“虛實結合”交互平臺在“信號與系統”案例教學中的應用

陳 真， 王延江， 王 釗， 劉寶弟， 李 莉(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

0 引 言

“信號與系統”是高等工科信息類專業一門重要的專業基礎課，在專業課程體系中起著承上啟下的作用，其教學理念、方法和效果直接影響后續專業課程的學習和應用。由于該課程具有理論性強、數學要求高、物理概念抽象、知識點繁雜等特點，學生學習該課程的過程中存在“重理論輕實踐，對物理概念的理解不清晰或不深入，缺乏工程實踐應用價值的探索興趣和問題研究熱情”等現象。因此，近年來專家學者圍繞“理論聯系實際，重視能力培養”開展了一系列卓有成效的教學改革和建設[1-8]。其中，案例教學法[1-2]在“信號與系統”課程教學中的應用可以激發學生對信號與系統課程的興趣，加深對信號與系統課程內容的理解，促進研討性學習，拓展學生思維、增加課程趣味性，從而有效解決現存問題，提升教學質量和效果。

目前“信號與系統”是我校省級精品課程和重點建設課程，課程教學中一直注重理論結合實際，教學主要采用“課堂教學+實驗環節”的方法，并積極開展實驗室建設，為學生提供“信號與系統”實驗和Matlab仿真軟件開發環境，這種教學模式下可以結合理論知識進行實際實驗操作，但是學生往往側重驗證實驗現象，這種以強化理論知識為目的的實踐模式難以滿足培養學生工程實踐應用能力和創新意識的更高要求。針對這一問題，結合上述教學改革理念，提出將“虛實結合”交互平臺應用于“信號與系統”實踐教學的案例教學模式，來有效解決目前單純硬件實驗和單純虛擬仿真面臨的諸多問題。

1 “虛實結合”交互平臺

1.1 交互平臺的設計

融合“創客教育”理念，“虛實結合”交互平臺的設計既發揮了開源硬件具有的開源、共享等優勢，又結合了軟硬件開發交互動畫[9，13-15]的特點，在“虛實”的雙向交互中進行可視化、體驗性學習，為學生營造出探索性的教學實踐環境。結合“信號與系統”的教學需求，該交互平臺選用開發簡單、靈活的Arduino開源開發平臺[10]作為 “硬件設備”——下位機，“虛擬界面”——上位機平臺選用Adobe Flash互動開發平臺[11]以及進行數據分析處理和顯示的Matlab仿真開發平臺[12]。

該“虛實結合”交互平臺利用上位機的虛擬界面遙控操作下位機的硬件設備，同時下位機硬件設備可以控制上位機虛擬界面中的交互顯示；且該交互平臺具有開源和開放特性，可以搭配各類傳感器，通過串口、藍牙或WiFi與計算機互傳信息，而且操作界面和動畫演示不需要在開發環境下運行，極大提高了互動體驗。

1.2 交互平臺的搭建

“虛實結合”交互平臺根據不同需求進行搭建，這里選用心率測量[15]系統為例，搭建的心率測量交互系統結構圖如圖1所示，具體如下：

(1) 該心率測量交互系統基于功能要求和交互平臺的開源特性搭配選用了心率傳感器。

(2) 以往對于心率測量系統的設計一般需要具有支持DSP功能的MCU控制模塊才能通過調用庫函數進行數字信號處理，并且借助LCD顯示模塊進行顯示，以實現心率信號時域和頻域的處理、分析和顯示。而基于“虛實結合”交互平臺設計的心率測量系統可以直接操作控制上位機的FLASH互動界面實現采集參數的設置和心率信號的實時獲取，并進一步結合Matlab仿真分析功能來進行心率信號的顯示、保存、處理和分析。

