面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

丑永新， 劉繼承， 顧 亞

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不斷轉(zhuǎn)型，教育部高等教育司提出普通本科院校應(yīng)該加大應(yīng)用型人才培養(yǎng)，結(jié)合區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈布局，進(jìn)行產(chǎn)教融合、校企合作，帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展［1］。我校十三五規(guī)劃提出建設(shè)“特色鮮明、質(zhì)量著稱(chēng)的應(yīng)用型品牌大學(xué)”的目標(biāo)［2］，因此，我院通過(guò)走訪(fǎng)調(diào)研，提出以長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)區(qū)非標(biāo)自動(dòng)化生產(chǎn)與檢測(cè)行業(yè)（簡(jiǎn)稱(chēng)非標(biāo)自動(dòng)化行業(yè)）的應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，根據(jù)企業(yè)的用人需求，開(kāi)展教育教學(xué)改革工作。

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已廣泛用于人工智能、通信、智能檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［3］。數(shù)字信號(hào)處理課程是電子信息、自動(dòng)化、通信工程、測(cè)控技術(shù)與儀器等專(zhuān)業(yè)一門(mén)核心的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課［4-7］，對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)十分重要。然而，該門(mén)課程概念繁雜、理論抽象，傳統(tǒng)教學(xué)以理論知識(shí)講解為主，使用一些Matlab 仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，很少涉及知識(shí)點(diǎn)工程背景及應(yīng)用前景方面的深入講解，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握僅停留在數(shù)學(xué)推導(dǎo)方面，很難應(yīng)用于工程實(shí)踐。因此，如何對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革，讓學(xué)生在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，能夠?qū)λ鶎W(xué)知識(shí)進(jìn)行工程實(shí)踐，對(duì)提高應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量十分重要。

近年來(lái)，有學(xué)者基于Matlab、LabVIEW 等仿真軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)實(shí)踐化教學(xué)探索［8-9］。有學(xué)者基于單片機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）等微處理器搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握程度［10-12］。也有學(xué)者將語(yǔ)音、生理和地震信號(hào)處理等案例引入課程實(shí)訓(xùn)［13-16］，使學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理理論的工程作用有了直觀的認(rèn)識(shí)。這些探索從不同角度鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，為面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)踐化教學(xué)改革提供了思路。

我校對(duì)應(yīng)用人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了改革，對(duì)科研項(xiàng)目研制的多生理信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，形成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，依據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)案例，探索數(shù)字信號(hào)處理課程理論和實(shí)踐一體化教學(xué)模式的改革。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。采集信號(hào)類(lèi)型為：指尖脈搏、腕部脈搏、腕部三軸加速度、心電和呼吸共7 路信號(hào)。以STM32 單片機(jī)為核心搭建下位機(jī)，下位機(jī)1 可佩戴于腕部，獲取人體指尖脈搏、腕背脈搏、腕部三軸加速度信號(hào)；下位機(jī)2 可貼于胸部，也可放入上衣兜中，采集人體心電和呼吸信號(hào)。在PC 上基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面，作為上位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)ZigBee模塊組網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸和信息交互。

1.2 子模塊設(shè)計(jì)

（1）電源模塊。下位機(jī)采用可充電紐扣鋰電池作為電源，型號(hào)為L(zhǎng)IR2032，該電池額定電壓為3． 6 V，充滿(mǎn)電后電壓可達(dá)4． 15 V，放電終止電壓為2． 7 V，直徑為20 mm，厚度3． 2 mm。分別基于芯片LTC4054 和SPX3819 設(shè)計(jì)充電和穩(wěn)壓電路。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（2）傳感器。①腕背處脈搏傳感器，選用深圳華羿科技有限公司生產(chǎn)的綠光反射式傳感器HY2615 采集人體腕背靜脈脈搏信號(hào)；②指尖脈搏傳感器，選用合肥華科電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的HKG-07B 紅外透射式脈搏傳感器采集人體指尖脈搏信號(hào)；③三軸加速度傳感器，選用常用的ADXL335B 芯片測(cè)量腕部x、y 和z向的加速度變化，用于描述腕部動(dòng)作變化；④心電傳感器，采用貼片電極獲取心電信號(hào)，并選用AD8232 芯片對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；⑤呼吸傳感器，選用合肥華科電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的HKH-11B 呼吸傳感器置于人體腹部，獲取呼吸信號(hào)。

