数字处理信号控制器

数字处理信号控制器（通用12篇）

数字处理信号控制器 篇1

0 引言

配料控制系统在工农业生产中大量应用,目前使用较为广泛的是微机控制配料系统。其结构原理如图1所示。

上位机通常采用工业控制计算机系统。下位机采用配料控制器,接收上位机的指令,不断地采集称重信号,根据生产工艺要求,完成对电磁阀的控制。由此可见,配料控制器至关重要,而控制精度取决于称重精度,因此研究称重信号的处理具有十分重要的意义。

本文结合现已开发成功的WLN-300配料控制器,着重从硬件电路信号调理和软件FIR滤波算法两方面论述配料控制器的信号处理。

1 称重信号前向通道的数学模型

配料控制器的信号处理流程如图2所示。

1.1 传感器的数学模型

设选用的应变式压力传感器为单自由度。采用n2共振峰提取[1]的方法可得应变式压力传感器的传递函G数1(模s)型sG212(s)n如s下n 2:

通过实验,确定所选用传感器传递G1函(s)数如s 2:2nsn2

1.2 硬件信号调理电路C5C66AD8552

配料控制器的信号调理电路如图3所示。8R4SIG+V0-L2C7G2

供给单片机作A/D转换的外部基准电压由滤波后的9V电压经精密电阻R1,R2分压后得到,压力传感器桥压和基准电压都来自于同一电源,可减少压力传感器桥压变化对测量精度的影响。传感器输出信号经调理后送入单片机。单片机选用AD公司2003年推出的ADμC845,该单片机本身即构成最小系统,片内集成24位高精度A/D转换器。最后,单片机将转换完成的数字量存入片内flash/EE存贮器,经数字滤波算法完成整个称量信号的处理。

1.3 放大前端调理电路的数1学模型

1.4 放大电路的数学G模3(型s)101

信号经放大前端处理后由轨-轨运算放大器AD8552完成两级放大,为了抑制共模干扰,在满足R5/R6=R3/R4的条件下可得:

代入R6=100kΩ,R5=1kΩ,得到:

1.5 低通滤波器的数学模型

最后信号经由R7和C8构成一阶低通滤波器,送入单片机的模拟量输入端,其传递函数为:

将R=R7=100kΩ,C=C8=0.1μF代入上式

1.6 前向通道的传递函数1

称重信号前向通道传递函数为:

求得G1,G2两振荡环节的转折频率均超过104,而G4环节的转折频率仅为100,在进行工程计算和分析时,可认为在振荡频率ωn≤100的低频段内,传递函数近似等于比例环节和惯性环节的乘积,即上式可近似等于

由此可见,称重信号前向通道对采集信号只进行了放大和低通滤波,要消去在生产现场的工频干扰和称量过程中料斗振动产生的低频周期干扰信号,必须借助软件滤波算法进行处理。

2 配料控制器的101数字信号处理

有限冲击相应(FIR)数字滤波器可以得到线性相位频率特性,而且其单位抽样响应的有限长特性又可保证系统的稳定性。窗函数是FIR数字滤波器设计中最为简便常用的方法,采用凯泽窗设计FIR滤波器对称重信号进行软件滤波,包括低通和带阻两级滤波器。

根据配料系统所采用应变式压力传感器的技术指标,一般通频带为0~200 Hz,通频带波动值Rp≤±0.8dB,通带截至频率fp=200Hz,阻带截至频率fs=250Hz,阻带衰减A s≥50dB。考虑到要保证单片机实现两级FIR滤波器的实时性符合要求,确定带阻滤波器的设计要求:阻带为45~55 Hz,过渡带为5~45Hz和55~95Hz,通频带波动值Rp≤±3dB,阻带衰减A s≥20dB。在兼顾单片机计算速度和采样精度的原则下,确定模拟信号的采样频率为f=1kHz。利用MATLAB的FDATool软件包进行辅助设计,分别得到20阶低通和22阶带阻滤波器,其幅频特性曲线如图4,5所示。

3 滤波程序及可行性分析

用单片机C51程序实现实现低通、带阻FIR滤波器,采样频率为1kHz,FIR滤波器采用直接型结构。(限于篇幅,源程序省略)。使用keil编译器,将C51程序转换为汇编代码,每完成两次滤波和采样值移位大致需要230条指令,按每条指令2~3个机器周期计算,大致需要0.45~0.7ms,而配料控制器的采样周期为1ms,所以可保证采样值得到实时的处理。

