《數據采集與處理》仿真實(shí)驗教學(xué)論文

　　一、引言

　　數據采集與處理是電子信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是以傳感器、信號的測量與處理、計算機等先進(jìn)技術(shù)為基礎而形成的一門(mén)綜合應用技術(shù)。作為獲取信息的工具，數據采集在科學(xué)研究和國民經(jīng)濟的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、雷達、核電、冶金、航空航天等方面有著(zhù)非常重要的地位。掌握數據采集與處理相關(guān)理論與技術(shù)對學(xué)生綜合運用多學(xué)科知識和從事相關(guān)領(lǐng)域工作的能力培養具有重要意義�！稊祿�采集與處理》是西安電子科技大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“學(xué)院”)針對生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)大四學(xué)生開(kāi)設的一門(mén)選修課程，該課程主要講解數據采集系統構成，數據采集系統器件工作原理，簡(jiǎn)單的數據采集系統設計以及數據處理與分析。為提高教學(xué)質(zhì)量，本文開(kāi)展數據采集與處理仿真實(shí)驗，以期通過(guò)具體的實(shí)例，讓學(xué)生對數據采集技術(shù)有一個(gè)完整系統的認識;同時(shí)，使學(xué)生綜合運用所學(xué)理論知識，解決實(shí)際問(wèn)題，能夠根據實(shí)際需求，設計合適的數據采集系統，并對采集到的數據進(jìn)行分析和處理。

　　二、《數據采集與處理》仿真實(shí)驗

　　教學(xué)1.實(shí)驗內容結合數據采集與處理課程的課堂內容，針對學(xué)生的專(zhuān)業(yè)背景，考慮該領(lǐng)域當前研究進(jìn)展，以及實(shí)驗開(kāi)展的可行性，我們選取4個(gè)實(shí)驗，分別為數據采集系統設計、Nyquist采樣與壓縮采樣、微弱信號采集與特征提取和中等強度信號采集與參數估計。這4個(gè)實(shí)驗既涉及理論，又包括工程實(shí)踐，既涉及硬件，又包括軟件，既涉及基礎，又涵蓋當前研究熱點(diǎn)。通過(guò)這4個(gè)實(shí)驗，學(xué)生對該課程有一個(gè)系統的了解，并且能夠運用所學(xué)理論知識，去分析和解決實(shí)際問(wèn)題�！稊祿�采集與處理》課程共48學(xué)時(shí)，其中，課堂講解學(xué)習32學(xué)時(shí)，仿真實(shí)驗16學(xué)時(shí)，開(kāi)設4個(gè)實(shí)驗，每次4學(xué)時(shí)。具體實(shí)驗如下。

　　實(shí)驗1：數據采集系統設計�！稊祿�采集與處理》課程圍繞數據采集系統展開(kāi)，并介紹常規的數據處理方法。為了使學(xué)生對數據采集系統有一個(gè)清晰的認識，本實(shí)驗設計語(yǔ)音信號采集系統。系統通過(guò)壓電傳感器錄入語(yǔ)音數據，經(jīng)過(guò)濾波電路、采樣保持電路、A/D轉換器后將模擬信號轉換為數字信號。實(shí)驗過(guò)程中，學(xué)生根據具體需求，選擇合適的硬件，包括選擇壓電傳感器、濾波器中電容、電感、電阻和運放，采樣保持芯片，A/D轉換器，電源等。硬件選型確定后，設計硬件電路，并基于EWB軟件進(jìn)行仿真，對仿真結果進(jìn)行分析，如果有錯，則需要查找原因并改正。該語(yǔ)音信號采集系統的工作流程為：先對語(yǔ)音信號進(jìn)行壓電轉換，得到電信號，電信號低噪放大，經(jīng)過(guò)50Hz陷波器，去除工頻干擾，再低通濾波，采樣保持，A/D轉換，最后放大與顯示，頻譜分析。通過(guò)該實(shí)驗，學(xué)生能夠掌握數據采集系統的構成，熟悉數據采集系統工作過(guò)程，了解數據系統設計流程。