圖1 心率測量交互系統結構圖

2 案例設計

這里以心率測量交互系統應用案例為例。

2.1 實踐環節設計

為滿足教學實踐需求，心率測量交互系統教學案例的實施流程如圖2所示。

圖2 實施流程圖

學生根據實施流程來完成心率信號測量和分析處理過程，利用交互平臺的可視化體驗。

(1) 下位機安裝傳感器環節。體驗非電量通過各種傳感器轉換成電信號。

(2) 下位機信號輸出模式的選擇環節。體驗模數轉換過程及數字信號抗干擾優勢等。

(3) 上位機采集參數的設置、心率信號的讀取和測量環節。加深對“信號與系統”的相關物理概念、采樣定理以及時域信號的描述、分析、理解以及應用。

(4) 上位機心率信號分析處理環節。加深對“信號與系統”的相關物理概念、頻域信號的描述、分析以及應用。

(5) 環境、狀態監測環節。體驗外界因素對信號的影響，如采集過程中的儀器、呼氣、運動等干擾，溫度、光線、噪音等環境的影響。

2.2 心率測量方法選取

心率的測量方法常見有兩種：心動電流測量法和光電透射測量法。這里采用光電容積脈搏波描記法(Photo Plethysmo Graphy,PPG)，選用DFRobot心率傳感器，該傳感器通過測量血液中血紅蛋白隨心臟跳動而對氧氣吸收的變化量來測量人體心率參數，具有響應性快，性能穩定，適應性強等特點。

2.3 功能模塊設計

根據上述教學實踐環節的要求，設計功能模塊如下：

(1) 脈搏波采集功能模塊。下位機心率傳感器的安裝和模式切換，將心率傳感器放置在指，手腕，耳垂等皮膚直接接觸處。DFRobot心率傳感器擁有數字(方波)和模擬(脈搏波)兩種信號輸出模式，學生可以方便體驗模擬信號和數字信號的轉換過程。

(2) 交互設置和顯示分析模塊。

① 上位機中設計FLASH互動界面進行采集參數設置和心率值顯示。可以設置采樣頻率、信號模式等參數，交互體驗中加深對采樣定理的理解。

② 上位機中設計Matlab仿真界面實現數據處理、分析顯示。可以顯示心率時域和頻域波形以及環境和狀態情況(如溫度、光線和運動狀態等)。加深對《信號與系統》物理概念、時域和頻域信號的描述、分析、理解以及應用，體會外界因素對信號的影響。

3 應用案例

3.1 心率信號的實時測量與分析

心率傳感器采集到脈搏信號通過串口傳輸到PC，上位機利用Adobe Flash交互界面設置下位機的采樣率、顯示下位機測量的心率值以及環境狀況等信息，并且可以利用Matlab實現心率信號的時域波形顯示、存儲，方便進行后續心率信號分析、處理和研究。

3.1.1心率信號的讀取和時、頻分析

心率信號的讀取。考慮正常情況下心率信號和脈搏信號通常是一致的。安靜狀態下正常心率在60～100/min之間，平均值是75/min。即心率頻率一般1～1.7 Hz，考慮一些患者會超出此范圍，所以頻率范圍預設0.5～2.5 Hz。

① 數字模式：將DFRobot心率傳感器置于數字模式，利用上位機的Adobe Flash交互界面設置下位機的采樣率后，可以直接編程顯示下位機測量的心率值以及環境狀況(溫度)信息如圖3所示。

圖3 心率測量系統案例上位機交互界面

② 模擬模式：將DFRobot心率傳感器置于脈搏波模式，由于前面心率頻率預設范圍為0.5～2.5 Hz，采樣頻率選為200 Hz，設采樣點數為2 048，利用Matlab編程實現實時讀取連續的脈搏信號的時域波形并顯示如圖4(a)所示(其中橫坐標為采樣點數，一格200個采樣點)，觀測截取的一個心動周期時域波形發現有毛刺、不平滑等現象如圖4(b)所示(其中橫坐標為采樣點數，一格50個采樣點)。