4 MATLAB仿真

采用MATLAB的Simulink软件包对整个系统进行仿真,如图6所示。用阶跃函数模拟称重信号,正弦信号模仿信号的抖动,50Hz噪声模仿工频干扰,模拟的称重信号如示波器1所示;经过应变力传感器,重量信号转换成电信号,加入带限白噪声模拟其它干扰,如示波器2所示;经过放大前向调理电路、增益放大、RC低通滤波器、A/D采样及两级FIR滤波器,信号处理的结果如示波器3所示。对比3个波形图可知:设计的滤波器基本可将高频杂波和工频干扰滤除,达到配料控制器称重信号处理的目的。

5 结论

配料控制器的软件滤波算法在配料系统设计中占有举足轻重的地位。采用FIR数字滤波算法可以在实时性和滤波效果两方面取得不错的平衡。将此算法应用于自行设计的配料控制器,取得良好效果。

参考文献

[1]常增坡,唐柏森.带管腔应变式压力传感器多自由度建模法.北京:测控技术,1999,11.

[2]蒋明.数字滤波器的算法和实现.西安:微电子学与计算机,2000,2.

[3]赵毅,牟同升,沈小丽.单片机系统中数字滤波的算法.哈尔滨:电测和仪表,2001,6.

[4]沈荻帆,许向华.数字滤波器的参数设计.苏州:苏州大学学报(自然科学),2000,10.

[5]薛年喜主编.MATLAB在数字信号处理中的应用.北京:清华大学出版社,2003.

数字处理信号控制器 篇2

Digital Signal Processing —

Teaching Project

第一讲：信号的采集、基本DSP系统

Lecture 1 Conceptual introduction of DSP

 了解技术背景、各种信号的特征、A/D转换、采样与量化、Nyquist 定理

一、连续信号的采样与量化

信号的分类与特点、模拟信号到离散信号的转换、Nyquist采样定理以及量化。

二、采样前后频谱的变化

模拟信号以及相应离散信号频谱之间的关系。

三、从采样信号恢复连续信号

如何从采样后的离散信号恢复模拟信号。

Questions:(1)What is the advantage of DSP ?(2)Why generally put a LPF and a amplifier before the A/D conversion ?

第二讲：离散信号的描述与基本运算、线性卷积

Lecture 2 Discrete signal: its description and computations

 掌握离散信号的描述方法、典型信号的特征、信号之间的基本运算以及线性卷积 信号与系统分类

一、信号的分类

模拟信号、离散信号、数字信号

二、系统分类

模拟系统、离散系统、数字系统 连续时间信号的采样与量化 1 离散时间信号—序列

一、典型的序列

离散信号的时域描述；冲击信号、单位阶跃信号、指数信号、正弦信号等的描述。

二、序列的运算

信号序列之间的基本运算，能量的计算以及分解等。线性卷积

序列的线性卷积运算、具体步骤。

Questions:(1)What is absolute time for a time index n of x(n)?(2)In practical application, is determined signals such as sine need to be processed ? If not, what type of signal is we mostly faced ?

第三讲：系统的分类与描述

Lecture 3 Linear shift-invariant system and its description

 掌握LSI、因果、稳定、FIR、IIR系统的特征；LSI的I/O描述；线性常系数差分方程；系统结构描述 离散时间系统一、离散时间系统的类型

线性系统、移不变系统、因果系统、稳定系统、IIR与FIR系统。

二、离散时间系统的描述

LSI系统的I/O关系（线性卷积形式）、差分方程描述。

Questions:(1)Which system description is mostly used in practical application, why ?(2)Can a IIR system be replaced by a FIR system ?

第四讲：Z变换与系统函数

Lecture 4 Z transform

 掌握Z变换；系统函数以及零极点分析；系统函数与差分方程之间的转换 Z变换

一、Z变换的定义及其收敛域

双边Z变换、收敛域的概念、典型信号的Z变换；不同分布序列的收敛域特征。

二、逆变换

基本逆Z变换的定义、留数法以及幂级数法计算。

三、Z变换的性质

导数与极值等特性。离散时间系统的Z变换分析法

一、系统函数

系统函数定义；不同系统的系统函数特点；极点与零点的特性、与差分方程的关系等。

二、离散时间系统的信号流图描述

系统的结构框图、流图描述方法。

Questions:(1)why we need study Z transform, how important converge region is ?(2)why the condition for a causal stable LSI is that its converge region includes the unit circle ?

