基于MATLAB的USB-DAQ采集程序

1 基本说明

1.1 恒凯科技（HKTech）USB-DAQ V5.2L 8通道电子数据采集卡简介

电源：DC 12V 3A
USB连接：USB Type-B
FPGA核心：ACTEL ProASIC3 FPGA
- 逻辑整合：协调AD/DA、数字I/O、PWM模块的时序与控制。
- 通信枢纽：通过USB2.0 PHY芯片与PC端驱动交互，管理数据流（如FIFO缓冲）。
16位100kHz ADC：支持16路单端同步采样（AD0-AD15），每通道独立采样保持器确保同步性，输入量程可选±10V（分辨率305μV）或±5V（分辨率152μV）。
2路12位DAC：输出范围0-10V，低速无缓冲模式，建立时间8.5μs，精度0.05% FSR。
数字I/O：16路输入（DI0-DI15，兼容TTL/3.3V电平）和16路输出（DO0-DO15，5V电平，10mA驱动能力）。
PWM模块：2路32位PWM输出（复用DO0-DO1），支持方波或单脉冲（1μs-3s脉宽）；2路32位PWM测量输入（复用DI2-DI3），48MHz时钟等精度测量。

详情参见附带的使用说明书

1.2 功能介绍

（1）AD数据采集

初始化：PC端调用openUSB()，FPGA复位各模块。
用户调用函数（如ad_continu_conf()）设置参数（包括freq）。
驱动通过USB传输配置命令到FPGA。
FPGA更新分频器寄存器，调整时钟分频比。
硬件定时器按新频率输出时钟，触发AD转换。
- FPGA按配置采集数据→存入FIFO→USB批量传输至PC缓冲区。
- PC周期调用Read_AdBuf()读取数据，直至AD_continu_stop()终止。
限制与注意事项：ProASIC3为固定逻辑架构，功能需预先烧写，不支持动态重配置（如更换PWM分辨率）。

（2）PWM生成

（3）外设通信

AD/DA控制：
- FPGA通过SPI/I2C配置ADC量程（±10V/±5V）和DAC输出电压（0-10V）。
- 模拟输入阻抗>1MΩ，输出驱动能力20mA（需外接限流电阻）。
数字I/O与PWM：
- 复用逻辑：DI2/DI3兼作PWM测量输入，DO0/DO1兼作PWM输出（需软件使能）。
- 电平标准：5V TTL（输入阈值：高>2V，低<0.8V；输出电平：高>2.5V，低<0.5V）。
USB2.0接口：
- 协议：符合USB2.0全速/高速标准（文档未明确速率，推测为12Mbps全速模式）。
- 数据流：驱动（libusbK）通过端点传输AD数据、接收DA/PWM控制指令。
驱动功能：
- 封装DLL函数（如ad_continu_conf()），将用户API调用转为USB协议包。

1.3 快速使用

要快速开始使用该工程，请按以下步骤操作：

环境准备：安装驱动程序并配置 MATLAB C/C++ 编译器
启动 UI 界面：在 MATLAB 命令窗口运行 daq_ui
配置参数：设置采样频率、时间和选择通道
开始采集：点击"开始采集"按钮
查看结果：在界面中查看时域信号和功率谱密度图
数据管理：选择是否保存数据到文件，或从会话中播放音频

2 文件目录

matlab_USB_DAQ/
├── README.md                      # 项目说明文档
├── USB_DAQ_README.md             # DLL 接口详细说明
├── assets/                        # 资源文件夹
├── data/                         # 数据保存目录
|
├── Docs/                         # 文档目录
│   ├── CrossComplie.md           # 交叉编译说明
│   ├── Manual.md                 # 使用手册
│   └── Q&A记录.md                # 常见问题记录
|
├── functions/                    # 核心功能模块
│   ├── acquire_data.m            # 底层数据采集函数
│   ├── analyze_spl.m             # 统一的SPL声压级分析函数（支持麦克风校准）
│   ├── cleanup_usb_daq.m         # 设备清理函数
│   ├── daq_ui.m                  # 主UI界面函数（含麦克风校准功能）
│   ├── parse_inputs.m            # 参数解析函数
│   ├── performSPLAnalysis.m      # SPL分析协调函数
│   ├── playAudio.m               # 音频回放函数
│   ├── plotDaqData.m             # 数据绘图函数
│   ├── plotSPLResults.m          # SPL结果可视化函数
│   ├── startSampling.m           # 采集启动函数
│   └── usb_daq_acquire.m         # 高级采集接口
|
├── 附带文件/                     # 厂商提供的文件
│   ├── 驱动安装包/               # USB 驱动程序
│   └── USB数据采集卡测试程序V52/ # 厂商测试程序
├── usbCardV52.m                  # 厂商MATLAB例程脚本
├── Usb_Daq_V52_Dll.dll          # USB DAQ 动态链接库
├── Usb_Daq_V52_Dll.h            # 头文件，包含函数声明
|
├── daq_demo_ad_single.m          # 单次 AD 采样演示
├── daq_demo_continuous_poll.m    # 连续轮询采样演示
└── usb_daq_custom_channels.m     # 自定义通道采集脚本

