面向應用型人才培養的數字信號處理課程實驗教學系統

丑永新， 劉繼承， 顧 亞

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

0 引 言

隨著我國經濟結構不斷轉型，教育部高等教育司提出普通本科院校應該加大應用型人才培養，結合區域產業鏈布局，進行產教融合、校企合作，帶動區域經濟發展［1］。我校十三五規劃提出建設“特色鮮明、質量著稱的應用型品牌大學”的目標［2］，因此，我院通過走訪調研，提出以長三角經濟區非標自動化生產與檢測行業（簡稱非標自動化行業）的應用型人才培養為目標，根據企業的用人需求，開展教育教學改革工作。

數字信號處理技術已廣泛用于人工智能、通信、智能檢測、生物醫學等領域［3］。數字信號處理課程是電子信息、自動化、通信工程、測控技術與儀器等專業一門核心的專業基礎課［4-7］，對學生工程實踐能力的培養十分重要。然而，該門課程概念繁雜、理論抽象，傳統教學以理論知識講解為主，使用一些Matlab 仿真實驗進行實踐教學，很少涉及知識點工程背景及應用前景方面的深入講解，學生對知識點的掌握僅停留在數學推導方面，很難應用于工程實踐。因此，如何對數字信號處理課程的教學模式進行改革，讓學生在掌握理論知識的同時，能夠對所學知識進行工程實踐，對提高應用型人才的培養質量十分重要。

近年來，有學者基于Matlab、LabVIEW 等仿真軟件進行數字信號實踐化教學探索［8-9］。有學者基于單片機、現場可編程門陣列（FPGA）、數字信號處理（DSP）等微處理器搭建實驗平臺，設計實驗，提高學生對理論知識的理解和掌握程度［10-12］。也有學者將語音、生理和地震信號處理等案例引入課程實訓［13-16］，使學生對數字信號處理理論的工程作用有了直觀的認識。這些探索從不同角度鍛煉了學生的實踐能力，為面向應用型人才培養的數字信號處理課程實踐化教學改革提供了思路。

我校對應用人才培養模式進行了改革，對科研項目研制的多生理信號無線傳感系統進行了改進，形成了實驗教學系統，依據該系統設計實驗和實訓案例，探索數字信號處理課程理論和實踐一體化教學模式的改革。

1 系統設計與實現

1.1 系統總體結構

實驗教學系統總體結構如圖1 所示。采集信號類型為：指尖脈搏、腕部脈搏、腕部三軸加速度、心電和呼吸共7 路信號。以STM32 單片機為核心搭建下位機，下位機1 可佩戴于腕部，獲取人體指尖脈搏、腕背脈搏、腕部三軸加速度信號；下位機2 可貼于胸部，也可放入上衣兜中，采集人體心電和呼吸信號。在PC 上基于LabVIEW軟件開發人機交互界面，作為上位機。上位機和下位機通過ZigBee模塊組網連接，實現信號的無線傳輸和信息交互。

1.2 子模塊設計

（1）電源模塊。下位機采用可充電紐扣鋰電池作為電源，型號為LIR2032，該電池額定電壓為3． 6 V，充滿電后電壓可達4． 15 V，放電終止電壓為2． 7 V，直徑為20 mm，厚度3． 2 mm。分別基于芯片LTC4054 和SPX3819 設計充電和穩壓電路。

圖1 實驗教學系統總體結構

（2）傳感器。①腕背處脈搏傳感器，選用深圳華羿科技有限公司生產的綠光反射式傳感器HY2615 采集人體腕背靜脈脈搏信號；②指尖脈搏傳感器，選用合肥華科電子技術研究所生產的HKG-07B 紅外透射式脈搏傳感器采集人體指尖脈搏信號；③三軸加速度傳感器，選用常用的ADXL335B 芯片測量腕部x、y 和z向的加速度變化，用于描述腕部動作變化；④心電傳感器，采用貼片電極獲取心電信號，并選用AD8232 芯片對心電信號進行預處理；⑤呼吸傳感器，選用合肥華科電子技術研究所生產的HKH-11B 呼吸傳感器置于人體腹部，獲取呼吸信號。

（3）下位機。選用STM32F103C8T6 單片機構建下位機最小系統。該單片機具有ARM Cortex-M內核，32 bit 位寬，工作電壓2 ～3． 6 V，64 KB 的PROM，20 KB的RAM，10 路12 位的ADC轉換口，最高系統時鐘72 MHz，擁有CAN，IIC，SPI，USART和USB通信接口。

