馮學(xué)玲，翁文婷，吳 葛，鄧春花，尹 仕

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

《信號(hào)與系統(tǒng)》為華中科技大學(xué)電氣學(xué)科大類基礎(chǔ)課，涉及信號(hào)的各種變換和分析方法。這門課程配套實(shí)驗(yàn)主要是在傳統(tǒng)的數(shù)塊電路板上進(jìn)行測(cè)試，該電路板已經(jīng)投入使用超過(guò)10年，電路原理已逐漸陳舊過(guò)時(shí)；同時(shí)由于學(xué)生僅需完成端口接線，便可得到驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，多次的拔插使得測(cè)試接口磨損，已無(wú)法滿足現(xiàn)有課程教學(xué)；再者目前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，缺少工程背景，多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法滿足新工科背景下人才培養(yǎng)和學(xué)生工程實(shí)踐訓(xùn)練的要求。針對(duì)上述問(wèn)題，部分學(xué)校引入了Mat?lab和NILabview仿真技術(shù)，加強(qiáng)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理[1-2]。這些實(shí)踐盡管加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，但在學(xué)生能力培養(yǎng)方面，對(duì)大腦的訓(xùn)練仍停留在知識(shí)理解層面，很難激發(fā)大腦的深度學(xué)習(xí)。

為此，本文圍繞該課程的核心知識(shí)點(diǎn)：信號(hào)采樣與恢復(fù)，信號(hào)分析與變換，信號(hào)濾波與調(diào)制解調(diào)等，設(shè)計(jì)基于聲音、生理（心電）和電信號(hào)的《信號(hào)與系統(tǒng)》綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)模塊化的硬件、開(kāi)放的接口，結(jié)構(gòu)化的軟件以及交互式的界面，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、應(yīng)用和創(chuàng)新的能力[3]。

1 實(shí)驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文采用模塊化思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)，有利于靈活便捷地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。所設(shè)計(jì)平臺(tái)如圖1所示，主要包括信號(hào)檢測(cè)模塊以及輔助電源模塊等。

圖1 《信號(hào)與系統(tǒng)》綜合實(shí)驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)

（1）AC220 V輸入。后面板，市電輸入，電信號(hào)檢測(cè)模塊和輔助電源的輸入。

（2）AC220 V輸出。后面板，同市電輸入，電能質(zhì)量測(cè)量網(wǎng)絡(luò)供電。

（3）輔助電源模塊。工業(yè)級(jí)開(kāi)關(guān)電源模塊JMD10-B和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換模塊，提供各信號(hào)檢測(cè)模塊所需的供電電壓。JMD10-B為一路單相AC100～240 V輸入，兩路直流輸出（5 V/1 A；±15 V/0.2 A）；DC-DC電壓轉(zhuǎn)換模塊將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，為心電信號(hào)檢測(cè)模塊供電。

（4）心電信號(hào)檢測(cè)模塊。單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀模擬前端AD8232芯片，是一款用于心電及其他生物電信號(hào)測(cè)量應(yīng)用的集成信號(hào)調(diào)理模塊[4]，具有尺寸小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。模塊供電電壓為3.6 V，內(nèi)置專用儀表放大器、運(yùn)算放大器、驅(qū)動(dòng)放大器和中間電源電壓基準(zhǔn)電壓緩沖器各一個(gè)。專用儀表放大器具有共模抑制的功能，小信號(hào)可獲得100倍以上增益。

（5）電流測(cè)量模塊。TA12-100交流電流互感器，輸入交流電流范圍為0～5 A，變比為1 000/1，輸出端接200Ω電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電流測(cè)量模塊的輸出為0.2 V/A。通過(guò)改變電阻值大小，可以調(diào)節(jié)電流測(cè)量模塊的輸出。

（6）電壓測(cè)量模塊。單相交流有源輸出電壓互感器模塊，搭載ZMPT101B系列高精度電壓互感器以及高精度運(yùn)放，供電電壓為5～30 V，交流電壓測(cè)量范圍為0～250 V，輸出信號(hào)為含一定直流分量的正弦波，電壓傳輸比倍數(shù)可通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（7）信號(hào)輸入/輸出接口。前面板，心電檢測(cè)的導(dǎo)聯(lián)線輸入接口以及對(duì)應(yīng)電壓、電流和心電信號(hào)的BNC輸出接口。