2.1 核心功能模块说明

daq_ui.m：主要的图形用户界面，提供参数设置、通道选择、数据采集、实时显示、音频回放、SPL分析和麦克风校准功能
usb_daq_acquire.m：高级数据采集接口，封装了完整的采集流程
acquire_data.m：底层数据采集实现，直接调用 DLL 函数
parse_inputs.m：参数解析和验证，确保采集参数的正确性
startSampling.m：UI 界面的采集逻辑，处理多通道显示和数据保存
playAudio.m：音频回放功能，可播放采集到的信号数据
analyze_spl.m：统一的SPL分析函数，使用Audio Toolbox的splMeter对象进行声压级分析，支持可选的麦克风校准功能
performSPLAnalysis.m：SPL分析协调函数，整合麦克风校准数据并调用analyze_spl函数
plotSPLResults.m：SPL结果可视化，绘制频带分析图表和总声压级

2.2 演示脚本说明

daq_demo_ad_single.m：演示单次 AD 采样，读取 16 路模拟输入的瞬时值
daq_demo_continuous_poll.m：演示连续采集的轮询模式，实时监控缓冲区状态
usb_daq_custom_channels.m：自定义通道采集的简化版本 注：为简化项目结构，已将原有的 analyze_spl_simple.m 和 analyze_spl_with_calibration.m 合并到 analyze_spl.m 统一函数中

3 环境配置

3.1 环境配置背景

（1）为什么需要安装PC驱动程序？

硬件抽象：驱动（如libusbK v3.0.7.0）提供操作系统与采集卡USB2.0硬件的通信接口，管理数据传输、中断处理及资源分配。
功能实现：
- 设备枚举（openUSB()/closeUSB()）。
- 配置AD/DA参数（如量程、触发模式）。
- 数据缓冲管理（192k FIFO的读写）。

（2）MATLAB脚本的C编译器配置与动态链接库的调用

厂商提供的程序中包括头文件（.h）、静态链接库（.lib）和动态链接库（.dll）。其中头文件为文本文件，其中包含函数声明、常量定义与数据结构，它是开发者调用库功能的接口，告诉用户有哪些函数可用、如何传参，但隐藏了具体的实现细节。静态链接库与动态链接库均为二进制文件。静态链接库中存储函数实现的预编译二进制代码（目标文件的集合），在编译时链接。而动态链接库则存储函数的实际机器代码，它在运行时被加载。厂商通过提供DLL而非源代码来保护知识产权，同时价格年底用户集成的难度（不需要重新编译）。

在这样包装的工程中，无需编译源代码，而可以直接链接.lib。虽然MATLAB本身基于C，但直接调用硬件需通过DLL（如Usb_Daq_V52_D11.dll）实现底层操作，而DLL需C编译器（如MinGW）链接生成MEX文件。

动态链接库集成：称为“外部接口（External Interfaces）”或“C/C++集成”。需将DLL、LIB和头文件（.h）放入工程目录，通过loadlibrary加载。
优势：
- 避免重复造轮子，直接复用厂商提供的硬件控制函数（如ad_continu()）。
- 提升实时性，C编译的二进制代码比MATLAB解释执行更快。

（3）MATLAB工程的执行流程

初始化

loadlibrary('Usb_Daq_V52_D11.dll', 'Usb_Daq_V52_D11.h');
calllib('Usb_Daq_V52_D11', 'openUSB');

配置与采集
- 调用DLL函数ad_continu_conf()设置采样参数，如过采样率、量程、触发模式（如外部时钟+上升沿触发）。
- FPGA按配置采集数据→存入FIFO→USB批量传输至PC缓冲区。PC周期循环读取缓冲区Read_AdBuf()直至数据量达标，AD_continu_stop()终止。

终止

calllib('Usb_Daq_V52_D11', 'closeUSB');
unloadlibrary('Usb_Daq_V52_D11');

关键点
- 需确保DLL路径正确，且MATLAB与编译器架构一致（如64位MATLAB配64位DLL）。
- 示例参考文档中LabVIEW调用方式，MATLAB同理需严格匹配函数原型（参数类型、顺序）。

