面向应用型人才培养的数字信号处理课程实验教学系统

丑永新， 刘继承， 顾 亚

（常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500）

0 引 言

随着我国经济结构不断转型，教育部高等教育司提出普通本科院校应该加大应用型人才培养，结合区域产业链布局，进行产教融合、校企合作，带动区域经济发展［1］。我校十三五规划提出建设“特色鲜明、质量著称的应用型品牌大学”的目标［2］，因此，我院通过走访调研，提出以长三角经济区非标自动化生产与检测行业（简称非标自动化行业）的应用型人才培养为目标，根据企业的用人需求，开展教育教学改革工作。

数字信号处理技术已广泛用于人工智能、通信、智能检测、生物医学等领域［3］。数字信号处理课程是电子信息、自动化、通信工程、测控技术与仪器等专业一门核心的专业基础课［4-7］，对学生工程实践能力的培养十分重要。然而，该门课程概念繁杂、理论抽象，传统教学以理论知识讲解为主，使用一些Matlab 仿真实验进行实践教学，很少涉及知识点工程背景及应用前景方面的深入讲解，学生对知识点的掌握仅停留在数学推导方面，很难应用于工程实践。因此，如何对数字信号处理课程的教学模式进行改革，让学生在掌握理论知识的同时，能够对所学知识进行工程实践，对提高应用型人才的培养质量十分重要。

近年来，有学者基于Matlab、LabVIEW 等仿真软件进行数字信号实践化教学探索［8-9］。有学者基于单片机、现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理（DSP）等微处理器搭建实验平台，设计实验，提高学生对理论知识的理解和掌握程度［10-12］。也有学者将语音、生理和地震信号处理等案例引入课程实训［13-16］，使学生对数字信号处理理论的工程作用有了直观的认识。这些探索从不同角度锻炼了学生的实践能力，为面向应用型人才培养的数字信号处理课程实践化教学改革提供了思路。

我校对应用人才培养模式进行了改革，对科研项目研制的多生理信号无线传感系统进行了改进，形成了实验教学系统，依据该系统设计实验和实训案例，探索数字信号处理课程理论和实践一体化教学模式的改革。

1 系统设计与实现

1.1 系统总体结构

实验教学系统总体结构如图1 所示。采集信号类型为：指尖脉搏、腕部脉搏、腕部三轴加速度、心电和呼吸共7 路信号。以STM32 单片机为核心搭建下位机，下位机1 可佩戴于腕部，获取人体指尖脉搏、腕背脉搏、腕部三轴加速度信号；下位机2 可贴于胸部，也可放入上衣兜中，采集人体心电和呼吸信号。在PC 上基于LabVIEW软件开发人机交互界面，作为上位机。上位机和下位机通过ZigBee模块组网连接，实现信号的无线传输和信息交互。

1.2 子模块设计

（1）电源模块。下位机采用可充电纽扣锂电池作为电源，型号为LIR2032，该电池额定电压为3． 6 V，充满电后电压可达4． 15 V，放电终止电压为2． 7 V，直径为20 mm，厚度3． 2 mm。分别基于芯片LTC4054 和SPX3819 设计充电和稳压电路。

图1 实验教学系统总体结构

（2）传感器。①腕背处脉搏传感器，选用深圳华羿科技有限公司生产的绿光反射式传感器HY2615 采集人体腕背静脉脉搏信号；②指尖脉搏传感器，选用合肥华科电子技术研究所生产的HKG-07B 红外透射式脉搏传感器采集人体指尖脉搏信号；③三轴加速度传感器，选用常用的ADXL335B 芯片测量腕部x、y 和z向的加速度变化，用于描述腕部动作变化；④心电传感器，采用贴片电极获取心电信号，并选用AD8232 芯片对心电信号进行预处理；⑤呼吸传感器，选用合肥华科电子技术研究所生产的HKH-11B 呼吸传感器置于人体腹部，获取呼吸信号。

（3）下位机。选用STM32F103C8T6 单片机构建下位机最小系统。该单片机具有ARM Cortex-M内核，32 bit 位宽，工作电压2 ～3． 6 V，64 KB 的PROM，20 KB的RAM，10 路12 位的ADC转换口，最高系统时钟72 MHz，拥有CAN，IIC，SPI，USART和USB通信接口。

