虛擬信號發(fā)生器數(shù)字信號處理課設(shè)

1、燕山大學課 程 設(shè) 計 說 明 書題目：虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 自動化儀表 學 號： 100103020002 學生姓名： 王思琪 指導教師： 謝平 杜義浩 教師職稱： 教授 講師 課程名稱： “單片機原理及應(yīng)用數(shù)字信號處理”課程設(shè)計 基層教學單位：自動化儀表系 指導教師：張淑清 謝平 學號100103020002學生姓名王思琪（專業(yè)）班級儀表一班設(shè)計題目虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)1 利用Matlab設(shè)計任意波形虛擬信號發(fā)生器。2 在PC機顯示不同信號波形的同時，利用串行口控制單片機系統(tǒng)的LED顯示相應(yīng)波形參數(shù)(如幅度、頻率、相位和能量等)。3 擴展：

2、也可產(chǎn)生其他信號，或驅(qū)動其他外設(shè)并顯示及參數(shù)。設(shè)計要求要求至少輸出五種以上參數(shù)可調(diào)的信號(如：方波，三角波，正弦波、高斯白噪聲等)，并實現(xiàn)相應(yīng)信號的頻譜分析，對比不同信號的時域波形和頻譜特性。(其中可調(diào)參數(shù)包括幅值、相位、頻率、采樣頻率等)。設(shè)計相應(yīng)的軟件分析界面。工作量軟件編程與硬件調(diào)試相結(jié)合，繪制設(shè)計流程圖，編制相應(yīng)軟件界面，實現(xiàn)單片機控制與信號處理任務(wù)的綜合應(yīng)用參考資料1）微型計算機控制系統(tǒng) 賴壽宏，機械工業(yè)出版社（教材）2）單片機及應(yīng)用李大友，高等教育出版社（教材）3）信號處理原理及應(yīng)用 謝平 等 機械工業(yè)出版社（教材）4)Matlab程序設(shè)計及其在信號處理中的應(yīng)用聶祥飛等 西南交通大

3、學出版社5）自選其他有關(guān)資料周次第一周第二周應(yīng)完成內(nèi)容熟悉偉福單片機編程環(huán)境，調(diào)試單片機各基本功能模塊；熟悉matlab信號處理工具箱，信號處理系統(tǒng)基本功能模塊學習和調(diào)試單片機系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)綜合進行硬件調(diào)試，撰寫課程設(shè)計報告指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：1、此表一式四份，系、指導教師、學生各一份，報送院教務(wù)科一份。 2、學生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計報告前面。 電氣工程學院 教務(wù)科 目錄（信號處理要求）第一章 摘要3第二章 總體設(shè)計方案4第三章 GUIDE預(yù)備理論5第四章 信號發(fā)生器基本原理64.1含變量的波形函數(shù)的生成64.2 時域向頻域的轉(zhuǎn)換7第5章 GUIDE源程序的設(shè)計

4、9第6章 程序顯示結(jié)果與調(diào)試14第七章 心得及總結(jié)15參考文獻16附 錄1617第1章 摘要 信號發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號的儀器。按信號波形可分為正弦信號、函數(shù)（波形）信號、脈沖信號和隨機信號發(fā)生器等四大類。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。 在有些實驗測量中，我們需要用到信號發(fā)生器，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器其功能完全靠硬件實現(xiàn)，功能單一，而且費用較高，一個傳統(tǒng)實驗室很難擁有多類信號發(fā)生器，然而基于虛擬儀器技術(shù)的信號發(fā)生器則能夠?qū)?/p>

5、現(xiàn)這一要求。此報告論述了一個基于虛擬儀器技術(shù)的任意波形發(fā)生器模塊的實現(xiàn)。 第二章 總體設(shè)計方案 首先我們進行的是單片機部分的設(shè)計,課設(shè)的前兩天,熟悉了單片機個模塊的設(shè)計例程,而后我們挑選了合適的例程為我們的所需要的信號發(fā)生器模塊所用。在這之中，我們用到了273輸出模塊，led顯示模塊，數(shù)碼管顯示模塊，蜂鳴器模塊，16*16點陣顯示模塊，串行通信模塊。在精心的學習之后,我們成功地完成了單片機部分的初步制作。此后，我們開始了第三天的數(shù)字信號軟件方面的制作，在guide設(shè)計教程及學長的指導下，我們設(shè)計了一個簡潔方便的操作界面，并根據(jù)相應(yīng)的按鍵功能編寫程序，先收集了5種波形函數(shù)，而后編寫了與之對應(yīng)的變

