基于GUI的“信號與系統”實驗教學平臺設計

李亞文

(商洛學院 電子信息與電氣工程學院,陜西 商洛 726000)

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基于GUI的“信號與系統”實驗教學平臺設計

李亞文

(商洛學院 電子信息與電氣工程學院,陜西 商洛 726000)

應用可視化編程能力的圖形用戶界面GUI,設計了信號與系統的實驗教學仿真平臺,將實驗內容加載在子界面中,實現主界面與子界面的回調執行。該實驗仿真平臺克服硬件實驗系統的局限性,采用層次化的設計方法,加深和拓寬實驗內容和實驗層次,增強了實驗的靈活性。實驗測試結果表明,該實驗平臺界面友好、操作簡單、參數設置方便,使學生可以在理解原理基礎上方便的完成實驗內容,也為信號系統的實驗教學提供了更好的教學平臺。

信號與系統; GUI; 頻譜分析; 回調函數

1 引 言

隨著計算機軟件技術和通信技術的不斷發展,人們對各種信號進行快捷的處理要求也越來越高?！缎盘柵c系統》課程作為信號處理方面最基礎的課程也備受電子信息領域的學習者的重視,其實驗內容的學習是掌握基本信號性質,理解信號處理常用方法等方面不可缺少的部分。以前信號與系統實驗模擬是用硬件[1-3],對儀器和實驗室的要求較高,有時候受儀器或操作不當等因素的影響,直接影響信號處理的實驗結果。近些年,部分高校和研究機構已經使用軟件先對信號進行前期的仿真處理[4-5],再使用硬件進行實驗。為了提高學生學習的熱情和積極性,需要應用操作簡單,直觀易懂的實驗內容去理解深奧的理論知識。因此,大部分高校為了提高學生學習的學習興趣,在《信號系統》實驗中廣泛使用MATLAB軟件進行仿真[6-7]。當前,GUI界面已經廣泛應用在手機通訊移動產品、電腦操作平臺、軟件產品、PDA產品、數碼產品、車載系統產品、智能家電產品、產品的在線推廣等多個領域[8-9]。

本文應用GUI平臺設計了《信號與系統》可視化的實驗仿真平臺,通過主界面和子界面的設計與相互回調,可以方面學生學習。

2 實驗教學平臺的設計思路

實驗平臺的界面布局是先設計GUI總界面,然后設計子界面,再在子界面上設置按鈕、坐標軸、文本框等一系列控件,最后借助于callback函數調用程序[10]。在函數調用程序的設計中先編寫各個子界面中的回調函數下的程序,再編寫GUI界面的回調函數下的程序。

設計實現步驟分為四步,具體實現流程如圖1所示。

圖1 實驗平臺設計實現步驟Fig.1The steps of experimental platform design and implementation

(1) 用MATLAB的GUIDE提供的創建圖形界面工具設計整個實驗仿真界面的主界面,在設計子界面;

(2) 在實驗子界面中添加各個控件對象,編寫控件按鈕回調函數,實現每個控件的控制功能,直接通過界面上的控件實現對結果的分析;

(3) 最后編寫GUI總界面的回調函數程序,把所有的子界面集合在總界面中,通過總界面可以進入任意子界面中并可以進行操作;

(4) 退出實驗界面。

3 實驗教學平臺設計與實現

信號與系統實驗內容繁多,本次教學平臺的設計將采用一個實驗總界面與若干個子界面相互回調,每個子界面都可以實現一個具體的《信號與系統》的實驗內容,并且可以切換為主界面,可以進行另外一個實驗內容。

3.1 總界面的設計

在新建窗口中拖入七個靜態文本框(Statec Text)和七個按鈕(Push Button),設置靜態文本的String為“基于GUI的信號與系統仿真實驗平臺的設計”,Background Color為淺紅色,FontSize為28.0,Foreground Color位黑色。依次設置另外六個靜態文本框String為“實驗一基本信號的產生”、“實驗二信號的基本運算”、“實驗三卷積”、“實驗四傅里葉變換”、“實驗五連續系統零狀態響應”、“實驗六低通濾波器”這幾個實驗的Fonsize為22.0,另外的六個按鈕依次設計的Fonsize為16.0,點擊每個實驗后的按鈕編寫回調函數進入相應的實驗子界面。圖2所示為具體的實驗仿真平臺的主界面設計思路,主界面設計完成后的內容實現如圖3所示。為了美化實驗平臺總界面中可插入一些背景圖片(如添加學校 LOGO、風景圖片)和背景音樂等。