　　實(shí)驗2：Nyquist采樣與壓縮采樣。數據采集與處理技術(shù)涉及到一個(gè)重要的理論，即Nyqusit時(shí)域采樣定理。該定理指出，對于最高截止頻率為f的時(shí)間連續信號，如果采用時(shí)間間隔為T(mén)的開(kāi)關(guān)信號對其進(jìn)行抽樣，當時(shí)間間隔滿(mǎn)足T≤1/(2f)時(shí)，原時(shí)間連續信號可由抽樣序列唯一的表示，也即可以由抽樣序列恢復原時(shí)間連續信號。Nyqusit時(shí)域采樣定理表明，采樣頻率至少要達到信號最高截至頻率的兩倍才能通過(guò)抽樣序列回復原始信號。為了讓學(xué)生理解并應用該定理，本仿真實(shí)驗給定原始時(shí)域信號，要求通過(guò)頻譜分析得到最高截止頻率，并據此計算臨界采樣頻率，最后仿真過(guò)采樣、欠采樣和臨界采樣三種不同條件下恢復信號的誤差。隨著(zhù)科技的發(fā)展，近年出現了壓縮采樣的概念。壓縮采樣通過(guò)分析研究信號的稀疏特性，在遠小于Nyquist采樣率的條件下，用隨機采樣獲取信號的離散樣本，然后通過(guò)非線(xiàn)性重建算法完美的重建信號。在本仿真實(shí)驗給定具有稀疏特性的信號，學(xué)生采用高斯隨機采樣矩陣對信號進(jìn)行稀疏采樣，采樣間隔遠小于原始信號的最高頻率。對于采樣后得到的離散序列，采用經(jīng)典重建算法(包括凸松弛算法和貪婪算法)對信號進(jìn)行恢復，計算誤差，評價(jià)算法性能。通過(guò)該Nyquist采樣與壓縮采樣仿真實(shí)驗，學(xué)生能夠針對具體的信號，計算采樣頻率(包括臨界采樣頻率和稀疏采樣頻率)，并基于采樣得到的離散時(shí)間序列恢復原始信號。

　　實(shí)驗3：微弱信號采集與特征提取�？紤]到選取課程的學(xué)生為生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)背景，開(kāi)設生物醫學(xué)信號采集與處理實(shí)驗，而生物醫學(xué)信號多屬于微弱信號。本實(shí)驗以心電信號采集為例，心電信號是低信噪比的周期性微弱信號，頻率在0.5Hz～100Hz范圍內，胎兒的心電信號為微伏級，成人的心電信號為毫伏級。正常的心電信號包括P波、QRS綜合波、T波、U波、J結合點(diǎn)等，均有明確的生理學(xué)意義。本實(shí)驗由教師選取公開(kāi)數據庫中的正常心電信號和異常心電信號，要求學(xué)生利用MATLAB語(yǔ)言，對心電信號進(jìn)行譜分析，數字濾波，基線(xiàn)消除并檢測P波，QRS波群和T波，最后采用斜率法和差分法進(jìn)行綜合參數提取。通過(guò)該實(shí)驗，學(xué)生熟悉心電信號參數表示的生理意義，并且能夠進(jìn)行心電信號的采集、處理與分析，同時(shí)判別心電信號正常與否。

　　實(shí)驗4：中等強度信號采集與參數估計。實(shí)際生活中，除了上述微弱信號，更多的還有中等強度的信號，如通信信號、雷達信號等。本實(shí)驗內容為雷達中的目標回波信號采集與參數估計，具體為雷達發(fā)射三角頻率調制連續波信號，接收運動(dòng)目標的回波信號。仿真時(shí)，教師根據運動(dòng)目標的距離與速度，產(chǎn)生回波信號，并在回波中混入高斯白噪聲。學(xué)生則對回波信號進(jìn)行頻譜分析，根據Nyquist定理，計算采樣頻率，得到采樣后的時(shí)域離散序列。設計正交濾波器，對回波數據進(jìn)行濾波，得到復信號。設計匹配濾波器和低通濾波器，對復信號進(jìn)行匹配濾波和低通濾波，通過(guò)頻譜分析，估計運動(dòng)目標的距離和速度。通過(guò)該實(shí)驗，學(xué)生將掌握調頻連續波雷達系統的工作原理以及該體制雷達信號處理與分析過(guò)程。