3.2 环境配置步骤

安装驱动程序：见附带文件
1. 运行安装程序，选择libusbK(v3.0.7.0)驱动。
2. 完成安装后，设备管理器显示采集卡为正常识别设备。
为MATLAB配置C/C++编译器，实现MATLAB与C联合编译（环境变量中添加C/C++编译器）
```
>> mex -setup C
```
显示有编译器即可，例如“MEX 配置为使用 'MinGW64 Compiler (C)' 以进行 C 语言编译。”
根目录下放置特定的动态链接库与头文件等

3.3 小结

更多细节也可参考历史文档交叉编译。

4 UI界面使用指南

4.1 启动界面

将工程目录下的 functions 文件夹添加到 MATLAB 路径：

addpath('functions');
daq_ui

4.2 界面功能说明

4.2.1 采集参数设置

采样频率 (Hz)：设置 AD 转换的采样率，默认 44100 Hz
采样时间 (秒)：设置采集持续时间，默认 10 秒

4.2.2 通道管理

通道选择：勾选要采集的硬件通道（CH0-CH7）
时域显示：控制哪些通道在时域图中显示，支持"全选"快捷操作
频域显示：控制哪些通道在功率谱密度图中显示，支持"全选"快捷操作
对数坐标：选择功率谱使用线性坐标还是对数坐标显示

4.2.3 数据管理

保存数据到文件：勾选后将在 data/ 目录下保存 MAT 文件
播放通道：选择要回放的通道并点击"播放音频"按钮

4.2.4 麦克风校准功能

麦克风校准按钮：点击进入麦克风灵敏度设置对话框
灵敏度设置：为每个通道设置麦克风灵敏度（mV/Pa）
常用麦克风预设值：提供标准测量麦克风的典型灵敏度值
校准数据管理：保存和应用麦克风校准设置到SPL分析

4.2.5 实时显示

时域信号图：显示采集到的原始信号波形，支持多通道叠加显示
功率谱密度图：显示信号的频域特性，支持线性/对数坐标切换

4.3 数据保存规则

4.3.1 自动工作区保存

每次通过 UI 进行数据采集后，数据会自动保存到 MATLAB 工作区中：

daqData：采集的原始数据矩阵 [采样点数 × 通道数]
daqConfig：采集配置参数结构体
daqTimeVector：时间向量
daqResults：完整结果结构体

这些变量可以直接在命令窗口中使用，无需额外操作。

4.3.2 文件保存

当勾选"保存数据到文件"时，系统会：

在工程根目录下创建 data/ 文件夹（如不存在）
保存文件命名格式：usb_daq_YYYYMMDD_HHMMSS.mat
保存内容包括：
- acquired.data：采集到的数据矩阵 [通道数 × 采样点数]
- acquired.config：采集配置参数
- acquired.selectedChannels：选中的通道列表
- acquired.timeChannelCheckboxes：时域显示选择状态
- acquired.freqChannelCheckboxes：频域显示选择状态
- acquired.logScale：对数坐标选择状态

4.3.3 会话保存

无论是否保存文件，采集数据都会保存在 UI 会话中，可通过以下方式访问：

% 获取 UI 窗口句柄
h = findall(0, 'Type', 'figure', 'Name', 'USB DAQ 数据采集系统');
% 读取最近一次采集的数据
acquired = getappdata(h, 'lastAcquiredData');

4.3.4 数据访问示例

% 1. 直接使用工作区变量（推荐）
plot(daqTimeVector, daqData);  % 绘制时域数据
fft_data = fft(daqData);       % 进行 FFT 分析

% 2. 加载保存的 MAT 文件
d = load('data/usb_daq_20251018_153045.mat');
acquired = d.acquired;
data = acquired.data;        % 采集数据
config = acquired.config;    % 配置信息

4.4 音频回放功能

确保已完成采集：先执行一次数据采集
选择播放通道：在"播放通道"下拉菜单中选择要回放的通道
开始播放：点击"播放音频"按钮，系统会：
- 从会话数据中提取选中通道的信号
- 使用正确的采样率进行归一化处理
- 调用 MATLAB 的 sound() 函数播放

注意事项：

播放质量依赖于系统音频设备和采样率设置
高采样率信号可能被音频驱动重采样
只能播放已采集通道中的数据

4.5 SPL (声压级) 分析功能

4.5.1 SPL分析介绍

系统集成了基于 MATLAB Audio Toolbox splMeter 对象的专业声压级分析功能，支持：

全频带分析：计算总声压级
1/1倍频程分析：按倍频程频带分析
1/3倍频程分析：按1/3倍频程频带分析
多种加权：支持A加权、C加权和Z加权（线性）
麦克风校准：支持麦克风灵敏度校准，输出真实的dB SPL值