第五讲：离散信号的傅立叶变换

Lecture 5 Discrete time Fourier transform

 掌握离散信号的傅立叶变换DTFT；频谱、幅度谱与相位谱；离散信号DTFT的特征 离散信号的傅立叶变换

一、离散信号傅立叶变换的定义

离散信号DTFT与IDTFT的定义，典型信号的DTFT计算。

二、离散信号的傅立叶变换与Z变换的关系

单位圆上的Z变换。离散信号傅立叶变换的特点

Questions:(1)What a point on magnitude spectrum states ?(2)What is relation between frequency components of a signal and the points of its spectrum curve ?

第六讲：系统频率响应与频谱关系

Lecture 6 System frequency response and spectrum relations

 掌握LSI系统频率响应概念；零极点对频谱的影响；模拟信号频谱与对应离散信号频谱的关系。线性移不变系统的频率响应系统函数零极点与频率响应的关系离散信号频谱与模拟信号频谱之间的关系

一、离散时间傅立叶变换的导出

Questions: 从模拟信号以及频谱推导到离散信号的频谱。模拟信号频谱与对应离散信号频谱之间的关系。

二、DTFT与FT的关系 系统函数与频率响应的关系，零点和极点对系统频率响应的影响。由线性移不变系统对复指数信号的作用推导出系统的频率响应。对称、周期、卷积等特性，帕斯维尔（Parseval）定理。(1)What a point on magnitude frequency response states ?(2)What is response of a system to the points of spectrum of input signal ?

第七讲：频谱分析与应用

Lecture 7 Spectrum analysis and application

 掌握频谱的基本信息特征；频谱分析的典型应用；短时谱分析的概念 频谱分析与应用

一、频谱的基本特征

通过复正弦信号的频谱说明DTFT的意义以及频谱分析的意义。

二、信号调制与语音合成

通信中AM调制与语音合成中频谱的应用。

二、短时频谱分析

Questions:(1)propose some examples of spectrum analysis in application(2)what is the influence of short time processing for spectrums ?

第八讲：周期信号的傅立叶级数表示

Lecture 8 Fourier series of periodical discrete signal

 了解周期信号的DFS描述； DFS的频谱特征； 周期卷积 周期信号的离散傅立叶级数表示

一、离散傅立叶级数

周期信号的DFS定义及频谱分析。

二、周期卷积

从一个周期求和的线性卷积导出周期卷积。

第九讲：离散傅立叶变换 阐述实际应用中的频谱分析方法。Lecture 9 Discrete Fourier transform

 掌握DFT；DFT的基本前提与特征；频率取样定理；DFT与DFS和DTFT的关系 离散傅立叶变换离散傅立叶变换特性

一、有限长特性与频域采样定理

描述DFT的时频有限长特性；DFT作为DTFT采样的频域采样定理。

二、循环卷积特性

Questions:(1)Why we need DFT ?(2)What is the difference between DFT and spectrum sampling ?

第十讲：短时离散傅立叶变换

Lecture 10 Short-time DFT

 掌握循环卷积；STDFT的概念和实用意义；时间分辨率与频率分辨率 短时离散傅立叶变换分析

一、短时离散傅立叶变换的定义

非有限长信号的STDFT定义；STDFT与原始频谱之间的关系。

二、频率分辨率与时间分辨率

Questions:(1)why it is said, for non-stationary signal, short-time DFT is a unique selection ?(2)Is zero-padding enough for high frequency resolution ? 短时频谱的时间分辨率与频率分辨率，及其短时窗长的影响。有限长信号的循环卷积。DFT与IDFT的定义；DFT与短时谱；从DFT的信号完备恢复。

第十一讲：快速傅立叶变换与应用

Lecture 11 Fast Fourier transform ant application

 掌握基2运算的FFT算法；了解FFT在信号处理中的应用 快速傅立叶变换

一、基于时选的快速傅立叶变换

时域实行奇偶分解的FFT算法。

二、基于频选的快速傅立叶变换快速傅立叶变换的应用

一、信号去噪与语音识别

谱相减方法的去噪处理；应用频谱特征的语音识别应用。

二、利用FFT计算线性卷积

线性卷积与循环卷积的关系；通过循环卷积与DFT的对应关系得到FFT计算线性卷积的方法。

Questions:(1)Is there any difference between DFT and FFT ?(2)Can you propose a new fast algorithm of DFT ?