　　2. 實(shí)驗方案設計。

　　由于實(shí)驗均為綜合性應用實(shí)驗，每次實(shí)驗難以由1個(gè)人在4個(gè)學(xué)時(shí)內完成。同時(shí)，為提高學(xué)生積極性，讓學(xué)生帶著(zhù)問(wèn)題并在尋求解決方案的過(guò)程中學(xué)習理論知識。在課程理論教學(xué)開(kāi)始的時(shí)候，對學(xué)生分組，3人1組，并給學(xué)生布置實(shí)驗題。學(xué)生可以結合課堂知識，課余時(shí)間查閱資料，提前準備實(shí)驗方案。準備好實(shí)驗方案后，交給教師審閱，教師提出方案中存在的問(wèn)題，并給出解決問(wèn)題的思路，返還學(xué)生繼續修改優(yōu)化實(shí)驗方案。在仿真實(shí)驗開(kāi)始之前完成實(shí)驗方案設計，要求方案切實(shí)可行，教師篩選10%的優(yōu)秀方案。仿真實(shí)驗時(shí)，教師對篩選出來(lái)的10%的優(yōu)秀方案進(jìn)行簡(jiǎn)要講解和點(diǎn)評，學(xué)生可以按照自己的方案，也可以按照優(yōu)選方案進(jìn)行仿真。

　　3.實(shí)驗仿真。

　　本文實(shí)驗仿真要用到EWB和MATLAB兩個(gè)軟件。EWB是一種電子電路計算機仿真軟件，稱(chēng)為電子設計工作平臺或虛擬電子實(shí)驗室。EWB軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，仿真功能十分強大。它提供了萬(wàn)用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數字信號發(fā)生器、邏輯轉換器等工具，器件庫中包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數字門(mén)電路芯片，器件庫中沒(méi)有的元器件，可以由外部模塊導入。MATLAB是美國MathWorks公司出品的數學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算等。實(shí)驗開(kāi)始前，學(xué)生要掌握EWB和MATLAB這兩個(gè)軟件的基本操作，能進(jìn)行簡(jiǎn)單的設計和仿真。具體為，對于EWB，要求學(xué)生掌握元器件選型，電路圖設計與電路測試;對于MATLAB軟件，要求學(xué)生提前掌握數據的讀取和存儲、數據格式轉換、濾波函數使用、頻譜分析、畫(huà)圖顯示、矩陣操作和優(yōu)化工具箱的使用等。作為數據采集與處理課程的先行課程，學(xué)院在大二已經(jīng)開(kāi)設模擬電路和數字電路實(shí)驗，學(xué)生已經(jīng)基本熟悉EWB軟件。此外，學(xué)院在大三開(kāi)設了MATLAB程序設計課程，學(xué)生已經(jīng)掌握了MATLAB的基本指令。上述先行課程為本文仿真實(shí)驗的順利開(kāi)展奠定了良好的專(zhuān)業(yè)基礎。

　　4.實(shí)驗考核。作為實(shí)驗開(kāi)展執行情況的評價(jià)手段，實(shí)驗考核必不可少，但其終極目標是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，提高學(xué)生的學(xué)習主動(dòng)性。數據采集與處理課程最終成績(jì)?yōu)?00分，本文實(shí)驗內容占40分，每個(gè)實(shí)驗各10分。實(shí)驗考核成績(jì)包括對實(shí)驗方案設計的評價(jià)和實(shí)驗仿真結果的評價(jià)。實(shí)驗方案設計合理，學(xué)生分工明確，仿真代碼編寫(xiě)正確，程序運行結果無(wú)誤，實(shí)驗報告撰寫(xiě)符合規范，則滿(mǎn)分;其余情況酌情扣分。

　　三、結語(yǔ)

　　針對我院生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生知識背景，考慮到學(xué)院硬件平臺有限，為提升數據采集與處理課程教學(xué)質(zhì)量，本文開(kāi)展計算機仿真實(shí)驗。實(shí)驗內容涵蓋了數據采集與處理課程講解的知識內容，并根據最新研究進(jìn)展進(jìn)行了擴充，學(xué)生能夠掌握基本原理以及當前動(dòng)態(tài)，更重要的是掌握解決實(shí)際問(wèn)題的能力。本文教學(xué)模式理論與實(shí)踐結合，能夠激發(fā)學(xué)生興趣，鞏固學(xué)習成效，提高動(dòng)手能力，為學(xué)生以后從事相關(guān)領(lǐng)域工作打下基礎。

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