（4）ZigBee模块。选用ZigBee 模块CC2530F256实现无线通信。CC2530F256 是一款拥有增强型8051内核的低功耗芯片，遵从IEEE 802． 15． 4 协议，能在2． 4 GHz频段上进行有效的数据传递。实验系统通过3 个ZigBee模块，实现下位机1、下位机2 和上位机组网，进行无线通信。下位机ZigBee 模块接在单片机STM32 的串口之上，上位机ZigBee 模块接在PC 的USB接口之上。

（5）上位机。上位机硬件为PC 机，配置为Intel（R）Core（TM）i5-7500 CPU，3． 4 GHz 主频，8 GB 内存，64 bit Windows7 操作系统。

基于LabVIEW软件编写了人机交互界面，用于实验数据采集和程序验证。采用美国国家仪器公司授权的教学版LabVIEW 2016 软件开发上位机人机交互界面。

1.3 系统实物及使用方法

系统需要2 名学生配合使用，1 名学生作为受试者，另1 名学生负责系统操作。受使者保持静坐的姿势，由另1 名学生按照图2 所示的方式帮其佩戴系统后，打开下位机电源。同时，打开图3 所示的上位机软件，开始采集数据或者进行程序调试。

图2 实验系统实物图

图3 上位机人机交互界面

具体操作流程如下：

（1）信息输入。在信息输入界面输入受试者基本信息，并根据ZigBee 接收端的USB 接口选择合适的COM端口。

（2）信号采集。点击系统控制界面的开始采集按键，系统将自动连接下位机，开始进行数据同步采集，并在右侧波形图表中显示时域波形。同时，对采集的数据进行存储。如果点击按键后没有波形出现，则证明与下位机连接失败。主要是以下两个原因造成：下位机电池电量耗尽；COM口选择错误。

（3）信号滤波。图2 中界面显示波形为未滤波信号的时域波形。可在“界面切换”选项卡上点击“时域处理”，即可观察到滤波后信号的时域波形。可通过程序面板对滤波器的参数进行调节，观察滤波效果。

（4）频域处理。在图2 中界面“选项卡”点击“频域处理”，可观察各路信号频谱。

（5）结果显示。图2 中界面的结果显示界面可以看到脉率和呼吸率的实时计算结果，并对它们变化范围进行监测。正常范围内，报警灯为绿色，当超出正常范围时，报警灯变红。

（6）停止采集。点击系统控制界面的停止采集按键后，上位机与下位机的连接断开，并关闭信号存储文件，信号采集结束。

2 实验教学系统的应用

在实际教学过程中，该实验教学系统可用于实验数据采集、理实一体化教学与综合实训。

2.1 实验数据采集

在讲解理论知识之前，指导学生操作实验系统。给学生讲解系统的硬件组成及工作原理，使其通过操作，感受将人体生理信号转化为可视化电信号的过程，辅助其掌握信号的采集与处理全流程，建立完整的专业知识体系。

同时，让学生采集自己的生理信号，在熟悉系统操作，积累实验数据的同时，激发学生的学习热情和动力。

2.2 理实一体化教学

将该实验系统引入课堂教学，开展理实一体化教学，让学生在掌握理论知识的同时，锻炼知识点的工程应用能力。对于数字信号处理课程中的重要知识点，具体教学内容如下：

（1）采样定理。在讲解采样定理之前，不断改变下位机的采样频率，让学生对比观察示波器上的模拟信号波形和上位机界面显示数字信号时域波形的差异，理解欠采样、临界采样和过采样工程意义。同时，在频域，让学生观察模拟信号和数字信号的频谱，引出频谱延拓的概念。进而降低采样率，让学生观察频谱混叠现象。由此引出采样定理的内容，并给出理论推导，让学生将理论与实践结合起来，快速掌握所学知识。

（2）离散卷积。离散卷积是信号处理过程中重要的一种数学运算。传统教学方法直接从卷积的定义出发讲解运算过程，而忽略了其实际工程背景。为什么在运算的过程中对信号要进行翻转与平移？这是卷积运算理解的关键。在理实一体化教学中，以下位机AD转换后缓存区数据的更新和运算过程为例，给学生讲解实际缓存区数据的处理过程，这种过程就可以用卷积来描述，引出离散卷积的概念，让学生对卷积过程有直观的感受，提高学习效果。并指导学生写出卷积过程的C语言代码。