第十二讲：数字滤波器类型与技术指标

Lecture 12 Digital filter type and technical parameters

 了解IIR、FIR数字滤波器的结构特点；滤波器的设计技术指标；IIR数字滤波器的一般设计方法 数字滤波器的技术指标

频域实行奇偶分解的FFT算法。IFFT快速算法与FFT的关系。

三、傅立叶反变换的快速计算 通带、阻带、截止频率（3dB下降）、通带与阻带边界频率、阻带衰减。无限脉冲响应数字滤波器的结构模拟滤波器到数字滤波器的转换

一、脉冲响应不变法

从时域脉冲响应保持不变原理分析导出模拟滤波器到数字滤波器的转换。

二、双线性变换法

Questions:(1)how many technical parameters must be set for design of filter ?(2)what is advantages of bilinear transform ?

第十三讲：IIR数字滤波器的设计

Lecture 13 Design of IIR filter

 掌握Butterworth、Chebyshev和椭圆滤波器的设计方法；脉冲响应设计法与双线性设计法； LPF与HPF、BPF、BSF的转换 IIR滤波器的特性

一、巴特沃兹滤波器

Butterworth滤波器的特点；相应滤波器的设计方法。

二、切比雪夫滤波器 Chebyshev滤波器的特点；相应滤波器的设计方法。

三、椭圆滤波器

椭圆滤波器的特点以及设计方法。IIR滤波器设计的频率变换方法 从克服模拟滤波器到数字滤波器转换过程中频率畸变的问题，导出双线性频率变换方法。直接Ⅰ与Ⅱ型结构；级联与并联结构；全通滤波器。

一、模拟低通滤波器到其它滤波器的变换

模拟低通滤波器转换到高通、带通、带阻滤波器的方法。

二、数字低通滤波器到其它滤波器的变换

Questions:(1)do you think Butterworth is much easier than others ?(2)what is a general steps for design of IIR filters ?

第十四讲：IIR滤波器的应用与系数量化效应

Lecture 14 Application and coefficient effects of IIR filter

 了解IIR滤波器设计中的系数量化效应和实际应用 IIR滤波器实现与系数量化效应

一、IIR滤波器的实现

IIR滤波器的硬件与软件实现方法。

二、系数量化效应IIR滤波器应用

一、小循环阻抗容积信号处理

说明滤波器的具体应用与效果。

二、DTMF双音频信号的合成Questions:(1)Is it OK for use of IIR filter in image processing ?(2)Propose other IIR filter applications.介绍用一个IIR滤波器如何完成输出一个单频率信号。滤波器系数量化效应对性能的影响分析。数字低通滤波器转换到数字高通、带通、带阻滤波器的方法。第十五讲： 线性相位FIR滤波器及窗函数设计原理

Lecture 15 Linear phase FIR filter and principle of window method

 掌握FIR滤波器的特点；线性相位概念、意义及其实现条件；FIR滤波器窗函数设计法原理。FIR数字滤波器的特点

一、基本特点

脉冲响应、差分方程、系统函数以及系统结构等方面的特点。

二、线性相位特点

线性相位概念、系统设计中的意义，举例说明。

三、线性相位FIR滤波器的实现条件

如何实现线性相位，不同奇偶点数的区别。窗函数设计法原理

一、窗函数设计法原理

从时域逼近角度分析导出窗函数设计法，说明失真的情况。

二、理想低通滤波器

Questions:(1)What is the importance of linear phase for a filter ?(2)Can IIR be realized as a linear phase filter, why ?

第十六讲：窗函数设计分析与实例

Lecture 16 Design analysis and examples of window method

 掌握Hamming窗等5种基本窗函数的具体设计方法；特别是Kaiser窗设计实例 窗函数设计法分析

一、各种窗函数设计法 描述一个理想LPF的特点，特别是幅度特性。矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布莱克曼窗、凯泽窗设计FIR的方法、特点。

二、窗函数设计法的进一步分析与总结

对窗长、窗的类型在设计中的影响做总结分析。利用凯泽窗设计FIR滤波器

一、低通滤波器设计

凯泽窗设计LPF的具体举例分析。

二、高通通滤波器设计

凯泽窗设计HPF的具体举例分析。

三、带通滤波器设计

凯泽窗设计BPF的具体举例分析。

四、带阻滤波器设计

凯泽窗设计BSF的具体举例分析。

Questions:(1)are you confident for design of FIR filter now ? why ?(2)If you are assigned to design a untypical filter, how can you do ?

