《数据采集与处理》仿真实验教学论文
一、引言
数据采集与处理是电子信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号的测量与处理、计算机等先进技术为基础而形成的一门综合应用技术。作为获取信息的工具，数据采集在科学研究和国民经济的各个领域，如通信、雷达、核电、冶金、航空航天等方面有着非常重要的地位。掌握数据采集与处理相关理论与技术对学生综合运用多学科知识和从事相关领域工作的能力培养具有重要意义。《数据采集与处理》是西安电子科技大学生命科学技术学院(以下简称“学院”)针对生物医学工程专业大四学生开设的一门选修课程，该课程主要讲解数据采集系统构成，数据采集系统器件工作原理，简单的数据采集系统设计以及数据处理与分析。为提高教学质量，本文开展数据采集与处理仿真实验，以期通过具体的实例，让学生对数据采集技术有一个完整系统的认识;同时，使学生综合运用所学理论知识，解决实际问题，能够根据实际需求，设计合适的数据采集系统，并对采集到的数据进行分析和处理。
二、《数据采集与处理》仿真实验
教学1.实验内容结合数据采集与处理课程的课堂内容，针对学生的专业背景，考虑该领域当前研究进展，以及实验开展的可行性，我们选取4个实验，分别为数据采集系统设计、Nyquist采样与压缩采样、微弱信号采集与特征提取和中等强度信号采集与参数估计。这4个实验既涉及理论，又包括工程实践，既涉及硬件，又包括软件，既涉及基础，又涵盖当前研究热点。通过这4个实验，学生对该课程有一个系统的了解，并且能够运用所学理论知识，去分析和解决实际问题。《数据采集与处理》课程共48学时，其中，课堂讲解学习32学时，仿真实验16学时，开设4个实验，每次4学时。具体实验如下。
实验1：数据采集系统设计。《数据采集与处理》课程围绕数据采集系统展开，并介绍常规的数据处理方法。为了使学生对数据采集系统有一个清晰的认识，本实验设计语音信号采集系统。系统通过压电传感器录入语音数据，经过滤波电路、采样保持电路、A/D转换器后将模拟信号转换为数字信号。实验过程中，学生根据具体需求，选择合适的硬件，包括选择压电传感器、滤波器中电容、电感、电阻和运放，采样保持芯片，A/D转换器，电源等。硬件选型确定后，设计硬件电路，并基于EWB软件进行仿真，对仿真结果进行分析，如果有错，则需要查找原因并改正。该语音信号采集系统的工作流程为：先对语音信号进行压电转换，得到电信号，电信号低噪放大，经过50Hz陷波器，去除工频干扰，再低通滤波，采样保持，A/D转换，最后放大与显示，频谱分析。通过该实验，学生能够掌握数据采集系统的构成，熟悉数据采集系统工作过程，了解数据系统设计流程。
实验2：Nyquist采样与压缩采样。数据采集与处理技术涉及到一个重要的理论，即Nyqusit时域采样定理。该定理指出，对于最高截止频率为f的时间连续信号，如果采用时间间隔为T的开关信号对其进行抽样，当时间间隔满足T≤1/(2f)时，原时间连续信号可由抽样序列唯一的表示，也即可以由抽样序列恢复原时间连续信号。Nyqusit时域采样定理表明，采样频率至少要达到信号最高截至频率的两倍才能通过抽样序列回复原始信号。为了让学生理解并应用该定理，本仿真实验给定原始时域信号，要求通过频谱分析得到最高截止频率，并据此计算临界采样频率，最后仿真过采样、欠采样和临界采样三种不同条件下恢复信号的误差。随着科技的发展，近年出现了压缩采样的概念。压缩采样通过分析研究信号的稀疏特性，在远小于Nyquist采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。在本仿真实验给定具有稀疏特性的信号，学生采用高斯随机采样矩阵对信号进行稀疏采样，采样间隔远小于原始信号的最高频率。对于采样后得到的离散序列，采用经典重建算法(包括凸松弛算法和贪婪算法)对信号进行恢复，计算误差，评价算法性能。通过该Nyquist采样与压缩采样仿真实验，学生能够针对具体的信号，计算采样频率(包括临界采样频率和稀疏采样频率)，并基于采样得到的离散时间序列恢复原始信号。
