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，涉及信號的各種變換和分析方法。這門課程配套實驗主要是在傳統(tǒng)的數(shù)塊電路板上進行測試，該電路板已經(jīng)投入使用超過10年，電路原理已逐漸陳舊過時；同時由于學(xué)生僅需完成端口接線，便可得到驗證性實驗結(jié)果，多次的拔插使得測試接口磨損，已無法滿足現(xiàn)有課程教學(xué)；再者目前的實驗內(nèi)容單一，缺少工程背景，多為驗證性實驗，無法滿足新工科背景下人才培養(yǎng)和學(xué)生工程實踐訓(xùn)練的要求。針對上述問題，部分學(xué)校引入了Mat?lab和NILabview仿真技術(shù)，加強學(xué)生理解實驗原理[1-2]。這些實踐盡管加強了學(xué)生對知識點的理解和記憶，但在學(xué)生能力培養(yǎng)方面，對大腦的訓(xùn)練仍停留在知識理解層面，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點：信號采樣與恢復(fù)，信號分析與變換，信號濾波與調(diào)制解調(diào)等，設(shè)計基于聲音、生理（心電）和電信號的《信號與系統(tǒng)》綜合實驗平臺，通過模塊化的硬件、開放的接口，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 實驗信號檢測平臺設(shè)計

本文采用模塊化思路設(shè)計實驗信號檢測平臺，有利于靈活便捷地開展實驗研究。所設(shè)計平臺如圖1所示，主要包括信號檢測模塊以及輔助電源模塊等。

圖1 《信號與系統(tǒng)》綜合實驗信號檢測平臺

（1）AC220 V輸入。后面板，市電輸入，電信號檢測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)量測量網(wǎng)絡(luò)供電。

（3）輔助電源模塊。工業(yè)級開關(guān)電源模塊JMD10-B和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換模塊，提供各信號檢測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，為心電信號檢測模塊供電。

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

（5）電流測量模塊。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，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電流測量模塊的輸出為0.2 V/A。通過改變電阻值大小，可以調(diào)節(jié)電流測量模塊的輸出。

（6）電壓測量模塊。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放，供電電壓為5～30 V，交流電壓測量范圍為0～250 V，輸出信號為含一定直流分量的正弦波，電壓傳輸比倍數(shù)可通過電位器進行調(diào)節(jié)。

（7）信號輸入/輸出接口。前面板，心電檢測的導(dǎo)聯(lián)線輸入接口以及對應(yīng)電壓、電流和心電信號的BNC輸出接口。

2 基于NI虛擬儀器的實驗設(shè)計

2.1 虛擬儀器編程語言NILabVIEW

NILabVIEW是一種圖形化編程語言，是專門針對工程師和科學(xué)家所設(shè)計的開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置能簡化編程復(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)采集和計算分析功能強大、兼容性好、開發(fā)周期短、投資少和智能化等優(yōu)點。

應(yīng)用LabVIEW編制的程序即VI，包括前面板和后面板。通過適當(dāng)配置，前面板可以作為人機界面實時顯示測量值。后面板即函數(shù)選板，通過庫函數(shù)的合理組合，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的信號處理功能。

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)字萬用表（DMM）等接口。

圖2 NImyDAQ設(shè)備接口

NI myDAQ通過USB與計算機LabVIEW平臺連接，實現(xiàn)采集電路信號傳輸。

2.3 信號分析處理綜合實驗平臺總體結(jié)構(gòu)

基于虛擬儀器的信號分析處理綜合實驗平臺系統(tǒng)連接方案和結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，心電、電信號和音頻信號經(jīng)過檢測平臺后由myDAQ送至LabVIEW上位機，最后由LabVIEW完成后續(xù)處理。

圖3 基于虛擬儀器的信號分析綜合實驗平臺結(jié)構(gòu)框架

2.4 心電信號分析儀實驗設(shè)計

（1）心電采集系統(tǒng)

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

圖4 基于雙手測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，獨立檢測三電極是否脫落和斷開；②為輸入電極電阻，用以保護被測試者免受故障條件的影響；③所示電路為輸出端雙極點高通濾波器；④所示電路為雙極點低通濾波器；⑤所示電路為基準(zhǔn)電壓設(shè)置器，通過兩只電阻分壓后并聯(lián)電容濾波。

通過將AD8232輸出“OUTPUT”與myDAQ的模擬輸入接口A0相連，可以采集AD8232檢測的心電信號。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LabVIEW軟件完成心電信號濾波、去噪、分析等一系列操作。

（2）心電信號濾波去噪及峰值檢測

根據(jù)采樣定理可知：當(dāng)采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣后的數(shù)字信號可以無失真的恢復(fù)?；贏D8233心電監(jiān)測模塊得到的心電信號，可通過設(shè)置采樣頻率，利用LabVIEW軟件設(shè)計濾波、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，通過設(shè)置截止頻率和FIR抽頭數(shù)，可實時預(yù)覽濾波前后的時域（圖5（b））、頻譜波形和傳遞函數(shù)伯德圖。