第十七讲：频率取样设计与等波纹优化设计

Lecture 17 Frequency design and equal-ripple method of FIR filter design

 掌握频率取样设计方法；等波纹优化设计方法 频率取样设计法

一、频率取样设计法原理

从频率抽样形成DFT频谱，并进一步得到有限长脉冲响应的思路介绍，说明其实际失真。

二、设计实例分析等波纹逼近优化设计方法

举例说明频率取样设计法的具体过程、从不成功设计到成功设计的转变思路与方法。

一、最小均方误差优化设计 LMS准则下的优化设计介绍。

二、等波纹逼近优化设计法

Questions:(1)which is more excellent as a method ?(2)why some points must be set in transition band ?

第十八讲：系数量化效应与FIR滤波器应用

Lecture 18 Application and coefficient effects of FIR filter

 了解 FIR滤波器的系数量化效应以及实际应用 系数量化效应与溢出控制

一、系数量化效应

有限字长条件下滤波器系数的量化对频谱的影响，引起失真的情况。

二、溢出控制

怎样处理滤波器输出数据对D/A转换器或其他接收器的输入溢出问题。FIR滤波器应用

一、信号去噪

举例说明运用FIR实现限带噪声消除的实际应用。

二、信号的高频提升

Questions:(1)If to implement a FIR in a MCU, what should you consider ?(2)Propose some other application examples.最小误差意义下的频域的等波纹逼近，具体设计方法，MATLAB仿真设计举例。

数字信号处理课程教学探索 篇3

[关键词]数字信号处理；教学改革；学习积极性

[中图分类号] G423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）06-0163-03

一、引言

随着信息科学和计算技术的迅速发展，数字信号处理的地位和作用越来越突出。数字信号处理课程已成为电子、通讯专业的一门专业必修课，其内容主要涉及数字信号的变换和数字系统的设计两大部分，其中数字信号的变换主要包括序列的傅里叶变换（DTFT）、Z变换、离散傅里叶变换（DFT）及它的快速算法FFT，数字系统的设计主要包括无限脉冲响应（IIR）和有限脉冲响应（FIR）数字滤波器的设计。数字信号处理的先修课程主要有信号与系统、工程数学、复变函数、数字电路、MATLAB语言等。近年来，数字信号处理在无线电通信、数字电视、生物医学、机器人控制、手机等无线终端等等关键技术领域产生着日益重要的影响。但该课程以数理为基础，综合性、理论性强，学生普遍反映公式多、内容抽象、难度较大。本文从数字信号处理课程的自身特点出发，重点就如何提高学生的学习积极性进行了一系列思索，着力提高该课程的教学质量。

二、上好第一堂课，强调课程重要性

学生在第一次上每一门课时，对任课教师和课程内容都是抱有强烈的好奇心的，这就要求任课教师一定要把握好第一堂课，激发学生的学习热情。在讲述具体课程内容前，要对本门课程进行客观综合分析，给学生一个对该课程全面的认识。告诉学生“为什么学习这门课程，如何学习，以及它在实际生活中有什么用途”。数字信号处理是现代信号处理增长最快的领域， 在许多以数字化应用为主的领域都有广泛应用。任课教师应强调现在是数字时代，对数字信号处理的前沿领域，包括图像处理、语音音频、无线电通信、生物医学、移动电话、数字电视等进行介绍，以提高学生对该课程的兴趣，同时帮助他们更好的认识该课程的学习内容。现在学生都比较“务实”，甚至有些急功近利，对马上用得着（包括考研、找工作）的课程投入精力大，反之就比较松散。因此在第一节课时，可以告诉大家，对想继续读研的同学，数字信号处理是电子、通讯相关专业笔试/面试的必考课程；而对于毕业就想工作的同学，凭借熟练掌握数字信号处理相关技术可以在应聘中脱颖而出，激发同学们的学习热情。同时可以请同学们举一反三，说出更多数字信号处理相关的应用，使他们感到自己所学的东西就在人们的日常生活中，而不是遥不可及、虚无缥缈的。