（4）ZigBee模塊。選用ZigBee 模塊CC2530F256實現無線通信。CC2530F256 是一款擁有增強型8051內核的低功耗芯片，遵從IEEE 802． 15． 4 協議，能在2． 4 GHz頻段上進行有效的數據傳遞。實驗系統通過3 個ZigBee模塊，實現下位機1、下位機2 和上位機組網，進行無線通信。下位機ZigBee 模塊接在單片機STM32 的串口之上，上位機ZigBee 模塊接在PC 的USB接口之上。

（5）上位機。上位機硬件為PC 機，配置為Intel（R）Core（TM）i5-7500 CPU，3． 4 GHz 主頻，8 GB 內存，64 bit Windows7 操作系統。

基于LabVIEW軟件編寫了人機交互界面，用于實驗數據采集和程序驗證。采用美國國家儀器公司授權的教學版LabVIEW 2016 軟件開發上位機人機交互界面。

1.3 系統實物及使用方法

系統需要2 名學生配合使用，1 名學生作為受試者，另1 名學生負責系統操作。受使者保持靜坐的姿勢，由另1 名學生按照圖2 所示的方式幫其佩戴系統后，打開下位機電源。同時，打開圖3 所示的上位機軟件，開始采集數據或者進行程序調試。

圖2 實驗系統實物圖

圖3 上位機人機交互界面

具體操作流程如下：

（1）信息輸入。在信息輸入界面輸入受試者基本信息，并根據ZigBee 接收端的USB 接口選擇合適的COM端口。

（2）信號采集。點擊系統控制界面的開始采集按鍵，系統將自動連接下位機，開始進行數據同步采集，并在右側波形圖表中顯示時域波形。同時，對采集的數據進行存儲。如果點擊按鍵后沒有波形出現，則證明與下位機連接失敗。主要是以下兩個原因造成：下位機電池電量耗盡；COM口選擇錯誤。

（3）信號濾波。圖2 中界面顯示波形為未濾波信號的時域波形。可在“界面切換”選項卡上點擊“時域處理”，即可觀察到濾波后信號的時域波形。可通過程序面板對濾波器的參數進行調節，觀察濾波效果。

（4）頻域處理。在圖2 中界面“選項卡”點擊“頻域處理”，可觀察各路信號頻譜。

（5）結果顯示。圖2 中界面的結果顯示界面可以看到脈率和呼吸率的實時計算結果，并對它們變化范圍進行監測。正常范圍內，報警燈為綠色，當超出正常范圍時，報警燈變紅。

（6）停止采集。點擊系統控制界面的停止采集按鍵后，上位機與下位機的連接斷開，并關閉信號存儲文件，信號采集結束。

2 實驗教學系統的應用

在實際教學過程中，該實驗教學系統可用于實驗數據采集、理實一體化教學與綜合實訓。

2.1 實驗數據采集

在講解理論知識之前，指導學生操作實驗系統。給學生講解系統的硬件組成及工作原理，使其通過操作，感受將人體生理信號轉化為可視化電信號的過程，輔助其掌握信號的采集與處理全流程，建立完整的專業知識體系。

同時，讓學生采集自己的生理信號，在熟悉系統操作，積累實驗數據的同時，激發學生的學習熱情和動力。

2.2 理實一體化教學

將該實驗系統引入課堂教學，開展理實一體化教學，讓學生在掌握理論知識的同時，鍛煉知識點的工程應用能力。對于數字信號處理課程中的重要知識點，具體教學內容如下：

（1）采樣定理。在講解采樣定理之前，不斷改變下位機的采樣頻率，讓學生對比觀察示波器上的模擬信號波形和上位機界面顯示數字信號時域波形的差異，理解欠采樣、臨界采樣和過采樣工程意義。同時，在頻域，讓學生觀察模擬信號和數字信號的頻譜，引出頻譜延拓的概念。進而降低采樣率，讓學生觀察頻譜混疊現象。由此引出采樣定理的內容，并給出理論推導，讓學生將理論與實踐結合起來，快速掌握所學知識。

（2）離散卷積。離散卷積是信號處理過程中重要的一種數學運算。傳統教學方法直接從卷積的定義出發講解運算過程，而忽略了其實際工程背景。為什么在運算的過程中對信號要進行翻轉與平移？這是卷積運算理解的關鍵。在理實一體化教學中，以下位機AD轉換后緩存區數據的更新和運算過程為例，給學生講解實際緩存區數據的處理過程，這種過程就可以用卷積來描述，引出離散卷積的概念，讓學生對卷積過程有直觀的感受，提高學習效果。并指導學生寫出卷積過程的C語言代碼。