圖5 LabVIEW信號處理子VI

對于心電信號，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)過對小波母函數(shù)的選擇、分解層數(shù)和閾值的選擇規(guī)則進行分析。如許春冬提出的基于coif-5的5層分解樹自適應(yīng)閾值降噪方法，可以得到較佳的效果，該方法通過LabVIEW調(diào)用MAT?LAB Script腳本節(jié)點方式實現(xiàn)濾波[10]。FIR加窗濾波基于有限的脈沖響應(yīng)，通過選擇不同的窗函數(shù)，如矩形窗、漢寧窗以及高斯窗等來逼近給定的頻率響應(yīng)特性。

經(jīng)過濾波去噪的心電信號可利用心電圖QRS波群的兩個R波峰計算心率[4]。通過上升下降沿來檢測心跳、以及兩次心跳之間的時間間隔，來計算一分鐘內(nèi)心臟跳動的次數(shù)，并經(jīng)過相鄰5次時間間隔后求取平均值，得到每分鐘跳動的次數(shù)。利用QRS波群還可進行實時心律失常分析。最后設(shè)計人機交互界面進行實時顯示心電圖和心率。

2.5 單相電能質(zhì)量分析儀實驗設(shè)計

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，通過霍爾元件采樣用電設(shè)備的輸入電流和輸入電壓，通過myDAQ兩路模擬量輸入接口送至LabVIEW后，對電流電壓信號實時處理和分析，來完成電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的測量和分析。

電壓偏差是指電網(wǎng)中測量節(jié)點實際電壓Ure與系統(tǒng)給定的額定電壓UN值之間的差，數(shù)學(xué)表達式為：

國標(biāo)GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》對單相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。

國標(biāo)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中對低壓公用電網(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信號處理子VI

利用上述子程序模塊和濾波器程序，即可實現(xiàn)電壓、電流、有功、無功等電量的分析和運算。

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或其他設(shè)備正常播放的音樂文件，通過音頻線連接AUDIOIN送至LabVIEW。通過設(shè)置濾波器來實現(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的大小。最后對各個頻段的信號進行疊加，得到最終的輸出信號。處理后的音頻可通過myDAQ音頻輸出口AU?DIOOUT輸出至耳機或揚聲器播放。

音頻調(diào)節(jié)器讓用戶能根據(jù)自己的聽音習(xí)慣調(diào)整音頻輸出，還可根據(jù)音頻信號的能量譜進一步分析和提取特征信號，實現(xiàn)聽音識曲[14]。

2.7 實驗信號檢測平臺封裝

為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，本文對實驗信號檢測平臺進行封裝，如圖7（a）所示。前面板設(shè)計如圖7（b）所示，包含電壓、電流和心電信號的BNC輸出接口以及用于心電檢測的導(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 實驗結(jié)論及分析

3.1 心電分析儀和音頻調(diào)節(jié)器實驗結(jié)果

基于虛擬儀器的心電分析儀和音頻調(diào)節(jié)器實驗結(jié)果如圖8所示，其中圖8（a）為某測試者的實時心電圖和心率信號；圖8（b）為實時音樂播放器，可通過調(diào)音區(qū)4個頻段的增益設(shè)置來實時調(diào)節(jié)音頻信號。

圖8 心電分析儀和音頻調(diào)節(jié)器的軟件界面

人機交互界面能形象直觀地觀察和體驗信號分析處理的樂趣，學(xué)生還可以在該軟件界面進一步優(yōu)化和集成，更好地體驗學(xué)習(xí)的樂趣。

3.2 單相電能質(zhì)量分析儀實驗結(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，通過波動切換開關(guān)S1～S4來改變負(fù)載的功率因數(shù)。功率計PA1000作為標(biāo)準(zhǔn)測量儀器來對本文設(shè)計的電能質(zhì)量分析儀進行性能檢測。

圖9 電能質(zhì)量分析系統(tǒng)測試原理

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

圖10 電能質(zhì)量分析儀測試數(shù)據(jù)

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

表1 電能質(zhì)量分析儀測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文研制了一套軟硬件結(jié)合、虛實交互的信號分析綜合實驗裝置，取代了陳舊過時的電路板，能實現(xiàn)信號濾波性能比較、頻譜分析和分類識別，直擊學(xué)生信號學(xué)習(xí)重難點和痛點。該綜合實驗裝置采用模塊化設(shè)計方案，引入了學(xué)生熟悉的聲音信號、生理信號和電流電壓信號，共集成3套虛實結(jié)合的信號分析測試儀。實驗測試結(jié)果表明，分析測試儀基本滿足測量儀器儀表的要求，能用于《信號與控制綜合實驗》本科實驗教學(xué)。學(xué)生能通過自主設(shè)計硬件模塊、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)生新的知識和鏈接，體驗信號分析處理的趣味性。該綜合實驗裝置非常適合新工科背景下實踐教學(xué)需求，同時一體化和模塊化設(shè)計利于推廣。