《數據采集與處理》仿真實驗教學論文
一、引言
數據采集與處理是電子信息科學的一個重要分支，是以傳感器、信號的測量與處理、計算機等先進技術為基礎而形成的一門綜合應用技術。作為獲取信息的工具，數據采集在科學研究和國民經濟的各個領域，如通信、雷達、核電、冶金、航空航天等方面有著非常重要的地位。掌握數據采集與處理相關理論與技術對學生綜合運用多學科知識和從事相關領域工作的能力培養具有重要意義�！稊祿杉c處理》是西安電子科技大學生命科學技術學院(以下簡稱“學院”)針對生物醫學工程專業大四學生開設的一門選修課程，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，簡單的數據采集系統設計以及數據處理與分析。為提高教學質量，本文開展數據采集與處理仿真實驗，以期通過具體的實例，讓學生對數據采集技術有一個完整系統的認識;同時，使學生綜合運用所學理論知識，解決實際問題，能夠根據實際需求，設計合適的數據采集系統，并對采集到的數據進行分析和處理。
二、《數據采集與處理》仿真實驗
教學1.實驗內容結合數據采集與處理課程的課堂內容，針對學生的專業背景，考慮該領域當前研究進展，以及實驗開展的可行性，我們選取4個實驗，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個實驗既涉及理論，又包括工程實踐，既涉及硬件，又包括軟件，既涉及基礎，又涵蓋當前研究熱點。通過這4個實驗，學生對該課程有一個系統的了解，并且能夠運用所學理論知識，去分析和解決實際問題�！稊祿杉c處理》課程共48學時，其中，課堂講解學習32學時，仿真實驗16學時，開設4個實驗，每次4學時。具體實驗如下。
實驗1：數據采集系統設計�！稊祿杉c處理》課程圍繞數據采集系統展開，并介紹常規的數據處理方法。為了使學生對數據采集系統有一個清晰的認識，本實驗設計語音信號采集系統。系統通過壓電傳感器錄入語音數據，經過濾波電路、采樣保持電路、A/D轉換器后將模擬信號轉換為數字信號。實驗過程中，學生根據具體需求，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軟件進行仿真，對仿真結果進行分析，如果有錯，則需要查找原因并改正。該語音信號采集系統的工作流程為：先對語音信號進行壓電轉換，得到電信號，電信號低噪放大，經過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。通過該實驗，學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程，了解數據系統設計流程。
實驗2：Nyquist采樣與壓縮采樣。數據采集與處理技術涉及到一個重要的理論，即Nyqusit時域采樣定理。該定理指出，對于最高截止頻率為f的時間連續信號，如果采用時間間隔為T的開關信號對其進行抽樣，當時間間隔滿足T≤1/(2f)時，原時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間連續信號。Nyqusit時域采樣定理表明，采樣頻率至少要達到信號最高截至頻率的兩倍才能通過抽樣序列回復原始信號。為了讓學生理解并應用該定理，本仿真實驗給定原始時域信號，要求通過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。隨著科技的發展，近年出現了壓縮采樣的概念。壓縮采樣通過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，然后通過非線性重建算法完美的重建信號。在本仿真實驗給定具有稀疏特性的信號，學生采用高斯隨機采樣矩陣對信號進行稀疏采樣，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，采用經典重建算法(包括凸松弛算法和貪婪算法)對信號進行恢復，計算誤差，評價算法性能。通過該Nyquist采樣與壓縮采樣仿真實驗，學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間序列恢復原始信號。
實驗3：微弱信號采集與特征提取。考慮到選取課程的學生為生物醫學工程專業背景，開設生物醫學信號采集與處理實驗，而生物醫學信號多屬于微弱信號。本實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結合點等，均有明確的生理學意義。本實驗由教師選取公開數據庫中的正常心電信號和異常心電信號，要求學生利用MATLAB語言，對心電信號進行譜分析，數字濾波，基線消除并檢測P波，QRS波群和T波，最后采用斜率法和差分法進行綜合參數提取。通過該實驗，學生熟悉心電信號參數表示的生理意義，并且能夠進行心電信號的采集、處理與分析，同時判別心電信號正常與否。
實驗4：中等強度信號采集與參數估計。實際生活中，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，具體為雷達發射三角頻率調制連續波信號，接收運動目標的回波信號。仿真時，教師根據運動目標的距離與速度，產生回波信號，并在回波中混入高斯白噪聲。學生則對回波信號進行頻譜分析，根據Nyquist定理，計算采樣頻率，得到采樣后的時域離散序列。設計正交濾波器，對回波數據進行濾波，得到復信號。設計匹配濾波器和低通濾波器，對復信號進行匹配濾波和低通濾波，通過頻譜分析，估計運動目標的距離和速度。通過該實驗，學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程。
2. 實驗方案設計。
由于實驗均為綜合性應用實驗，每次實驗難以由1個人在4個學時內完成。同時，為提高學生積極性，讓學生帶著問題并在尋求解決方案的過程中學習理論知識。在課程理論教學開始的時候，對學生分組，3人1組，并給學生布置實驗題。學生可以結合課堂知識，課余時間查閱資料，提前準備實驗方案。準備好實驗方案后，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，返還學生繼續修改優化實驗方案。在仿真實驗開始之前完成實驗方案設計，要求方案切實可行，教師篩選10%的優秀方案。仿真實驗時，教師對篩選出來的10%的優秀方案進行簡要講解和點評，學生可以按照自己的方案，也可以按照優選方案進行仿真。
3.實驗仿真。
本文實驗仿真要用到EWB和MATLAB兩個軟件。EWB是一種電子電路計算機仿真軟件，稱為電子設計工作平臺或虛擬電子實驗室。EWB軟件簡單易學，仿真功能十分強大。它提供了萬用表、示波器、信號發生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數字信號發生器、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、集成電路和數字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，可以由外部模塊導入。MATLAB是美國MathWorks公司出品的數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算等。實驗開始前，學生要掌握EWB和MATLAB這兩個軟件的基本操作，能進行簡單的設計和仿真。具體為，對于EWB，要求學生掌握元器件選型，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、畫圖顯示、矩陣操作和優化工具箱的使用等。作為數據采集與處理課程的先行課程，學院在大二已經開設模擬電路和數字電路實驗，學生已經基本熟悉EWB軟件。此外，學院在大三開設了MATLAB程序設計課程，學生已經掌握了MATLAB的基本指令。上述先行課程為本文仿真實驗的順利開展奠定了良好的專業基礎。
4.實驗考核。作為實驗開展執行情況的評價手段，實驗考核必不可少，但其終極目標是激發學生的學習興趣，提高學生的學習主動性。數據采集與處理課程最終成績為100分，本文實驗內容占40分，每個實驗各10分。實驗考核成績包括對實驗方案設計的評價和實驗仿真結果的評價。實驗方案設計合理，學生分工明確，仿真代碼編寫正確，程序運行結果無誤，實驗報告撰寫符合規范，則滿分;其余情況酌情扣分。
三、結語
針對我院生物醫學工程專業學生知識背景，考慮到學院硬件平臺有限，為提升數據采集與處理課程教學質量，本文開展計算機仿真實驗。實驗內容涵蓋了數據采集與處理課程講解的知識內容，并根據最新研究進展進行了擴充，學生能夠掌握基本原理以及當前動態，更重要的是掌握解決實際問題的能力。本文教學模式理論與實踐結合，能夠激發學生興趣，鞏固學習成效，提高動手能力，為學生以后從事相關領域工作打下基礎。
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