（3）下位機(jī)。選用STM32F103C8T6 單片機(jī)構(gòu)建下位機(jī)最小系統(tǒng)。該單片機(jī)具有ARM Cortex-M內(nèi)核，32 bit 位寬，工作電壓2 ～3． 6 V，64 KB 的PROM，20 KB的RAM，10 路12 位的ADC轉(zhuǎn)換口，最高系統(tǒng)時(shí)鐘72 MHz，擁有CAN，IIC，SPI，USART和USB通信接口。

（4）ZigBee模塊。選用ZigBee 模塊CC2530F256實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信。CC2530F256 是一款擁有增強(qiáng)型8051內(nèi)核的低功耗芯片，遵從IEEE 802． 15． 4 協(xié)議，能在2． 4 GHz頻段上進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳遞。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)3 個(gè)ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)1、下位機(jī)2 和上位機(jī)組網(wǎng)，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。下位機(jī)ZigBee 模塊接在單片機(jī)STM32 的串口之上，上位機(jī)ZigBee 模塊接在PC 的USB接口之上。

（5）上位機(jī)。上位機(jī)硬件為PC 機(jī)，配置為Intel（R）Core（TM）i5-7500 CPU，3． 4 GHz 主頻，8 GB 內(nèi)存，64 bit Windows7 操作系統(tǒng)。

基于LabVIEW軟件編寫(xiě)了人機(jī)交互界面，用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和程序驗(yàn)證。采用美國(guó)國(guó)家儀器公司授權(quán)的教學(xué)版LabVIEW 2016 軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)人機(jī)交互界面。

1.3 系統(tǒng)實(shí)物及使用方法

系統(tǒng)需要2 名學(xué)生配合使用，1 名學(xué)生作為受試者，另1 名學(xué)生負(fù)責(zé)系統(tǒng)操作。受使者保持靜坐的姿勢(shì)，由另1 名學(xué)生按照?qǐng)D2 所示的方式幫其佩戴系統(tǒng)后，打開(kāi)下位機(jī)電源。同時(shí)，打開(kāi)圖3 所示的上位機(jī)軟件，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)或者進(jìn)行程序調(diào)試。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 上位機(jī)人機(jī)交互界面

具體操作流程如下：

（1）信息輸入。在信息輸入界面輸入受試者基本信息，并根據(jù)ZigBee 接收端的USB 接口選擇合適的COM端口。

（2）信號(hào)采集。點(diǎn)擊系統(tǒng)控制界面的開(kāi)始采集按鍵，系統(tǒng)將自動(dòng)連接下位機(jī)，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)同步采集，并在右側(cè)波形圖表中顯示時(shí)域波形。同時(shí)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。如果點(diǎn)擊按鍵后沒(méi)有波形出現(xiàn)，則證明與下位機(jī)連接失敗。主要是以下兩個(gè)原因造成：下位機(jī)電池電量耗盡；COM口選擇錯(cuò)誤。

（3）信號(hào)濾波。圖2 中界面顯示波形為未濾波信號(hào)的時(shí)域波形?？稍凇敖缑媲袚Q”選項(xiàng)卡上點(diǎn)擊“時(shí)域處理”，即可觀察到濾波后信號(hào)的時(shí)域波形?？赏ㄟ^(guò)程序面板對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，觀察濾波效果。

（4）頻域處理。在圖2 中界面“選項(xiàng)卡”點(diǎn)擊“頻域處理”，可觀察各路信號(hào)頻譜。

（5）結(jié)果顯示。圖2 中界面的結(jié)果顯示界面可以看到脈率和呼吸率的實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，并對(duì)它們變化范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。正常范圍內(nèi)，報(bào)警燈為綠色，當(dāng)超出正常范圍時(shí)，報(bào)警燈變紅。

（6）停止采集。點(diǎn)擊系統(tǒng)控制界面的停止采集按鍵后，上位機(jī)與下位機(jī)的連接斷開(kāi)，并關(guān)閉信號(hào)存儲(chǔ)文件，信號(hào)采集結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、理實(shí)一體化教學(xué)與綜合實(shí)訓(xùn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