4.5.2 麦克风校准设置

在进行SPL分析前，建议先设置麦克风校准：

打开校准对话框：点击"麦克风校准"按钮
设置麦克风灵敏度：
- 选择要启用的通道
- 输入各通道麦克风的灵敏度值（mV/Pa）
- 可使用"常用麦克风"按钮快速填入典型值
保存设置：点击"保存设置"完成校准配置

常用麦克风灵敏度参考值：

Brüel & Kjær 1/2英寸麦克风：~50 mV/Pa
PCB 1/4英寸麦克风：~10-20 mV/Pa
GRAS 1/2英寸麦克风：~50 mV/Pa

4.5.3 使用SPL分析（UI界面）

麦克风校准：设置各通道麦克风灵敏度（推荐步骤）
数据采集：完成数据采集（任意通道）
选择分析参数：
- 加权模式：选择 A、C 或 Z 加权
- 带宽类型：选择全频带、1/1倍频程或1/3倍频程
执行分析：点击"SPL分析"按钮
查看结果：
- 自动弹出SPL分析结果图表
- 结果保存到工作区变量：splTotal, splOctave, splCenterFreq
- 显示校准后的真实声压级（dB SPL）

4.5.4 使用SPL分析（脚本模式）

% 基本分析（无校准）
[SPL_total, SPL_oct, fc] = analyze_spl(daqData, daqConfig.SampleRate, 'A', 'third_octave');

% 带麦克风校准的分析
micSensitivity = [50, 50, 10, 10, 50, 50, 20, 20]; % mV/Pa
channelIndices = [0, 1, 2, 3]; % 0-based通道索引
[SPL_total, SPL_oct, fc] = analyze_spl(daqData, daqConfig.SampleRate, 'A', 'third_octave', ...
                                      'MicSensitivity', micSensitivity, ...
                                      'ChannelIndices', channelIndices);

% 结果可视化
plotSPLResults(SPL_total, SPL_oct, fc, channelIndices, 'A', 'third_octave');

4.5.5 SPL分析要求

必需工具箱：MATLAB Audio Toolbox
最低版本：MATLAB R2018a （splMeter 对象引入版本）
数据格式：支持多通道同时分析
输出变量：
- splTotal - 各通道总声压级 [通道数×1] (dB 或 dB SPL)
- splOctave - 频带声压级 [频带数×通道数] (dB 或 dB SPL)
- splCenterFreq - 中心频率 [频带数×1] (Hz)

4.5.6 校准与非校准模式对比

无校准模式：输出相对声压级（dB），适用于信号分析和对比
校准模式：输出绝对声压级（dB SPL），符合声学测量标准，可与标准声级计对比

4.6 使用流程示例

基本采集流程：

启动 daq_ui → 选择通道 → 设置参数 → 开始采集 → 查看结果

多通道对比分析：

选择多个通道 → 采集 → 在时域/频域图中对比不同通道特性

专业声学SPL测量流程：

启动 daq_ui → 麦克风校准 → 采集声学信号 → SPL分析 → 查看校准后的dB SPL结果

音频信号分析：

连接音频源到 AD 输入 → 采集 → 查看频谱 → 播放验证

5 编程接口

5.1 命令行使用

如果不使用 UI 界面，可以直接调用核心函数：

% 简单采集
[data, config] = usb_daq_acquire('SampleRate', 44100, 'SampleTime', 5, 'ChannelIndices', [0,1,2,3]);

% 自定义参数采集
[data, config] = usb_daq_acquire('SampleRate', 192000, 'SampleTime', 10, ...
                                 'ChannelIndices', [0,3,5], 'ADGain', 1);

5.2 SPL分析编程接口

统一的 analyze_spl 函数支持灵活的编程调用：

% 基本用法
[SPL_total, SPL_oct, fc] = analyze_spl(data, fs, mode, bandwidth_type);

% 带麦克风校准
[SPL_total, SPL_oct, fc] = analyze_spl(data, fs, mode, bandwidth_type, ...
                                      'MicSensitivity', sensitivity_array, ...
                                      'ChannelIndices', channel_indices);

% 参数说明
% data: [通道×采样点] 或 [采样点×通道] 数据矩阵
% fs: 采样频率 (Hz)
% mode: 'A', 'C', 或 'Z' 加权
% bandwidth_type: 'fullband', 'octave', 或 'third_octave'
% sensitivity_array: [8×1] 麦克风灵敏度 (mV/Pa)
% channel_indices: [N×1] 0-based通道索引

5.3 演示脚本

项目提供了多个演示脚本，可帮助理解不同的采集模式：

% 单次 AD 采样演示
daq_demo_ad_single

% 连续轮询采样演示  
daq_demo_continuous_poll

% 自定义通道采集
usb_daq_custom_channels

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