《數(shù)據(jù)采集與處理》仿真實驗教學(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(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)研究和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)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(shù)據(jù)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(yǎng)具有重要意義�！稊�(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(以下簡稱“學(xué)院”)針對生物醫(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，簡單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計以及數(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)采集與處理仿真實驗，以期通過具體的實例，讓學(xué)生對數(shù)據(jù)采集技術(shù)有一個完整系統(tǒng)的認識;同時，使學(xué)生綜合運用所學(xué)理論知識，解決實際問題，能夠根據(jù)實際需求，設(shè)計合適的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理。
二、《數(shù)據(jù)采集與處理》仿真實驗
教學(xué)1.實驗內(nèi)容結(jié)合數(shù)據(jù)采集與處理課程的課堂內(nèi)容，針對學(xué)生的專業(yè)背景，考慮該領(lǐng)域當(dāng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)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(shù)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(chǔ)，又涵蓋當(dāng)前研究熱點。通過這4個實驗，學(xué)生對該課程有一個系統(tǒng)的了解，并且能夠運用所學(xué)理論知識，去分析和解決實際問題�！稊�(shù)據(jù)采集與處理》課程共48學(xué)時，其中，課堂講解學(xué)習(xí)32學(xué)時，仿真實驗16學(xué)時，開設(shè)4個實驗，每次4學(xué)時。具體實驗如下。
實驗1：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計�！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)生對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有一個清晰的認識，本實驗設(shè)計語音信號采集系統(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)換器后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。實驗過程中，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)計硬件電路，并基于EWB軟件進行仿真，對仿真結(jié)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(tǒng)的工作流程為：先對語音信號進行壓電轉(zhuǎn)換，得到電信號，電信號低噪放大，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。通過該實驗，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)計流程。
實驗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(xù)信號，如果采用時間間隔為T的開關(guān)信號對其進行抽樣，當(dāng)時間間隔滿足T≤1/(2f)時，原時間連續(xù)信號可由抽樣序列唯一的表示，也即可以由抽樣序列恢復(fù)原時間連續(xù)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(fù)原始信號。為了讓學(xué)生理解并應(yīng)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(jù)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(fù)信號的誤差。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(xué)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(jīng)典重建算法(包括凸松弛算法和貪婪算法)對信號進行恢復(fù)，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(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間序列恢復(fù)原始信號。
實驗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(yī)學(xué)工程專業(yè)背景，開設(shè)生物醫(yī)學(xué)信號采集與處理實驗，而生物醫(yī)學(xué)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(nèi)，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(jié)合點等，均有明確的生理學(xué)意義。本實驗由教師選取公開數(shù)據(jù)庫中的正常心電信號和異常心電信號，要求學(xué)生利用MATLAB語言，對心電信號進行譜分析，數(shù)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(shù)提取。通過該實驗，學(xué)生熟悉心電信號參數(shù)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(shù)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(nèi)容為雷達中的目標(biāo)回波信號采集與參數(shù)估計，具體為雷達發(fā)射三角頻率調(diào)制連續(xù)波信號，接收運動目標(biāo)的回波信號。仿真時，教師根據(jù)運動目標(biāo)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)生則對回波信號進行頻譜分析，根據(jù)Nyquist定理，計算采樣頻率，得到采樣后的時域離散序列。設(shè)計正交濾波器，對回波數(shù)據(jù)進行濾波，得到復(fù)信號。設(shè)計匹配濾波器和低通濾波器，對復(fù)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(biāo)的距離和速度。通過該實驗，學(xué)生將掌握調(diào)頻連續(xù)波雷達系統(tǒng)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(shè)計。
由于實驗均為綜合性應(yīng)用實驗，每次實驗難以由1個人在4個學(xué)時內(nèi)完成。同時，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。在課程理論教學(xué)開始的時候，對學(xué)生分組，3人1組，并給學(xué)生布置實驗題。學(xué)生可以結(jié)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(xué)生繼續(xù)修改優(yōu)化實驗方案。在仿真實驗開始之前完成實驗方案設(shè)計，要求方案切實可行，教師篩選10%的優(yōu)秀方案。仿真實驗時，教師對篩選出來的10%的優(yōu)秀方案進行簡要講解和點評，學(xué)生可以按照自己的方案，也可以按照優(yōu)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(shè)計工作平臺或虛擬電子實驗室。EWB軟件簡單易學(xué)，仿真功能十分強大。它提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)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(shù)字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，可以由外部模塊導(dǎo)入。MATLAB是美國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)值計算等。實驗開始前，學(xué)生要掌握EWB和MATLAB這兩個軟件的基本操作，能進行簡單的設(shè)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(shè)計與電路測試;對于MATLAB軟件，要求學(xué)生提前掌握數(shù)據(jù)的讀取和存儲、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)字電路實驗，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驗的順利開展奠定了良好的專業(yè)基礎(chǔ)。
4.實驗考核。作為實驗開展執(zhí)行情況的評價手段，實驗考核必不可少，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)主動性。數(shù)據(jù)采集與處理課程最終成績?yōu)?00分，本文實驗內(nèi)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(shè)計的評價和實驗仿真結(jié)果的評價。實驗方案設(shè)計合理，學(xué)生分工明確，仿真代碼編寫正確，程序運行結(jié)果無誤，實驗報告撰寫符合規(guī)范，則滿分;其余情況酌情扣分。
三、結(jié)語
針對我院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生知識背景，考慮到學(xué)院硬件平臺有限，為提升數(shù)據(jù)采集與處理課程教學(xué)質(zhì)量，本文開展計算機仿真實驗。實驗內(nèi)容涵蓋了數(shù)據(jù)采集與處理課程講解的知識內(nèi)容，并根據(jù)最新研究進展進行了擴充，學(xué)生能夠掌握基本原理以及當(dāng)前動態(tài)，更重要的是掌握解決實際問題的能力。本文教學(xué)模式理論與實踐結(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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