温度检测传感器选用PT100系列温度传感器。最新制造工艺出产的PT100体积小，精度高，比较适合应用在电池管理系统温度检测单元中。本设计中，选用三线式桥式测温电路，其最大优点在于将地线单独引出，参考电阻网络的地线电阻可以与PT100的地线电阻匹配，减小电阻差异带来的偏差问题，提高温度测量精度。其设计原理同电压采集电路基本相同。

3调试数据与分析

设计完毕后，对该套电池管理系统的硬件电路进行了制版调试。在解决了焊接遗留的硬件问题后，通过MCU的监测获取了大量数据。调试过程中某一时刻点的状态量。从测试数据可以看出，无论是电压、电流、还是温度，其相对误差都控制在1%以内，特别是电压检测数据，精度更是达到了3‰，这样的误差在电池管理系统误差允许范围之内，达到了电池管理系统数据采集前端模块硬件电路设计的目的。

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一、概述

数据采集是信号分析与处理的一个重要环节,在许多工业控制与生产状态监控中,都需要对各种物理量进行数据采集与分析。但是，专用数据采集卡的价格一般比较昂贵，而我们PC机的声卡就是一个很好的双通道数据采集卡。实际测量中，在满足测量要求的前提下，可以充分利用计算机自身资源，完成数据采集任务，从而节省成本。

本文利用vc编程实现了声卡的双通道数据采集，并且对信号进行频谱分析同时实时测量出信号的频率。还利用声卡的DA通道，实现了正弦波、方波、三角波输出的信号发生器。波形发生器产生的信号同时还可以作为内部测试用信号，检验数据采集的准确性。

二、声卡数据采集系统硬件组成

LineOut

图1声卡数据采集的硬件组成图

利用声卡进行数据采集的硬件组成如图1所示。通常，利用声卡的LineIn端作为信号输入端口，两路被测的模拟信号经过左右声道，A/D转换进入计算机，通过vc编写的虚拟仪器界面显示出来。声卡一般都具有单、双声道输入,从而可实现单双通道的采集.双通道采集时,声卡采用并行采集,并具有采样保持功能,两个通道的数据不存在时间差,第一通道和第二通道数据存储在同一个数据缓冲区中,且等间隔存储,奇数序列是一个通道数据,偶数序列为另一个通道数据.读取数据时,将缓冲区中的数据全部读入到一个数组中,然后对该数组数据,采用隔一点取一点的方法,将数据分开并分别存到另外的两个数组中,即将两个通道的数据分开,从而实现了双通道的采集.单通道采集时,缓冲区中仅仅是一个通道的数据,直接保存到一个数组即可。同时，信号发生器产生的波形也可经过Lineout端输出。

为了保护声卡，被测信号并不是直接进入声卡，而是先经过一个信号调理电路，对信号进行放大或限幅，滤波等处理，信号调理电路如图2所示。（a）图是直流电平叠加模块：C1代表信号的输入，D1代表叠加直流电平后信号的输出，电位器R8控制输入直流电平的大小；（b）图是信号叠加模块：A1、A2代表叠加信号的输入，B1代表叠加后信号的输出；（c）图是模拟滤波模块：LPIN代表滤波器的输出，LPOUT代表滤波器的输出，调节R6可以控制输出的、幅度大小。当然可以根据需要在调理电路中加入一些其它的模块。

图2信号调理电路

三、声卡采集系统的软件编程

微软公司已经提供了一系列API函数用于对声卡的操作，为了将需要用到的函数封装成了一个类，编程时只需直接调用。使用的API函数有：

waveInGetDevCaps实现声卡的性能测试

waveInOpen打开波形输入设备

waveInPrepareHeader为波形输入准备缓冲区

waveInAddBuffer将数据缓存发送给波形输入设备驱动

waveInStart启动向波形输入缓冲区存储数据

waveInUnprepareHeader释放波形输入缓冲区

waveInStop停止向波形输入缓冲区存储数据

waveInClose关闭波形输入设备

设计的软件界面如图3所示。目前所实现的功能有：

图3软件界面设计

1．两路波形发生器。可产生正弦波、方波和三角波，并且频率和幅值可调。

2．频谱分析仪。可以对采集的信号进行频谱分析。频谱分析采用了快速傅立叶变换（FFT）算法，并且将其封装成独立的函数，方便调用。

3．频率计。同时还可以实时地测量出采集到的信号的频率。在利用程序计算频率时，一般采用两种方法。一种是利用快速傅立叶变换，它的优点是不仅能对标准的周期波形进行测量，而且能够计算出各种复杂波形和信噪比非常低的信号的频率值，缺点是分辨率受到限制。另一种计算频率的方法是采用脉冲计数法。它的优点是测量低频信号时精度高，但它不适合波形复杂和信噪比低的信号频率测量。所以在测量过程中，程序先判断信号上述的性质，根据信号的性质，自动地采用相应的测量方法。

四、小结

采用声卡制作的信号采集系统,具有廉价、方便等优点,它可用于振动、噪声、位移、温度、压力等各种物理量的测试。但是一般的声卡支持的采样频率有11025、22050和44100，对高频信号的采集会出现失真。总之，运用廉价的声卡，辅以适当的软件编程，可以构成一个较高采样精度，中等采样频率且具有很大灵活性的数据采集系统。

参考文献

[1]种兰祥，阎丽，张首军．基于计算机声卡的多通道数据采集系统．西北大学学报,2002．