虛擬信號(hào)發(fā)生器數(shù)字信號(hào)處理課設(shè).doc

燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書題目：虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 自動(dòng)化儀表 學(xué) 號(hào)： 100103020002 學(xué)生姓名： 王思琪 指導(dǎo)教師： 謝平 杜義浩 教師職稱： 教授 講師 課程名稱： “單片機(jī)原理及應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理”課程設(shè)計(jì) 基層教學(xué)單位：自動(dòng)化儀表系 指導(dǎo)教師：張淑清 謝平 學(xué)號(hào)100103020002學(xué)生姓名王思琪（專業(yè)）班級(jí)儀表一班設(shè)計(jì)題目虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)1 利用Matlab設(shè)計(jì)任意波形虛擬信號(hào)發(fā)生器。2 在PC機(jī)顯示不同信號(hào)波形的同時(shí)，利用串行口控制單片機(jī)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(kuò)展：也可產(chǎn)生其他信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)其他外設(shè)并顯示及參數(shù)。設(shè)計(jì)要求要求至少輸出五種以上參數(shù)可調(diào)的信號(hào)(如：方波，三角波，正弦波、高斯白噪聲等)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信號(hào)的頻譜分析，對(duì)比不同信號(hào)的時(shí)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(jì)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(jì)流程圖，編制相應(yīng)軟件界面，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制與信號(hào)處理任務(wù)的綜合應(yīng)用參考資料1）微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 賴壽宏，機(jī)械工業(yè)出版社（教材）2）單片機(jī)及應(yīng)用李大友，高等教育出版社（教材）3）信號(hào)處理原理及應(yīng)用 謝平 等 機(jī)械工業(yè)出版社（教材）4)Matlab程序設(shè)計(jì)及其在信號(hào)處理中的應(yīng)用聶祥飛等 西南交通大學(xué)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(jī)編程環(huán)境，調(diào)試單片機(jī)各基本功能模塊；熟悉matlab信號(hào)處理工具箱，信號(hào)處理系統(tǒng)基本功能模塊學(xué)習(xí)和調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)綜合進(jìn)行硬件調(diào)試，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：1、此表一式四份，系、指導(dǎo)教師、學(xué)生各一份，報(bào)送院教務(wù)科一份。 2、學(xué)生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計(jì)報(bào)告前面。 電氣工程學(xué)院 教務(wù)科 目錄（信號(hào)處理要求）第一章 摘要3第二章 總體設(shè)計(jì)方案4第三章 GUIDE預(yù)備理論5第四章 信號(hào)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(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)換7第5章 GUIDE源程序的設(shè)計(jì) 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(xiàn)16附 錄1617第1章 摘要 信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)的儀器。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)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(lái)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(hào)發(fā)生器。 在有些實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，我們需要用到信號(hào)發(fā)生器，傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器其功能完全靠硬件實(shí)現(xiàn)，功能單一，而且費(fèi)用較高，一個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室很難擁有多類信號(hào)發(fā)生器，然而基于虛擬儀器技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器則能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求。此報(bào)告論述了一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)的任意波形發(fā)生器模塊的實(shí)現(xiàn)。 第二章 總體設(shè)計(jì)方案 首先我們進(jìn)行的是單片機(jī)部分的設(shè)計(jì),課設(shè)的前兩天,熟悉了單片機(jī)個(gè)模塊的設(shè)計(jì)例程,而后我們挑選了合適的例程為我們的所需要的信號(hào)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(diǎn)陣顯示模塊，串行通信模塊。在精心的學(xué)習(xí)之后,我們成功地完成了單片機(jī)部分的初步制作。此后，我們開始了第三天的數(shù)字信號(hào)軟件方面的制作，在guide設(shè)計(jì)教程及學(xué)長(zhǎng)的指導(dǎo)下，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的變量函數(shù)。于是我們便能將可變參數(shù)加入到函數(shù)中去，進(jìn)行調(diào)試了。其后，我們?cè)O(shè)計(jì)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?cè)趯W(xué)長(zhǎng)的指導(dǎo)下完成了串行發(fā)送的按鈕設(shè)計(jì)。信號(hào)處理部分也制作完畢。