在講解理論知識(shí)之前，指導(dǎo)學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。給學(xué)生講解系統(tǒng)的硬件組成及工作原理，使其通過(guò)操作，感受將人體生理信號(hào)轉(zhuǎn)化為可視化電信號(hào)的過(guò)程，輔助其掌握信號(hào)的采集與處理全流程，建立完整的專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系。

同時(shí)，讓學(xué)生采集自己的生理信號(hào)，在熟悉系統(tǒng)操作，積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動(dòng)力。

2.2 理實(shí)一體化教學(xué)

將該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入課堂教學(xué)，開(kāi)展理實(shí)一體化教學(xué)，讓學(xué)生在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，鍛煉知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)用能力。對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理課程中的重要知識(shí)點(diǎn)，具體教學(xué)內(nèi)容如下：

（1）采樣定理。在講解采樣定理之前，不斷改變下位機(jī)的采樣頻率，讓學(xué)生對(duì)比觀察示波器上的模擬信號(hào)波形和上位機(jī)界面顯示數(shù)字信號(hào)時(shí)域波形的差異，理解欠采樣、臨界采樣和過(guò)采樣工程意義。同時(shí)，在頻域，讓學(xué)生觀察模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的頻譜，引出頻譜延拓的概念。進(jìn)而降低采樣率，讓學(xué)生觀察頻譜混疊現(xiàn)象。由此引出采樣定理的內(nèi)容，并給出理論推導(dǎo)，讓學(xué)生將理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，快速掌握所學(xué)知識(shí)。

（2）離散卷積。離散卷積是信號(hào)處理過(guò)程中重要的一種數(shù)學(xué)運(yùn)算。傳統(tǒng)教學(xué)方法直接從卷積的定義出發(fā)講解運(yùn)算過(guò)程，而忽略了其實(shí)際工程背景。為什么在運(yùn)算的過(guò)程中對(duì)信號(hào)要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)與平移？這是卷積運(yùn)算理解的關(guān)鍵。在理實(shí)一體化教學(xué)中，以下位機(jī)AD轉(zhuǎn)換后緩存區(qū)數(shù)據(jù)的更新和運(yùn)算過(guò)程為例，給學(xué)生講解實(shí)際緩存區(qū)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，這種過(guò)程就可以用卷積來(lái)描述，引出離散卷積的概念，讓學(xué)生對(duì)卷積過(guò)程有直觀的感受，提高學(xué)習(xí)效果。并指導(dǎo)學(xué)生寫(xiě)出卷積過(guò)程的C語(yǔ)言代碼。

（3）信號(hào)頻譜測(cè)量與分析。讓學(xué)生觀察5 個(gè)單頻正弦波疊加形成信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，得出頻譜可用于分析信號(hào)的頻率成分，引出頻譜的實(shí)際工程作用。在此基礎(chǔ)上，講解頻譜的計(jì)算方法—離散傅里葉變換。通過(guò)Matlab軟件演示正弦波疊加近似逼近方波和三角波的過(guò)程，引出離散傅里葉變換（DFT）的原理及過(guò)程。通過(guò)實(shí)際信號(hào)的DFT 運(yùn)行時(shí)間與信號(hào)長(zhǎng)度的關(guān)系，分析DFT計(jì)算公式的對(duì)偶性，引出快速傅里葉變換（FFT），講解FFT 原理。指導(dǎo)學(xué)生寫(xiě)出基2-FFT 的C語(yǔ)言代碼，并基于Eclipse 軟件將所寫(xiě)代碼下載入STM32 單片機(jī)中，計(jì)算實(shí)際信號(hào)的頻譜。同時(shí)，講解Matlab和LabVIEW軟件中計(jì)算FFT的函數(shù)，讓學(xué)生能夠熟練使用這些函數(shù)進(jìn)行編程。

（4）卷積定理。卷積定理解釋了信號(hào)處理運(yùn)算過(guò)程在時(shí)域和頻域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即時(shí)域卷積對(duì)應(yīng)頻域乘積，頻域卷積對(duì)應(yīng)時(shí)域乘積。對(duì)于卷積定理的驗(yàn)證，在Matlab軟件中，讓學(xué)生對(duì)兩個(gè)信號(hào)時(shí)域卷積的頻譜與兩個(gè)信號(hào)頻譜的乘積結(jié)果進(jìn)行對(duì)比觀察，得到兩種運(yùn)算過(guò)程的頻譜相同。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行理論教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)卷積定理。