(a) 采集的心率信號時域波形圖(b) 局部存在不平滑、毛刺等現象

圖4 心率信號時域波形圖及局部不平滑現象

由此可以進一步體會到工程中真實信號的特性、采集方法、需要解決的問題以及利用Matlab編程實現利用Arduino控制器和傳感器進行信號采集和顯示的方法。

考慮心率信號本身具有幅度很小，易受干擾的特性，因而心率信號需要進一步提取。由于前面分析心率信號頻率預設范圍為0.5～2.5 Hz(較低)，為了提取心率信號，利用頻譜特性，分析心率信號的頻率分量，為后續的提取提供依據，心率信號的傅里葉變換如圖5所示。分析心率信號的頻譜圖，可以非常清楚地觀測到時域周期信號的頻率分量的信息，其頻率分量有：0 Hz(直流分量)、1.3 Hz、2.6 Hz和3.9 Hz等。

圖5 心率信號頻譜圖

由此可以體驗到時域中難以分析的問題可考慮轉到頻域中進行分析的方法，且物理意義明確，更加直觀。

3.1.2心率信號的提取和時、頻分析處理

體會工程中的真實信號易受環境等諸多因素的影響，要想準確的分析信號，分析處理之前必須針對不同的影響因素對信號進行不同的預處理。這里應用心率信號案例詳細介紹信號分析處理的設計過程和實現方法如下：

由于傳感器輸出的脈搏信號幅度很小，并且含有1 Hz以下的因呼吸運動等引起的基線漂移等低頻干擾，以及50 Hz固定的工頻干擾及其他較高頻率的干擾信號，因而需對此信號首先進行帶通濾波處理，去除低頻(<1 Hz)和其他較高高頻(>50 Hz)干擾，然后進行帶阻濾波處理去除50 Hz工頻干擾，以便獲取心率波形。具體設計實現方案如下：

首先，設計具有通帶內最大平滑特性的巴特沃斯帶通濾波器濾除低頻和其他高頻干擾，信號經過后衰減小，這里設置參數通帶截止頻率Wp=[0.9,50]，阻帶截止頻率Ws=[0.3,55]，通帶邊衰減DB值Rp=3，阻帶邊衰減DB值Rs=10。巴特沃斯帶通濾波器幅頻響應曲線如圖6(a)以及濾波后的心率信號時域波形如圖6(b)所示，經過帶通濾波器后截取單周期的心率時域波形局部變平滑如圖6(c)所示。

(a) 巴特沃斯帶通濾波器幅頻響應曲線(b) 濾波后的心率信號時域波形(c) 波形局部變平滑

然后，具有較好截至特性且通帶內單調的切比雪夫帶阻濾波器非常適合濾除50 Hz工頻干擾，這里設置：通帶截止頻率Wp=[40 60]，阻帶截止頻率Ws=[45 55]，通帶邊衰減DB值Rp=3和阻帶邊衰減DB值Rs=70。

切比雪夫帶阻濾波器幅頻響應曲線如圖7(a)以及濾波后的心率信號時域波形如圖7(b)所示，圖7(c)為經過帶阻濾波器后截取單周期的心率時域波形局部更加清晰。

(a) 切比雪夫帶阻濾波器幅頻響應曲線(b) 濾波后的心率信號時域波形(c) 波形局部更清晰

最后，對濾波后的心率信號進行頻譜分析如圖8所示。可以非常清楚的觀測到原有心率波形經過濾除低頻、50 Hz工頻和其他高頻干擾信號后的頻率分量信息，其主要頻率分量為1.3 Hz，即心率信號的頻率為1.3 Hz，心率值為：1.3×60=74/min。

圖8 濾波后的心率信號頻譜圖

為了方便后續心率信號的進一步處理和分析，對心率波形數據或觀察心率波形的變化規律進行保存操作。

3.1.3產生偏差原因

提取的心率波形數據會存在一些偏差，主要原因是測量時傳感器與人體接觸，實時波形數據易受溫度影響，人為操作也會引入誤差。此外還有提取心率波形數據時對信號的去噪和提純的相關算法不夠精細等因素。