（3）信号频谱测量与分析。让学生观察5 个单频正弦波叠加形成信号的时域波形和频谱，得出频谱可用于分析信号的频率成分，引出频谱的实际工程作用。在此基础上，讲解频谱的计算方法—离散傅里叶变换。通过Matlab软件演示正弦波叠加近似逼近方波和三角波的过程，引出离散傅里叶变换（DFT）的原理及过程。通过实际信号的DFT 运行时间与信号长度的关系，分析DFT计算公式的对偶性，引出快速傅里叶变换（FFT），讲解FFT 原理。指导学生写出基2-FFT 的C语言代码，并基于Eclipse 软件将所写代码下载入STM32 单片机中，计算实际信号的频谱。同时，讲解Matlab和LabVIEW软件中计算FFT的函数，让学生能够熟练使用这些函数进行编程。

（4）卷积定理。卷积定理解释了信号处理运算过程在时域和频域的对应关系，即时域卷积对应频域乘积，频域卷积对应时域乘积。对于卷积定理的验证，在Matlab软件中，让学生对两个信号时域卷积的频谱与两个信号频谱的乘积结果进行对比观察，得到两种运算过程的频谱相同。在此基础上，进行理论教学，引导学生推导卷积定理。

（5）滤波器设计基础。用手机上自带的手电筒照射人体指端，增加指尖传感器的光照强度，让学生感受不同光照条件下脉搏信号时域波形和频谱的变化，引出噪声的概念，进而讲解滤波器的作用，引起学生学习兴趣。在此基础上，基于卷积定理讲解滤波器的工作过程，以及滤波器类型、参数意义及调节方法。设计简单的5 阶平滑滤波器，指导学生在STM32 单片机中写出脉搏信号和滤波器参数运算过程（时域卷积）的C语言代码，通过脉搏信号的实时滤波，让学生对滤波器的概念和原理有直观的认识。

（6）FIR和IIR滤波器设计与实现。指导学生使用Matlab自带的滤波器设计函数，基于离线采集数据进行滤波器参数的调试，得到滤波效果较好的滤波器的系统传递函数和差分方程，将该差分方程用C 语言写入单片机，对信号进行实时滤波。同时，指导学生学习使用LabVIEW软件的滤波器设计函数，在上位机对采集的数据进行实时滤波。在此基础上，讲解对应滤波器设计方法的理论基础，以及FIR 和IIR 滤波器的优缺点。

2.3 综合实训

经过理实一体化教学之后，学生储备了基础的信号处理理论知识，并具有一定的知识应用能力。在此基础上，让学生基于实验系统，完成较复杂的数字信号处理案例，锻炼其信号处理算法的设计能力。现有的课程设计案例有：基于心电信号的心率计算；基于脉搏信号的脉率计算；基于呼吸信号的呼吸率计算；基于三轴加速度信号的摆臂次数计算。

通过指导学生完成综合案例，使其对理实一体化课程教学中学习的知识点进行巩固。同时，教会学生使用中国知网（CNKI）等文献检索数据库，自行查阅已有案例的实现方法，在此基础上，依据自己的任务，设计信号处理流程及具体的实现方法。通过Matlab 软件对算法进行仿真，并最终通过实验系统实现所提出的方法，切实地锻炼学生的工程实践能力。

该实验系统已经持续在测控技术与仪器专业4 个班进行教学实践，取得了较好的效果。学生的科技创新能力不断增强，在科技竞赛方面，省部级获奖5 项，市厅级获奖9 项；已发表科技论文8 篇，公开实用新型专利4 件，软件著作权4 件；指导学生承担教育部高等教育司产学研项目1 项、创新创业项目1 项，江苏省大学生创新创业项目5 项，校级创新创业项目7 项。近年来，测控技术与仪器专业毕业生的就业率达98%以上，毕业生多集中在长三角非标自动化行业，接近70%的学生在长三角工作。通过对苏州凌创电子系统有限公司、上海泛华测控技术有限公司、常熟市天银机电股份有限公司等企业的走访和调研，企业普遍认为学生的工程实践能力有明显提高，能够很快地适应企业环境，参加工程项目开发。进一步证明所研制的实验教学系统在应用型人才培养方面具有积极的推动作用。

3 结 语

面向应用型人才培养，探索数字信号处理课程实践化教学模式改革，研制了可用于人体生理信号采集与处理的实验教学系统。将该系统引入课程的教学过程，让学生参与信号采集与处理的整个过程，建立完整的专业知识体系，提高学习兴趣，在掌握理论知识的同时，增强工程实践能力。实际教学效果表明，学生的科技创新能力不断增强，毕业生工程实践能力明显提高，用人企业的认可度不断提升。