2 基于NI虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 虛擬儀器編程語(yǔ)言NILabVIEW

NILabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，是專門針對(duì)工程師和科學(xué)家所設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，內(nèi)置能簡(jiǎn)化編程復(fù)雜度的功能和函數(shù)，便于與硬件集成[5-7]。LabVIEW虛擬儀器技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集和計(jì)算分析功能強(qiáng)大、兼容性好、開(kāi)發(fā)周期短、投資少和智能化等優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用LabVIEW編制的程序即VI，包括前面板和后面板。通過(guò)適當(dāng)配置，前面板可以作為人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值。后面板即函數(shù)選板，通過(guò)庫(kù)函數(shù)的合理組合，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的信號(hào)處理功能。

2.2 NImyDAQ數(shù)據(jù)采集卡

NImyDAQ是一種使用NILabVIEW軟件的低成本便攜式數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備，如圖2所示，具有一路USB、兩路模擬輸入（AI）、兩路模擬輸出（AO）、8路數(shù)字輸入和輸出（DIO）、音頻、電源和數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）等接口。

圖2 NImyDAQ設(shè)備接口

NI myDAQ通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)LabVIEW平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)采集電路信號(hào)傳輸。

2.3 信號(hào)分析處理綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

基于虛擬儀器的信號(hào)分析處理綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)連接方案和結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，心電、電信號(hào)和音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)檢測(cè)平臺(tái)后由myDAQ送至LabVIEW上位機(jī)，最后由LabVIEW完成后續(xù)處理。

圖3 基于虛擬儀器的信號(hào)分析綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架

2.4 心電信號(hào)分析儀實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）心電采集系統(tǒng)

心電信號(hào)的常見(jiàn)處理流程包括心電信號(hào)的采集、預(yù)處理、特征提取與分類識(shí)別4個(gè)環(huán)節(jié)[8]。本實(shí)驗(yàn)心電信號(hào)采集基于AD8232硬件模塊，其測(cè)量原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。測(cè)量時(shí)，不銹鋼電極LA、RA和RL（COM）分別接入被測(cè)者的左肢、右肢和右腿上。由于測(cè)量電極引線較長(zhǎng)，系統(tǒng)容易受到共模信號(hào)干擾，因此圖4所示電路設(shè)置了極窄的帶通濾波器，在保留心率信號(hào)的基礎(chǔ)上濾除噪聲干擾信號(hào)，該電路亦能濾除共模成分并將小信號(hào)放大輸出。

圖4 基于雙手測(cè)量的心電采集基本電路原理結(jié)構(gòu)

圖4中，①所示電路為直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)，獨(dú)立檢測(cè)三電極是否脫落和斷開(kāi)；②為輸入電極電阻，用以保護(hù)被測(cè)試者免受故障條件的影響；③所示電路為輸出端雙極點(diǎn)高通濾波器；④所示電路為雙極點(diǎn)低通濾波器；⑤所示電路為基準(zhǔn)電壓設(shè)置器，通過(guò)兩只電阻分壓后并聯(lián)電容濾波。

通過(guò)將AD8232輸出“OUTPUT”與myDAQ的模擬輸入接口A0相連，可以采集AD8232檢測(cè)的心電信號(hào)。盡管AD8232能提供較高的信噪比，但由于缺少外部干擾屏蔽，還需設(shè)計(jì)LabVIEW軟件完成心電信號(hào)濾波、去噪、分析等一系列操作。

（2）心電信號(hào)濾波去噪及峰值檢測(cè)

根據(jù)采樣定理可知：當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí)，采樣后的數(shù)字信號(hào)可以無(wú)失真的恢復(fù)?；贏D8233心電監(jiān)測(cè)模塊得到的心電信號(hào)，可通過(guò)設(shè)置采樣頻率，利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)濾波、去噪，以方便觀察和分析。常用的一般濾波器模型如圖5（a）所示，有低通、高通、帶通、帶阻和平滑濾波5種類型，以低通濾波器為例，通過(guò)設(shè)置截止頻率和FIR抽頭數(shù)，可實(shí)時(shí)預(yù)覽濾波前后的時(shí)域（圖5（b））、頻譜波形和傳遞函數(shù)伯德圖。

