信号分析与处理仿真的GUI设计_赵玲峰.pdf

Application 创新应用220 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月2 教学实验系统 Matlab（矩阵实验室）是美国MathWorks公司于1980年代开发的一种可视化科学计算软件，Matlab将矩阵运算、数值分析、图形处理、图形用户界面和编程技术有机结合在一起，是高校数学、控制理论、信号处理、图像处理等诸多专业课程的辅助教学工具，是高校电子信息类专业学生必备的基本技能。Matlab是一个交互式系统，这个特点在其命令窗口体现，当用户在命令窗口提示符后键入函数表达式或直接调用M文件，Matlab会将运算结果以数据或可视化图形的形式显示出来，为解决工程问题提供了方便；Matlab还有一个重要的特点是有一套程序扩展系统和工具箱，工具箱为某一类学科专业定制的子程序库，供用户直接调用，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和电力系统仿真等方面的应用，为高校电类、信息类专业课的学习提供了很好的平台。Matlab软件因其语言的高效精炼，并将计算、可视化和编程等功能集于一身，得到广大专业学习者和科研工作者的青睐，越来越广泛地应用于数学分析计算、系统仿真、信号处理和人工智能等多个领域中。0 引言信号分析和处理是电子信息类专业核心专业基础课，涉及的数学、电路知识广泛，包括微积分、概率论、电路等。课程内容比较抽象，是一门理论性强、难讲难学的课程，其基本理论和分析方法难学，多以数学表达式呈现，难以理解和掌握。因此，借助软件平台（如Matlab等）来解决理论性强，概念抽样的问题是该门课程实验开展主要目标之一，通过实验的图形展示能很好地帮助学生理解和掌握信号处理中的基本理论和分析方法，可视化界面激发其学习兴趣，大大提升教学效果。1 研究背景基于信号处理与分析的基本理论与方法，采用Matlab实验平台，设计的系统将抽象的理论可视化、可操作化。利用Matlab GUID可视化图形界面功能进行算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，设计一款信号分析和处理可视化操作平台，开发信号分析和处理中常用的理论模块，将信号分析和处理中复杂的理论和分析集于一体，系统设计采用图形交互界面，具有形象直观、界面友好、通用性强等优点，为信号分析和处理理论教学和实验仿真提供良好的技术支持。基金项目：广西大学行健文理学院科研基金项目（Y2021ZK01），广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2021KY1559，2022KY1214）。作者简介：赵玲峰，广西农业职业技术大学，副教授；研究方向：信号与信息处理。通信作者：黄江，广西农业职业技术大学，高级实验师；研究方向：智能电子产品设计。收稿日期：2022-09-16；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述信号分析和处理的可视化操作平台设计，包括信号分析和处理中常用的理论模块，将信号分析和处理中复杂的理论和分析集于一体，系统设计采用图形交互界面，为实验仿真提供技术支持。关键词：信号分析和处理，可视化操作平台，图形交互，实验仿真。中图分类号：TN911.6-4，TP311.52文章编号：1000-0755(2023)06-0220-02文献引用格式：赵玲峰，黄江.信号分析与处理仿真的GUI设计J.电子技术,2023,52(06):220-221.信号分析与处理仿真的GUI设计赵玲峰，黄江（广西农业职业技术大学，广西 530007）Abstract This paper describes the design of the visual operating platform for signal analysis and processing,including the common theoretical modules in signal analysis and processing.The complex theory and analysis in signal analysis and processing are integrated.The system design uses a graphical interface to provide technical support for experimental simulation.Index Terms signal analysis and processing,visual operation platform,graphical interaction,experimental simulation.Design of GUI for Signal Analysis and Processing SimulationZHAO Lingfeng,HUANG Jiang(Guangxi Agricultural Vocational and Technical University,Guangxi 530007,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 2213 系统功能及实现方法本文设计的系统时是利用Matlab软件设计一套教学演示型软件，该教学型软件集用可视化图形和仿真于一体，全方位地展示信号分析和处理课程的基本理论和方法。通演示界面能直观、感性地呈现信号分析和处理的基本概念、信号变换等，可加深对概念的理解。本系统主要的功能有：信号的产生、卷积运算、傅立叶变换、滤波器设计等，可视化的图形展示信号的产生、运算、变换等信号分析和处理的基本理论，还设计有部分交互式界面，可由操作者直接键入不同的数值，产生不同的输出，非常直观，操作也方便。另外，界面布局设计采用自顶向下的设计方法,按照引导界面、主界面、各个实验子界面的顺序排列。4 系统基本构架GUI的创建包括界面设计和控件编程两个部分，主要步骤如下：通过设置GUIDE应用程序的选项来运行GUIDE；使用界面设计编辑器进行界面设计；编写控件行为响应控制（即回调函数）代码。在Matlab中，GUIDE提供多个模板来定制GUI。这些模板均已包括相关的回调函数，可以通过修改相应的M文件函数实现指定功能。Matlab不仅可完成基本代数运算操作,而且还可完成矩阵函数运算,提供丰富的实用函数命令。另外,Matlab非常易于扩展,允许用户自行构建指定功能的M文件,从而构成适合其他领域的工具箱,极大地扩展了Matlab的适用范围。本教学实验平台主要的功能有用户界面和数据图形结果输出两大模块。细分为：GUI模块、实验主界面模块、实验结果和实验内容模块。其中GUI模块是整个系统的主界面，主界面模块主要集中了信号系统与处理课程中的重点、难点问题，针对重难点教学内容设计一些个典型实验项目，充分利用静态文本的输入、数据的读入、输出的响应、坐标轴的链接等进行实验平台界面的开发。整个系统的功能结构如图1所示。系统整体框图。本软件系统由界面模块设计和菜单模块设计两部分组成。其中界面模块包括开始引导模块、主模块、序列基本计算模块、基本信号的产生模块、卷积模块、傅立叶变换模块、滤波器设计模块和说明模块等8个模块。每个实验界面模块又设计有下一级及下下一级实验界面模块,系统的整体结构如图2所示。主界面是进入信号与系统各个实验子界面的主要入口，采用按钮控件来实现,用户可以方便点击各个按钮进入里面的界面和程序，整个主界面将各个实验子界面有机地联系到一起,可交互项强,操作简易。实验系统主界面如图3所示。5 结语本文利用Matlab GUID工具设计信号分析和处理教学实验平台,采用程序函数和互动界面相结合，将信号分析和处理教学重点融入系统，构造了一种全新的基于可视化和可操作化的实验界面设计，系统直观、界面友好、具有开放性和可操作性，便于教学过程的演示和讲解，极大地提高信号处理类课程的教学效果。参考文献1 林月美,陈仁安.基于MATLAB的信号与系统软件实验平台J.集美大学学报(自然科学版),2001(03):251-254.2 吕锋,刘泉,江雪梅.基于MATLAB的信号与系统软件实验平台J.理工高教研究,2006(02):98-99.3 罗朝明,李文,李延平等.基于Matlab和VB的信号与系统虚拟实验系统J.湖南理工学院学报(自然科学版),2007(01):59-61.4 钟宁帆,曹峻虎,王玉良.电力电子技术仿真实验教学系统设计J.中国现代教育装备,2022(07):36-39.图1 系统功能框图图2 总界面结构图图3 GUI总界面框图