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《數(shù)據(jù)采集與處理》仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)論文
一、引言
數(shù)據(jù)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(hào)的測(cè)量與處理、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。作為獲取信息的工具，數(shù)據(jù)采集在科學(xué)研究和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、雷達(dá)、核電、冶金、航空航天等方面有著非常重要的地位。掌握數(shù)據(jù)采集與處理相關(guān)理論與技術(shù)對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和從事相關(guān)領(lǐng)域工作的能力培養(yǎng)具有重要意義。《數(shù)據(jù)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“學(xué)院”)針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大四學(xué)生開設(shè)的一門選修課程，該課程主要講解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)器件工作原理，簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理與分析。為提高教學(xué)質(zhì)量，本文開展數(shù)據(jù)采集與處理仿真實(shí)驗(yàn)，以期通過具體的實(shí)例，讓學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)采集技術(shù)有一個(gè)完整系統(tǒng)的認(rèn)識(shí);同時(shí)，使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，解決實(shí)際問題，能夠根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。
二、《數(shù)據(jù)采集與處理》仿真實(shí)驗(yàn)
教學(xué)1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合數(shù)據(jù)采集與處理課程的課堂內(nèi)容，針對(duì)學(xué)生的專業(yè)背景，考慮該領(lǐng)域當(dāng)前研究進(jìn)展，以及實(shí)驗(yàn)開展的可行性，我們選取4個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、Nyquist采樣與壓縮采樣、微弱信號(hào)采集與特征提取和中等強(qiáng)度信號(hào)采集與參數(shù)估計(jì)。這4個(gè)實(shí)驗(yàn)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(chǔ)，又涵蓋當(dāng)前研究熱點(diǎn)。通過這4個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)該課程有一個(gè)系統(tǒng)的了解，并且能夠運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，去分析和解決實(shí)際問題。《數(shù)據(jù)采集與處理》課程共48學(xué)時(shí)，其中，課堂講解學(xué)習(xí)32學(xué)時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)，開設(shè)4個(gè)實(shí)驗(yàn)，每次4學(xué)時(shí)。具體實(shí)驗(yàn)如下。
實(shí)驗(yàn)1：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)�！稊�(shù)據(jù)采集與處理》課程圍繞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)展開，并介紹常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法。為了使學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)語音信號(hào)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)通過壓電傳感器錄入語音數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波電路、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生根據(jù)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(yùn)放，采樣保持芯片，A/D轉(zhuǎn)換器，電源等。硬件選型確定后，設(shè)計(jì)硬件電路，并基于EWB軟件進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，如果有錯(cuò)，則需要查找原因并改正。該語音信號(hào)采集系統(tǒng)的工作流程為：先對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行壓電轉(zhuǎn)換，得到電信號(hào)，電信號(hào)低噪放大，經(jīng)過50Hz陷波器，去除工頻干擾，再低通濾波，采樣保持，A/D轉(zhuǎn)換，最后放大與顯示，頻譜分析。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠掌握數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成，熟悉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作過程，了解數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。
實(shí)驗(yàn)2：Nyquist采樣與壓縮采樣。數(shù)據(jù)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(duì)于最高截止頻率為f的時(shí)間連續(xù)信號(hào)，如果采用時(shí)間間隔為T的開關(guān)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行抽樣，當(dāng)時(shí)間間隔滿足T≤1/(2f)時(shí)，原時(shí)間連續(xù)信號(hào)可由抽樣序列唯一的表示，也即可以由抽樣序列恢復(fù)原時(shí)間連續(xù)信號(hào)。Nyqusit時(shí)域采樣定理表明，采樣頻率至少要達(dá)到信號(hào)最高截至頻率的兩倍才能通過抽樣序列回復(fù)原始信號(hào)。為了讓學(xué)生理解并應(yīng)用該定理，本仿真實(shí)驗(yàn)給定原始時(shí)域信號(hào)，要求通過頻譜分析得到最高截止頻率，并據(jù)此計(jì)算臨界采樣頻率，最后仿真過采樣、欠采樣和臨界采樣三種不同條件下恢復(fù)信號(hào)的誤差。隨著科技的發(fā)展，近年出現(xiàn)了壓縮采樣的概念。壓縮采樣通過分析研究信號(hào)的稀疏特性，在遠(yuǎn)小于Nyquist采樣率的條件下，用隨機(jī)采樣獲取信號(hào)的離散樣本，然后通過非線性重建算法完美的重建信號(hào)。在本仿真實(shí)驗(yàn)給定具有稀疏特性的信號(hào)，學(xué)生采用高斯隨機(jī)采樣矩陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行稀疏采樣，采樣間隔遠(yuǎn)小于原始信號(hào)的最高頻率。對(duì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)，計(jì)算誤差，評(píng)價(jià)算法性能。通過該Nyquist采樣與壓縮采樣仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠針對(duì)具體的信號(hào)，計(jì)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(fù)原始信號(hào)。