圖5 LabVIEW信號(hào)處理子VI

對(duì)于心電信號(hào)，還可以采用小波去噪、FIR加窗濾波等方式[9]。其中小波去噪方法主要經(jīng)過(guò)對(duì)小波母函數(shù)的選擇、分解層數(shù)和閾值的選擇規(guī)則進(jìn)行分析。如許春冬提出的基于coif-5的5層分解樹(shù)自適應(yīng)閾值降噪方法，可以得到較佳的效果，該方法通過(guò)LabVIEW調(diào)用MAT?LAB Script腳本節(jié)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)濾波[10]。FIR加窗濾波基于有限的脈沖響應(yīng)，通過(guò)選擇不同的窗函數(shù)，如矩形窗、漢寧窗以及高斯窗等來(lái)逼近給定的頻率響應(yīng)特性。

經(jīng)過(guò)濾波去噪的心電信號(hào)可利用心電圖QRS波群的兩個(gè)R波峰計(jì)算心率[4]。通過(guò)上升下降沿來(lái)檢測(cè)心跳、以及兩次心跳之間的時(shí)間間隔，來(lái)計(jì)算一分鐘內(nèi)心臟跳動(dòng)的次數(shù)，并經(jīng)過(guò)相鄰5次時(shí)間間隔后求取平均值，得到每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)。利用QRS波群還可進(jìn)行實(shí)時(shí)心律失常分析。最后設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示心電圖和心率。

2.5 單相電能質(zhì)量分析儀實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

單相電能質(zhì)量分析涉及電壓偏差、頻率偏差和諧波含量等[11]。本文將電能質(zhì)量分析儀置于用電設(shè)備前端，如圖1（b）所示，通過(guò)霍爾元件采樣用電設(shè)備的輸入電流和輸入電壓，通過(guò)myDAQ兩路模擬量輸入接口送至LabVIEW后，對(duì)電流電壓信號(hào)實(shí)時(shí)處理和分析，來(lái)完成電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的測(cè)量和分析。

電壓偏差是指電網(wǎng)中測(cè)量節(jié)點(diǎn)實(shí)際電壓Ure與系統(tǒng)給定的額定電壓UN值之間的差，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

國(guó)標(biāo)GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》對(duì)單相220 V電壓允許偏差限值為-10%～+7%[12]。

諧波是非線性負(fù)載引起的電源電壓或負(fù)載電流的周期性正弦形失真，可用波形畸變率（THD）表示波形畸變程度。計(jì)算公式為：

式中：Uh為第h次諧波電壓分量的均方根值；U1為基波電壓均方根值。

國(guó)標(biāo)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中對(duì)低壓公用電網(wǎng)的電壓諧波畸變率限值為50%[13]。

LabVIEW軟件中可用模塊程序直接求取均方根、快速傅里葉變換（FFT）和諧波失真，具體圖標(biāo)如圖6所示。

圖6 LabVIEW信號(hào)處理子VI

利用上述子程序模塊和濾波器程序，即可實(shí)現(xiàn)電壓、電流、有功、無(wú)功等電量的分析和運(yùn)算。

2.6 音頻調(diào)節(jié)器

不同頻率的聲音有不同的音效，本文采用的聲音文件可為手機(jī)或其他設(shè)備正常播放的音樂(lè)文件，通過(guò)音頻線連接AUDIOIN送至LabVIEW。通過(guò)設(shè)置濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)頻段的劃分和增益調(diào)節(jié)器，以改變不同頻段音頻信號(hào)的大小。最后對(duì)各個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行疊加，得到最終的輸出信號(hào)。處理后的音頻可通過(guò)myDAQ音頻輸出口AU?DIOOUT輸出至耳機(jī)或揚(yáng)聲器播放。