3.2 子界面的設計

在總界面其相應的位置編寫總界面跳轉到子界面的實現函數[11],如圖4所示為實驗四傅里葉變換的子界面,子界面中的內容跳轉與切換:

function pushbutton4_Callback(hObject,eventdata,handles)

圖2 實驗平臺總界面的設計思路Fig.2 The designing ideas of total experimental platform

圖3 主界面內容Fig.3 The contents of main-interface

圖4 子界面內容Fig.4 The contents of Sub-interface

set(0,'CurrentFigure',jbxhdcs)

每一個子界面的設計包括由相應每個控件的屬性和相應的回調函數callback程序實現其相應的功能。在View Callback選項中選擇buttondownfcn,編寫回調函數,選擇Static text按鈕設置控件屬性[12]。

(1) 方波傅里葉模塊。傅里葉原理的表明:任何連續的時域信號,都是可以表示為不同頻率正弦波信號的無線疊加。而根據該原理創立的傅里葉變換算法,利用直接測量到原始信號,以累加方式來計算該信號中的不同正弦波信號的頻率、振幅和相位。其中,圖5顯示了方波信號的傅立葉變換實現,需要先對“方波傅立葉”按鈕進行函數編寫,實現對輸入的信號進行頻譜計算,設置方波信號的幅度和周期,另外一個功能就是進行快速傅里葉變換。

圖5 方波傅里葉變換實驗模塊Fig.5 The test module of fourier transform square wave

(2) 快速傅里葉模塊。如圖6所示,對模擬信號進行快速傅立葉變換,

(3) 離散傅里葉模塊。對于非周期的信號,我們需要用許多不同頻率的正弦曲線來表示,這對于計算機來說是不可能實現的。所以對于離散信號的變換也只有離散傅里葉變換才能被試用,對于計算機來說只有離散的與有限長度的數據才能被處理,對于其它的變換類型只有在數學演算中才能用到,使用計算機計算信號頻譜,即:DFT方法。圖7顯示了對離散信號進行頻譜計算、進行傅里葉反變換,并且計算了快速傅里葉變換信號的頻譜。

圖6 快速傅立葉變換實驗模塊Fig.6 The test module of fast fourier transform

圖7 離散傅里葉變換的實驗模塊Fig.7 The test module of Discrete Fourier Transform

4 設計中遇到的問題

(1)設置主界面和子界面的兼容問題,解決方法:

① Gainvar();彈出子界面,在子界面中設置參數XDisp(x)輸出參數;

② Close(gcf) Set(0,’CurrentFigure’,block_1);

③ 在按鈕下面的FCN下面調用子界面的函數編寫。

(2) 總界面和子界面的美化

ha=axes('units','normalized','position',[0 0 1 1]);uistack(ha,'down');

II=imread('shangyuan01.bmp');

image(II);

colormap gray;

set(ha,'handlevisibility','off','visible','off');

5 結束語

本文應用可視化編程能力的圖形用戶界面GUI,設計了信號與系統實驗課程的教學仿真平臺,該系統將部分信號系統實驗的內容加載在系統界面中,結合了理論教學中的內容,將總界面與子界面通過編寫不同的回調函數進行鏈接,實現了圖形用戶界面人機交互式用戶界面,加深和拓寬實驗內容和實驗層次,增強了實驗的靈活性,其實驗平臺界面友好、操作簡單、參數設置方便,方便學生對信號與系統的學習,也為信號系統的實驗教學提供了較好的教學平臺。

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Design of Signal and System Teaching Experimentation Platform Based on GUI

LI Yawen

(Electronic information and electrical college of engineering,Shangluo University,Shangluo 726000,China)

The experiment simulation platform of the signal and system was designed with Graphical Interface GUI in this paper.The experimental contents were loaded in the sub-interface to achieve the implementation of the main interface and sub-callback interface.The experiment simulation platform can overcome the limitations of the hardware experimental system,and adopt the hierarchical design method,deepen and broaden the experimental contents and the experimental level,and enhance the flexibility of the experiment.The test results show that the experimental platform has friendly interface,simple operation and convenient parameter setting.So,students can easily understand the test content based on the principle.This platform also provides a better learning platform for the experimental teaching of signaling system.

signals and systems; graphical user interface; spectrum analysis; callback

李亞文 女(1984-),陜西華縣人,講師,主要研究方向為模式識別與跟蹤、視頻圖像處理。

商洛學院科研項目(14SKY001)