實(shí)驗(yàn)3：微弱信號(hào)采集與特征提取�？紤]到選取課程的學(xué)生為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)背景，開設(shè)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集與處理實(shí)驗(yàn)，而生物醫(yī)學(xué)信號(hào)多屬于微弱信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)以心電信號(hào)采集為例，心電信號(hào)是低信噪比的周期性微弱信號(hào)，頻率在0.5Hz～100Hz范圍內(nèi)，胎兒的心電信號(hào)為微伏級(jí)，成人的心電信號(hào)為毫伏級(jí)。正常的心電信號(hào)包括P波、QRS綜合波、T波、U波、J結(jié)合點(diǎn)等，均有明確的生理學(xué)意義。本實(shí)驗(yàn)由教師選取公開數(shù)據(jù)庫(kù)中的正常心電信號(hào)和異常心電信號(hào)，要求學(xué)生利用MATLAB語言，對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行譜分析，數(shù)字濾波，基線消除并檢測(cè)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(shù)提取。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生熟悉心電信號(hào)參數(shù)表示的生理意義，并且能夠進(jìn)行心電信號(hào)的采集、處理與分析，同時(shí)判別心電信號(hào)正常與否。
實(shí)驗(yàn)4：中等強(qiáng)度信號(hào)采集與參數(shù)估計(jì)。實(shí)際生活中，除了上述微弱信號(hào)，更多的還有中等強(qiáng)度的信號(hào)，如通信信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)等。本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為雷達(dá)中的目標(biāo)回波信號(hào)采集與參數(shù)估計(jì)，具體為雷達(dá)發(fā)射三角頻率調(diào)制連續(xù)波信號(hào)，接收運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)。仿真時(shí)，教師根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離與速度，產(chǎn)生回波信號(hào)，并在回波中混入高斯白噪聲。學(xué)生則對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)Nyquist定理，計(jì)算采樣頻率，得到采樣后的時(shí)域離散序列。設(shè)計(jì)正交濾波器，對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到復(fù)信號(hào)。設(shè)計(jì)匹配濾波器和低通濾波器，對(duì)復(fù)信號(hào)進(jìn)行匹配濾波和低通濾波，通過頻譜分析，估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離和速度。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將掌握調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理以及該體制雷達(dá)信號(hào)處理與分析過程。
2. 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。
由于實(shí)驗(yàn)均為綜合性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)難以由1個(gè)人在4個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成。同時(shí)，為提高學(xué)生積極性，讓學(xué)生帶著問題并在尋求解決方案的過程中學(xué)習(xí)理論知識(shí)。在課程理論教學(xué)開始的時(shí)候，對(duì)學(xué)生分組，3人1組，并給學(xué)生布置實(shí)驗(yàn)題。學(xué)生可以結(jié)合課堂知識(shí)，課余時(shí)間查閱資料，提前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)方案。準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)方案后，交給教師審閱，教師提出方案中存在的問題，并給出解決問題的思路，返還學(xué)生繼續(xù)修改優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。在仿真實(shí)驗(yàn)開始之前完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，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(yàn)時(shí)，教師對(duì)篩選出來的10%的優(yōu)秀方案進(jìn)行簡(jiǎn)要講解和點(diǎn)評(píng)，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(yàn)仿真。
本文實(shí)驗(yàn)仿真要用到EWB和MATLAB兩個(gè)軟件。EWB是一種電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件，稱為電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室。EWB軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，仿真功能十分強(qiáng)大。它提供了萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具，器件庫(kù)中包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫(kù)中沒有的元器件，可以由外部模塊導(dǎo)入。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算等。實(shí)驗(yàn)開始前，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(shè)計(jì)和仿真。具體為，對(duì)于EWB，要求學(xué)生掌握元器件選型，電路圖設(shè)計(jì)與電路測(cè)試;對(duì)于MATLAB軟件，要求學(xué)生提前掌握數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、濾波函數(shù)使用、頻譜分析、畫圖顯示、矩陣操作和優(yōu)化工具箱的使用等。作為數(shù)據(jù)采集與處理課程的先行課程，學(xué)院在大二已經(jīng)開設(shè)模擬電路和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)基本熟悉EWB軟件。此外，學(xué)院在大三開設(shè)了MATLAB程序設(shè)計(jì)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(yàn)的順利開展奠定了良好的專業(yè)基礎(chǔ)。
4.實(shí)驗(yàn)考核。作為實(shí)驗(yàn)開展執(zhí)行情況的評(píng)價(jià)手段，實(shí)驗(yàn)考核必不可少，但其終極目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。數(shù)據(jù)采集與處理課程最終成績(jī)?yōu)?00分，本文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占40分，每個(gè)實(shí)驗(yàn)各10分。實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)包括對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果的評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理，學(xué)生分工明確，仿真代碼編寫正確，程序運(yùn)行結(jié)果無誤，實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫符合規(guī)范，則滿分;其余情況酌情扣分。
三、結(jié)語
針對(duì)我院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生知識(shí)背景，考慮到學(xué)院硬件平臺(tái)有限，為提升數(shù)據(jù)采集與處理課程教學(xué)質(zhì)量，本文開展計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了數(shù)據(jù)采集與處理課程講解的知識(shí)內(nèi)容，并根據(jù)最新研究進(jìn)展進(jìn)行了擴(kuò)充，學(xué)生能夠掌握基本原理以及當(dāng)前動(dòng)態(tài)，更重要的是掌握解決實(shí)際問題的能力。本文教學(xué)模式理論與實(shí)踐結(jié)合，能夠激發(fā)學(xué)生興趣，鞏固學(xué)習(xí)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(chǔ)。
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