6、量函數(shù)。于是我們便能將可變參數(shù)加入到函數(shù)中去，進行調(diào)試了。其后，我們設(shè)計了傅里葉轉(zhuǎn)換函數(shù)，將波形一一轉(zhuǎn)換為頻域波形，最后，我們在學長的指導下完成了串行發(fā)送的按鈕設(shè)計。信號處理部分也制作完畢。最后是單片機部分與信號部分的連接調(diào)試，我們將matlab發(fā)送的波形參數(shù)與單片機的數(shù)碼管,led,蜂鳴器的信號同步。成功的做出了兩者相結(jié)合的虛擬信號發(fā)生器。 第三章 GUIDE預(yù)備理論 本實驗內(nèi)容主要是闡述虛擬信號發(fā)生器的前面板和程序框圖的設(shè)計。設(shè)計完的信號發(fā)生器的功能包括能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波高斯白噪聲信號波形；波形的頻率、幅值、相位、及采樣頻率等參數(shù)由前面板控件實時可調(diào)。 虛擬信號發(fā)生器是基

7、于MATLAB仿真軟件進行編程的，它使用的是圖形化編程語言。要完成一個虛擬信號發(fā)生器首先要進行GUI面板的設(shè)計，根據(jù)信號發(fā)生器所要實現(xiàn)的功能，在控件選板中選擇相應(yīng)的控件，放在前面板相應(yīng)的位置上，擺放要使前面板看起來比較協(xié)調(diào)。圖形用戶界面概念：圖形用戶界面或圖形用戶接口(Graphical User Interface，GUI)是指采用圖形方式顯示的計算機操作環(huán)境用戶接口。與早期計算機使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說更為簡便易用。GUIDE是Matlab提供的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境，提供了一系列用于創(chuàng)建圖形用戶界面的工具，從而簡化界面布局和編程工作。 設(shè)計GUI程序時首先要分解任務(wù)，把待

8、設(shè)計任務(wù)分割成幾個大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至可以分解到要用哪些函數(shù)的程度；然后是尋找例程，參考例程可以避免重復(fù)前人做過的工作。我們在學長的幫助下獲得了部分波形及將波形從時域傅里葉轉(zhuǎn)換為頻域波形的函數(shù)，以及串行口發(fā)送數(shù)據(jù)的模板，得以順利的將函數(shù)套用在GUI界面下，并順利的與單片機相連。 第四章 信號發(fā)生器基本原理4.1含變量的波形函數(shù)的生成本次課設(shè)中我們設(shè)方波信號：y=a*square(2*pi*f*t+4*p/f,50)其中a為幅值，f為頻率，t為時間，p為相位，生成類似如下波形其中a,f,p和采樣頻率e分別有4個滑塊控制,如下其變換值顯示在圖中方框中。4.2時域向頻域

9、的轉(zhuǎn)換若將該方波變換為頻域波形，則使用如下傅里葉函數(shù)Nf=length(y);f=0:fs/(Nf-1):fs; x=abs(fft(y);波形變換如下：同理，本次課設(shè)的其他4中波形也可如此生成：正弦波：y=a*sin(2*pi*f*t+p*2*pi)鋸齒波:y=a*sawtooth(pi*f*t+4*p/f,1)三角波：y=a*sawtooth(pi*f*t+4*p/f,0.5)白噪聲：y=a*randn(size(t)他們的波形如下 第五章 GUIDE源程序的設(shè)計本次實驗中,我們將界面程序的設(shè)計分為多塊,并小組合作完成:1.按鍵初始化程序略；對滑塊部分賦值的程序設(shè)計如下: j=get(ha

10、ndles.slider1,value); k=get(handles.slider2,value); l=get(handles.slider3,value);m=get(handles.slider4,value);再由滑塊對文本框賦值： set(handles.edit1,string,num2str(j); set(handles.edit2,string,num2str(k); set(handles.edit3,string,num2str(l);set(handles.edit4,string,num2str(m);再將波形函數(shù)變量賦值并顯示在波形框內(nèi)a=str2num(get(