（5）濾波器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。用手機(jī)上自帶的手電筒照射人體指端，增加指尖傳感器的光照強(qiáng)度，讓學(xué)生感受不同光照條件下脈搏信號(hào)時(shí)域波形和頻譜的變化，引出噪聲的概念，進(jìn)而講解濾波器的作用，引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在此基礎(chǔ)上，基于卷積定理講解濾波器的工作過(guò)程，以及濾波器類(lèi)型、參數(shù)意義及調(diào)節(jié)方法。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的5 階平滑濾波器，指導(dǎo)學(xué)生在STM32 單片機(jī)中寫(xiě)出脈搏信號(hào)和濾波器參數(shù)運(yùn)算過(guò)程（時(shí)域卷積）的C語(yǔ)言代碼，通過(guò)脈搏信號(hào)的實(shí)時(shí)濾波，讓學(xué)生對(duì)濾波器的概念和原理有直觀的認(rèn)識(shí)。

（6）FIR和IIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。指導(dǎo)學(xué)生使用Matlab自帶的濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，基于離線(xiàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波器參數(shù)的調(diào)試，得到濾波效果較好的濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)和差分方程，將該差分方程用C 語(yǔ)言寫(xiě)入單片機(jī)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波。同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用LabVIEW軟件的濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，在上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波。在此基礎(chǔ)上，講解對(duì)應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)，以及FIR 和IIR 濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.3 綜合實(shí)訓(xùn)

經(jīng)過(guò)理實(shí)一體化教學(xué)之后，學(xué)生儲(chǔ)備了基礎(chǔ)的信號(hào)處理理論知識(shí)，并具有一定的知識(shí)應(yīng)用能力。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成較復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理案例，鍛煉其信號(hào)處理算法的設(shè)計(jì)能力?，F(xiàn)有的課程設(shè)計(jì)案例有：基于心電信號(hào)的心率計(jì)算；基于脈搏信號(hào)的脈率計(jì)算；基于呼吸信號(hào)的呼吸率計(jì)算；基于三軸加速度信號(hào)的擺臂次數(shù)計(jì)算。

通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生完成綜合案例，使其對(duì)理實(shí)一體化課程教學(xué)中學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固。同時(shí)，教會(huì)學(xué)生使用中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）等文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，自行查閱已有案例的實(shí)現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)自己的任務(wù)，設(shè)計(jì)信號(hào)處理流程及具體的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)Matlab 軟件對(duì)算法進(jìn)行仿真，并最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所提出的方法，切實(shí)地鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)持續(xù)在測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)4 個(gè)班進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的效果。學(xué)生的科技創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，在科技競(jìng)賽方面，省部級(jí)獲獎(jiǎng)5 項(xiàng)，市廳級(jí)獲獎(jiǎng)9 項(xiàng)；已發(fā)表科技論文8 篇，公開(kāi)實(shí)用新型專(zhuān)利4 件，軟件著作權(quán)4 件；指導(dǎo)學(xué)生承擔(dān)教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目1 項(xiàng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目1 項(xiàng)，江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目5 項(xiàng)，校級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目7 項(xiàng)。近年來(lái)，測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)率達(dá)98%以上，畢業(yè)生多集中在長(zhǎng)三角非標(biāo)自動(dòng)化行業(yè)，接近70%的學(xué)生在長(zhǎng)三角工作。通過(guò)對(duì)蘇州凌創(chuàng)電子系統(tǒng)有限公司、上海泛華測(cè)控技術(shù)有限公司、常熟市天銀機(jī)電股份有限公司等企業(yè)的走訪(fǎng)和調(diào)研，企業(yè)普遍認(rèn)為學(xué)生的工程實(shí)踐能力有明顯提高，能夠很快地適應(yīng)企業(yè)環(huán)境，參加工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。進(jìn)一步證明所研制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面具有積極的推動(dòng)作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)，探索數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)踐化教學(xué)模式改革，研制了可用于人體生理信號(hào)采集與處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。將該系統(tǒng)引入課程的教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生參與信號(hào)采集與處理的整個(gè)過(guò)程，建立完整的專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系，提高學(xué)習(xí)興趣，在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力。實(shí)際教學(xué)效果表明，學(xué)生的科技創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，畢業(yè)生工程實(shí)踐能力明顯提高，用人企業(yè)的認(rèn)可度不斷提升。