实验3：微弱信号采集与特征提取。考虑到选取课程的学生为生物医学工程专业背景，开设生物医学信号采集与处理实验，而生物医学信号多属于微弱信号。本实验以心电信号采集为例，心电信号是低信噪比的周期性微弱信号，频率在0.5Hz～100Hz范围内，胎儿的心电信号为微伏级，成人的心电信号为毫伏级。正常的心电信号包括P波、QRS综合波、T波、U波、J结合点等，均有明确的生理学意义。本实验由教师选取公开数据库中的正常心电信号和异常心电信号，要求学生利用MATLAB语言，对心电信号进行谱分析，数字滤波，基线消除并检测P波，QRS波群和T波，最后采用斜率法和差分法进行综合参数提取。通过该实验，学生熟悉心电信号参数表示的生理意义，并且能够进行心电信号的采集、处理与分析，同时判别心电信号正常与否。
实验4：中等强度信号采集与参数估计。实际生活中，除了上述微弱信号，更多的还有中等强度的信号，如通信信号、雷达信号等。本实验内容为雷达中的目标回波信号采集与参数估计，具体为雷达发射三角频率调制连续波信号，接收运动目标的回波信号。仿真时，教师根据运动目标的距离与速度，产生回波信号，并在回波中混入高斯白噪声。学生则对回波信号进行频谱分析，根据Nyquist定理，计算采样频率，得到采样后的时域离散序列。设计正交滤波器，对回波数据进行滤波，得到复信号。设计匹配滤波器和低通滤波器，对复信号进行匹配滤波和低通滤波，通过频谱分析，估计运动目标的距离和速度。通过该实验，学生将掌握调频连续波雷达系统的工作原理以及该体制雷达信号处理与分析过程。
2. 实验方案设计。
由于实验均为综合性应用实验，每次实验难以由1个人在4个学时内完成。同时，为提高学生积极性，让学生带着问题并在寻求解决方案的过程中学习理论知识。在课程理论教学开始的时候，对学生分组，3人1组，并给学生布置实验题。学生可以结合课堂知识，课余时间查阅资料，提前准备实验方案。准备好实验方案后，交给教师审阅，教师提出方案中存在的问题，并给出解决问题的思路，返还学生继续修改优化实验方案。在仿真实验开始之前完成实验方案设计，要求方案切实可行，教师筛选10%的优秀方案。仿真实验时，教师对筛选出来的10%的优秀方案进行简要讲解和点评，学生可以按照自己的方案，也可以按照优选方案进行仿真。
3.实验仿真。
本文实验仿真要用到EWB和MATLAB两个软件。EWB是一种电子电路计算机仿真软件，称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室。EWB软件简单易学，仿真功能十分强大。它提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，器件库中包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，可以由外部模块导入。MATLAB是美国MathWorks公司出品的数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等。实验开始前，学生要掌握EWB和MATLAB这两个软件的基本操作，能进行简单的设计和仿真。具体为，对于EWB，要求学生掌握元器件选型，电路图设计与电路测试;对于MATLAB软件，要求学生提前掌握数据的读取和存储、数据格式转换、滤波函数使用、频谱分析、画图显示、矩阵操作和优化工具箱的使用等。作为数据采集与处理课程的先行课程，学院在大二已经开设模拟电路和数字电路实验，学生已经基本熟悉EWB软件。此外，学院在大三开设了MATLAB程序设计课程，学生已经掌握了MATLAB的基本指令。上述先行课程为本文仿真实验的顺利开展奠定了良好的专业基础。
4.实验考核。作为实验开展执行情况的评价手段，实验考核必不可少，但其终极目标是激发学生的学习兴趣，提高学生的学习主动性。数据采集与处理课程最终成绩为100分，本文实验内容占40分，每个实验各10分。实验考核成绩包括对实验方案设计的评价和实验仿真结果的评价。实验方案设计合理，学生分工明确，仿真代码编写正确，程序运行结果无误，实验报告撰写符合规范，则满分;其余情况酌情扣分。
三、结语
针对我院生物医学工程专业学生知识背景，考虑到学院硬件平台有限，为提升数据采集与处理课程教学质量，本文开展计算机仿真实验。实验内容涵盖了数据采集与处理课程讲解的知识内容，并根据最新研究进展进行了扩充，学生能够掌握基本原理以及当前动态，更重要的是掌握解决实际问题的能力。本文教学模式理论与实践结合，能够激发学生兴趣，巩固学习成效，提高动手能力，为学生以后从事相关领域工作打下基础。
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