11、handles.edit1,string); f=str2num(get(handles.edit2,string); p=str2num(get(handles.edit3,string); e=str2num(get(handles.edit4,string); fs=e; t=0:1/fs:30; t=0:1/fs:30; y=a*sin(2*pi*f*t+p*2*pi); set(gcf,CurrentAxes,handles.axes2); plot(t,y); axis(0,8*pi,-5.2,5.2); grid on;之后在進行傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域圖形：Nf=length(y)

12、;f=0:fs/(Nf-1):fs; %頻譜橫坐標x=abs(fft(y);set(gcf,CurrentAxes,handles.axes1);plot(f,x);title(Frequency content of y)xlabel(frequency (Hz);以上為正弦波形的設(shè)計同理可得其他波形波形選擇函數(shù)：while 1 if p1=1 t=0:1/e:8*pi; y=a*sin(2*pi*f*t+p*2*pi); plot(t,y); grid on; axis(0,8*pi,-5.2,5.2); end; if p2=1 t=0:1/e:6; y=a*square(2*pi*f*

13、t+4*p/f,50); plot(t,y); grid on; axis(0,6,-5.2,5.2); end; if p3=1 t=0:1/e:20; y=a*sawtooth(pi*f*t+4*p/f,1); plot(t,y); grid on; axis(0,20,-5.2,5.2); end; if p4=1 t=0:1/e:20; y=a*sawtooth(pi*f*t+4*p/f,0.5); plot(t,y); grid on; axis(0,20,-5.2,5.2); end; if p5=1 t=1:1/e:25; y=a*randn(size(t); plot(t,y)

14、; grid on; end;串行發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)設(shè)計function pushbutton10_Callback(hObject, eventdata, handles)ss=serial(COM1);ss.BaudRate=2400;ss.DataBits=8;ss.Parity=none;ss.StopBits=1;ss.TimeOut=60;ss.DataTerminalReady=off;ss.RequestToSend=off;ss.FlowControl=none;ss.InputBufferSize=1000;fopen(ss);清除數(shù)據(jù)按鈕設(shè)計： set(handles.sli

15、der1,value,0); set(handles.slider2,value,0); set(handles.slider3,value,0); set(handles.slider4,value,0); set(handles.edit1,string,0); set(handles.edit2,string,0); set(handles.edit3,string,0); set(handles.edit4,string,0);關(guān)閉按鈕：function pushbutton9_Callback(hObject, eventdata, handles)close;我們還添加了若干工具欄

16、設(shè)計，但是個別按鈕功能未添加完整，不具備實用性 第六章 程序顯示結(jié)果與調(diào)試完成guide界面后，我們連接了串行口并發(fā)送了數(shù)據(jù)。但因為硬件限制，為發(fā)送數(shù)碼管我們將發(fā)送的數(shù)據(jù)都做了取整處理，發(fā)送的均為個位整數(shù)，并成功與單片機協(xié)同合作完成了參數(shù)在單片機上的正確顯示。至此信號處理部分完成。最終調(diào)試結(jié)果如下: 第七章 心得與總結(jié)經(jīng)過長達一星期不間斷的單片機及信號處理的課程設(shè)計，我再一次加強了對單片機硬件和信號處理Matlab的軟件的認識，Matlab這樣的軟件強大的開發(fā)功能與靈活的編程手段勾起了我對信號處理濃厚的興趣，并最終實現(xiàn)了虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計，可以看出虛擬儀器給用戶提供了一個充分發(fā)揮自己的才能和想象力的空間，可根據(jù)用戶自己的設(shè)想及要求，通過編程來設(shè)計，組建自己的儀器系統(tǒng)，他的靈活、開放，技術(shù)更新周期短，可隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和用戶的需求進行儀器與系統(tǒng)的升級，在性能維護和靈活組態(tài)等方面有著傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點。通過此次課程設(shè)計，我不僅把所學知識的融會貫通，而且豐富了我的閱歷。同時，在查找資料的過程中也了解了許多課外知識，開拓了視野，認識了將來數(shù)字圖像處理的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)方面和動手能力方面都得到了加強。在咨詢學長的同時，我學會了虛心請教師長，來完善我的課題能力，如果沒有學長每天的答疑解惑，我們不可能編出對于自己來說前所未有復(fù)雜的單片機及guide程序。