（3）信號頻譜測量與分析。讓學生觀察5 個單頻正弦波疊加形成信號的時域波形和頻譜，得出頻譜可用于分析信號的頻率成分，引出頻譜的實際工程作用。在此基礎上，講解頻譜的計算方法—離散傅里葉變換。通過Matlab軟件演示正弦波疊加近似逼近方波和三角波的過程，引出離散傅里葉變換（DFT）的原理及過程。通過實際信號的DFT 運行時間與信號長度的關系，分析DFT計算公式的對偶性，引出快速傅里葉變換（FFT），講解FFT 原理。指導學生寫出基2-FFT 的C語言代碼，并基于Eclipse 軟件將所寫代碼下載入STM32 單片機中，計算實際信號的頻譜。同時，講解Matlab和LabVIEW軟件中計算FFT的函數，讓學生能夠熟練使用這些函數進行編程。

（4）卷積定理。卷積定理解釋了信號處理運算過程在時域和頻域的對應關系，即時域卷積對應頻域乘積，頻域卷積對應時域乘積。對于卷積定理的驗證，在Matlab軟件中，讓學生對兩個信號時域卷積的頻譜與兩個信號頻譜的乘積結果進行對比觀察，得到兩種運算過程的頻譜相同。在此基礎上，進行理論教學，引導學生推導卷積定理。

（5）濾波器設計基礎。用手機上自帶的手電筒照射人體指端，增加指尖傳感器的光照強度，讓學生感受不同光照條件下脈搏信號時域波形和頻譜的變化，引出噪聲的概念，進而講解濾波器的作用，引起學生學習興趣。在此基礎上，基于卷積定理講解濾波器的工作過程，以及濾波器類型、參數意義及調節方法。設計簡單的5 階平滑濾波器，指導學生在STM32 單片機中寫出脈搏信號和濾波器參數運算過程（時域卷積）的C語言代碼，通過脈搏信號的實時濾波，讓學生對濾波器的概念和原理有直觀的認識。

（6）FIR和IIR濾波器設計與實現。指導學生使用Matlab自帶的濾波器設計函數，基于離線采集數據進行濾波器參數的調試，得到濾波效果較好的濾波器的系統傳遞函數和差分方程，將該差分方程用C 語言寫入單片機，對信號進行實時濾波。同時，指導學生學習使用LabVIEW軟件的濾波器設計函數，在上位機對采集的數據進行實時濾波。在此基礎上，講解對應濾波器設計方法的理論基礎，以及FIR 和IIR 濾波器的優缺點。

2.3 綜合實訓

經過理實一體化教學之后，學生儲備了基礎的信號處理理論知識，并具有一定的知識應用能力。在此基礎上，讓學生基于實驗系統，完成較復雜的數字信號處理案例，鍛煉其信號處理算法的設計能力。現有的課程設計案例有：基于心電信號的心率計算；基于脈搏信號的脈率計算；基于呼吸信號的呼吸率計算；基于三軸加速度信號的擺臂次數計算。

通過指導學生完成綜合案例，使其對理實一體化課程教學中學習的知識點進行鞏固。同時，教會學生使用中國知網（CNKI）等文獻檢索數據庫，自行查閱已有案例的實現方法，在此基礎上，依據自己的任務，設計信號處理流程及具體的實現方法。通過Matlab 軟件對算法進行仿真，并最終通過實驗系統實現所提出的方法，切實地鍛煉學生的工程實踐能力。

該實驗系統已經持續在測控技術與儀器專業4 個班進行教學實踐，取得了較好的效果。學生的科技創新能力不斷增強，在科技競賽方面，省部級獲獎5 項，市廳級獲獎9 項；已發表科技論文8 篇，公開實用新型專利4 件，軟件著作權4 件；指導學生承擔教育部高等教育司產學研項目1 項、創新創業項目1 項，江蘇省大學生創新創業項目5 項，校級創新創業項目7 項。近年來，測控技術與儀器專業畢業生的就業率達98%以上，畢業生多集中在長三角非標自動化行業，接近70%的學生在長三角工作。通過對蘇州凌創電子系統有限公司、上海泛華測控技術有限公司、常熟市天銀機電股份有限公司等企業的走訪和調研，企業普遍認為學生的工程實踐能力有明顯提高，能夠很快地適應企業環境，參加工程項目開發。進一步證明所研制的實驗教學系統在應用型人才培養方面具有積極的推動作用。

3 結 語

面向應用型人才培養，探索數字信號處理課程實踐化教學模式改革，研制了可用于人體生理信號采集與處理的實驗教學系統。將該系統引入課程的教學過程，讓學生參與信號采集與處理的整個過程，建立完整的專業知識體系，提高學習興趣，在掌握理論知識的同時，增強工程實踐能力。實際教學效果表明，學生的科技創新能力不斷增強，畢業生工程實踐能力明顯提高，用人企業的認可度不斷提升。