音頻調(diào)節(jié)器讓用戶能根據(jù)自己的聽(tīng)音習(xí)慣調(diào)整音頻輸出，還可根據(jù)音頻信號(hào)的能量譜進(jìn)一步分析和提取特征信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聽(tīng)音識(shí)曲[14]。

2.7 實(shí)驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)封裝

為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行封裝，如圖7（a）所示。前面板設(shè)計(jì)如圖7（b）所示，包含電壓、電流和心電信號(hào)的BNC輸出接口以及用于心電檢測(cè)的導(dǎo)聯(lián)線輸入接口。后面板為市電AC220 V輸入電源插座以及被測(cè)網(wǎng)絡(luò)供電電源接口。

圖7 硬件采集系統(tǒng)外殼封裝

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析

3.1 心電分析儀和音頻調(diào)節(jié)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于虛擬儀器的心電分析儀和音頻調(diào)節(jié)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，其中圖8（a）為某測(cè)試者的實(shí)時(shí)心電圖和心率信號(hào)；圖8（b）為實(shí)時(shí)音樂(lè)播放器，可通過(guò)調(diào)音區(qū)4個(gè)頻段的增益設(shè)置來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)音頻信號(hào)。

圖8 心電分析儀和音頻調(diào)節(jié)器的軟件界面

人機(jī)交互界面能形象直觀地觀察和體驗(yàn)信號(hào)分析處理的樂(lè)趣，學(xué)生還可以在該軟件界面進(jìn)一步優(yōu)化和集成，更好地體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

3.2 單相電能質(zhì)量分析儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

以電容和燈泡并聯(lián)電路作為用電設(shè)備，測(cè)試單相電能質(zhì)量分析儀的性能，如圖9所示。其中r為燈泡回路限流電阻，通過(guò)波動(dòng)切換開(kāi)關(guān)S1～S4來(lái)改變負(fù)載的功率因數(shù)。功率計(jì)PA1000作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器來(lái)對(duì)本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行性能檢測(cè)。

圖9 電能質(zhì)量分析系統(tǒng)測(cè)試原理

當(dāng)圖9接入總電容C=0.33μF，S4閉合時(shí)負(fù)載電流電壓波形用該電能質(zhì)量分析儀測(cè)試，結(jié)果如圖10（a）所示。改變C的大小，可得有功、無(wú)功和視在功率的變化，如圖10（b）所示。

圖10 電能質(zhì)量分析儀測(cè)試數(shù)據(jù)

將上述結(jié)果與用標(biāo)準(zhǔn)儀器PA1000測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示，對(duì)于不同的總電容，上面一欄的值為虛擬電能質(zhì)量分析儀的測(cè)試結(jié)果，下面一欄為標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)測(cè)試結(jié)果。將每組結(jié)果計(jì)算相對(duì)誤差并比較得到最大相對(duì)誤差，即最后一欄的結(jié)果。結(jié)果表明所有的相對(duì)誤差都在4%以內(nèi)，滿足教學(xué)設(shè)計(jì)要求。

表1 電能質(zhì)量分析儀測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一套軟硬件結(jié)合、虛實(shí)交互的信號(hào)分析綜合實(shí)驗(yàn)裝置，取代了陳舊過(guò)時(shí)的電路板，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波性能比較、頻譜分析和分類識(shí)別，直擊學(xué)生信號(hào)學(xué)習(xí)重難點(diǎn)和痛點(diǎn)。該綜合實(shí)驗(yàn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)方案，引入了學(xué)生熟悉的聲音信號(hào)、生理信號(hào)和電流電壓信號(hào)，共集成3套虛實(shí)結(jié)合的信號(hào)分析測(cè)試儀。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，分析測(cè)試儀基本滿足測(cè)量?jī)x器儀表的要求，能用于《信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)》本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生能通過(guò)自主設(shè)計(jì)硬件模塊、創(chuàng)意編程和多種方式融合的方式，成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者并產(chǎn)生新的知識(shí)和鏈接，體驗(yàn)信號(hào)分析處理的趣味性。該綜合實(shí)驗(yàn)裝置非常適合新工科背景下實(shí)踐教學(xué)需求，同時(shí)一體化和模塊化設(shè)計(jì)利于推廣。