表1 不同采樣頻率的相關參數表

3.2 對比分析

心率信號頻率0.5～2.5 Hz(較低)，Matlab信號分析處理環境下，利用保存的心率時域波形數據進行的(fs=100 Hz、fs=10 Hz，fs=4 Hz)對比分析實驗，相關參數如表2所示，體驗采樣定理中對采樣頻率選取的要求，采樣頻率與采樣點數、采樣時間的關系，不同采樣頻率的時域波形如圖9(a)～(c)所示，采樣頻率越低，心率波形會丟失數據信息，不利于波形信息后期的進一步提取和分析。

(a) 100 Hz(b) 10 Hz(c)4 Hz

3.3 擴展應用

基于“虛實結合”交互平臺的心率測量系統進行進一步的擴展應用，不但可以豐富實驗內容，提高學生的實驗興趣，營造探索性實驗環境，而且可以更好的啟發自主創新，促進多學科的知識融合。具體的擴展應用如下：

擴展1加入環境、狀態實時監測模塊(如溫度、濕度、光線、噪聲傳感器等)，體驗外界因素對心率信號的影響；

擴展2結合中醫學理論，擴展應用到基于心率的健康狀況評估體系研究中，方便用戶掌握自己的健康狀況；

擴展3結合運動負荷評估體系，擴展應用到人體負荷檢測儀等的個性化測量儀器的研制中，增加用戶對于運動健身的趣味性和科學性。

擴展4擴展其他傳感器應用到該“虛實結合”交互系統中，充分發揮其開源和開放特性。

4 結 語

實踐證明，“虛實結合”交互式平臺“信號與系統”案例教學的應用實現了“身臨其境”的可視化、體驗性交互實驗，將理論知識的工程化，充分發揮了軟件仿真設計、演示及研究性優勢和硬件驗證、測試及實踐性優勢以及軟硬件相互融合的工程應用價值，營造了探索性的實驗環境，豐富了實驗內容，提高了學生的實驗興趣，更好的滿足了創新性設計的實驗要求，具有推廣應用價值。

參考文獻(References)：

[1] 任 蕾,薄 華.以應用實例為主線的“信號與系統”教學法[J].大學教育,2016(2):121-122.

[2] 唐云祁,郭 威. 案例教學法在模式識別導論中的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2017,36(8):176-178.

[3] 藍 波,王志秀,徐文星. 電子工程設計綜合課程改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2015,34(5):203-206.

[4] 蔡 苗,蔡紅娟,黃 松.信息類專業平臺課程實驗教學體系改革的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(9):144-146.

[5] 聶文艷,廖曉緯.應用型人才培養模式下專業基礎課程教改探索[J].赤峰學院學報(自然科學版),2016,32(4):256-258.

[6] 段春紅,謝 妮. 精品開放課程網絡平臺建設研究[J]. 實驗室研究與探索,2015,34(3):228-232，245.

[7] 洪 波,王秀敏,徐明彪,等. 基于創新理念的DSP課程實驗教學研究[J]. 實驗室研究與探索,2014,33(10):215-217+311.

[8] 尹霄麗,尹 鵬.多課程融合的“信號與系統”實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2016,35(10):192-195.

[9] 趙 杰.交互動畫設計[M].北京：化學工業出版社,2016.

[10] 宋 楠,韓廣義.Arduino開發[M].北京：清華大學出版社,2014.

[11] Adobe公司.ActionScript 3.0[M].北京：人民郵電出版社,2012.

[12] Stormy Attaway. MATLAB編程與工程應用[M].2版.魚濱，趙元哲，譯. 北京:電子工業出版社,2013.

[13] 楊凱鳴,魏心源.靜電系列實驗的遠程演示[J].實驗室研究與探索,2012,31(12):124-127.

[14] 翁浩峰.在Flash課件中使用傳感器[J].物理通報,2010(6):35-37.

[15] 駱 文,劉 陽.基于光電技術的心率測量儀[J].工業儀表與自動化裝置, 2012(1):99-101.