最后是單片機(jī)部分與信號(hào)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(jī)的數(shù)碼管,led,蜂鳴器的信號(hào)同步。成功的做出了兩者相結(jié)合的虛擬信號(hào)發(fā)生器。 第三章 GUIDE預(yù)備理論 本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是闡述虛擬信號(hào)發(fā)生器的前面板和程序框圖的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完的信號(hào)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(hào)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(shí)時(shí)可調(diào)。 虛擬信號(hào)發(fā)生器是基于MATLAB仿真軟件進(jìn)行編程的，它使用的是圖形化編程語(yǔ)言。要完成一個(gè)虛擬信號(hào)發(fā)生器首先要進(jìn)行GUI面板的設(shè)計(jì)，根據(jù)信號(hào)發(fā)生器所要實(shí)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(lái)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(jì)算機(jī)操作環(huán)境用戶接口。與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)更為簡(jiǎn)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(jiǎn)化界面布局和編程工作。 設(shè)計(jì)GUI程序時(shí)首先要分解任務(wù)，把待設(shè)計(jì)任務(wù)分割成幾個(gè)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(guò)的工作。我們?cè)趯W(xué)長(zhǎng)的幫助下獲得了部分波形及將波形從時(shí)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(jī)相連。 第四章 信號(hào)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?cè)O(shè)方波信號(hào)：y=a*square(2*pi*f*t+4*p/f,50)其中a為幅值，f為頻率，t為時(shí)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(gè)滑塊控制,如下其變換值顯示在圖中方框中。4.2時(shí)域向頻域的轉(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(jì)本次實(shí)驗(yàn)中,我們將界面程序的設(shè)計(jì)分為多塊,并小組合作完成:1.按鍵初始化程序略；對(duì)滑塊部分賦值的程序設(shè)計(jì)如下: j=get(handles.slider1,value); k=get(handles.slider2,value); l=get(handles.slider3,value);m=get(handles.slider4,value);再由滑塊對(duì)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(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(jìn)行傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域圖形：Nf=length(y);f=0:fs/(Nf-1):fs; %頻譜橫坐標(biāo)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(jì)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*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); grid on; end;串行發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)： set(handles.slider1,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設(shè)計(jì)，但是個(gè)別按鈕功能未添加完整，不具備實(shí)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?yàn)橛布拗?，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(gè)位整數(shù)，并成功與單片機(jī)協(xié)同合作完成了參數(shù)在單片機(jī)上的正確顯示。至此信號(hào)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(guò)長(zhǎng)達(dá)一星期不間斷的單片機(jī)及信號(hào)處理的課程設(shè)計(jì)，我再一次加強(qiáng)了對(duì)單片機(jī)硬件和信號(hào)處理Matlab的軟件的認(rèn)識(shí)，Matlab這樣的軟件強(qiáng)大的開發(fā)功能與靈活的編程手段勾起了我對(duì)信號(hào)處理濃厚的興趣，并最終實(shí)現(xiàn)了虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，可以看出虛擬儀器給用戶提供了一個(gè)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(guò)編程來(lái)設(shè)計(jì)，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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和用戶的需求進(jìn)行儀器與系統(tǒng)的升級(jí)，在性能維護(hù)和靈活組態(tài)等方面有著傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我不僅把所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通，而且豐富了我的閱歷。同時(shí)，在查找資料的過(guò)程中也了解了許多課外知識(shí)，開拓了視野，認(rèn)識(shí)了將來(lái)數(shù)字圖像處理的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)方面和動(dòng)手能力方面都得到了加強(qiáng)。在咨詢學(xué)長(zhǎng)的同時(shí)，我學(xué)會(huì)了虛心請(qǐng)教師長(zhǎng)，來(lái)完善我的課題能力，如果沒(méi)有學(xué)長(zhǎng)每天的答疑解惑，我們不可能編出對(duì)于自己來(lái)說(shuō)前所未有復(fù)雜的單片機(jī)及guide程序。