三、多种教学手段并行

为了上好复杂的数字信号处理课程，我们需结合传统板书、多媒体课件教学、Matlab仿真、DSP开发以及多样化课后作业。传统板书容易控制授课节奏，有利于师生互动，不会给学生照本宣科的感觉，学生容易跟随老师的思路，学起来也相对轻松[1]，此外还有利于学生记笔记，因此在习题课和一些基本原理、基本方法的推导和证明中，以及一些逻辑较强需要深入讲解的知识点，教师应采用课堂板书形式，给学生足够的时间领会。但对于一些较抽象的概念以及复杂的图、表，用板书难以表达，则需要借助多媒体课件（PPT），化抽象为形象，化枯燥为生动，增加课堂信息量，使学生把重点放到加深对抽象概念的理解上[2]。需要注意的是，PPT有其片断性特点，PPT的不断翻页，非常容易打断学生的视觉感知，使得对知识点的认识也出现片断性；此外PPT放映速度一旦过快，学生思路没跟上，很容易产生堆积效应，造成学习进度跟不上。所以在PPT讲解过程中，教师速度一定要放慢，讲一行放一行，切不可把所有内容一次都放出来，否则容易误导学生去费劲地阅读PPT上的文字。现代多媒体教学手段与传统的板书教学相融合，可以让两种手段优势互补，其实际效果比单独使用其中任何一种都要好。此外，在课堂中引入Matlab仿真和DSP演示，可以加深学生对基本概念、理论的理解，可以使抽象的内容生动、直观，从而提高学生的学习兴趣，事半功倍[1]。由于该门课程概念抽象，公式繁多，学生若光凭在课堂上听老师讲解，会造成似懂非懂，听完即忘的现象出现，因此每次课后教师需要给学生布置适量的课后习题加以练习，巩固所学知识。除此之外，任课教师还应找一些科普读物供学生课后阅读，比如知乎专栏上的“傅里叶分析之掐死教程”，这样不仅增加了学习的趣味性，也有利于学生对所学知识的理解。

四、教学互动，杜绝填鸭式课堂

在实际教学中，教师要善于站在学生的立场上，找到学习每个知识的最好切入点。课堂上加强与学生互动，让学生主动思考，积极参与到课堂里来，避免填鸭式教学。如在讲“用DFT对信号进行谱分析”时，可以从物理含义（公式）角度出发，对之前所有的傅里叶变换进行一个总结，先给出图1的第一行5个变量，让学生回答从左至右两两变量之间经过的是什么变换处理；然后看第一行每个变量进行各种傅里叶变换后的结果是什么？（得到底下一行的值）；最后看底下一行两两之间的关系。经过这样的课堂提问，可以让学生主动对以前知识进行查漏补缺，比教师直接对着图1进行解释讲解效果好得多。通过课堂提问与课后作业批改，教师能及时检验学生的学习效果，据此再在教学中作适当调整，这样有利于教师学生的双向交流，提高学生的学习效率。

五、加强实验教学

实践教学应本着“知识-能力-素质”协调发展的教育理念，鼓励学生通过实验、实践去探求新知，切实提高学生综合运用知识解决实际问题的能力，培养学生的创新意识。目前， 国内外针对数字信号处理这门课程的改革， 主要沿着两条途径[3]： 一是使用MATLAB 等工具软件， 实现算法仿真； 另一途径就是引入DSP 器件， 对算法进行实现， 特别是实时实现。针对我校学生的实际情况，本门课程主要和“草稿纸”式的语言MATLAB结合[4]，包括1）教学过程中，MATLAB演示覆盖了绝大部分教学内容，包括傅里叶分析、卷积运算、滤波器设计等，还适当引入了MATLAB处理信号的实例，如对音频信号的处理等，激发学生的学习兴趣；2）实验课，针对理论知识点的内容，主要完成五个基本实验[5]，包括系统响应及系统稳定性、时域采样与频域采样、用FFT对信号作频谱分析、IIR数字滤波器设计及软件实现、FIR数字滤波器设计与软件实现。这些实验对难理解的课堂内容，起了非常好的帮助作用。对于所涉及的实验教学内容，任课教师可以给出相应的参考程序，让学生将精力放在计算结果的分析上，突出对实验结果背后隐藏的“物理意义”的理解。明白实验的目的是帮助深入理解课堂知识，而不是编程能力的提高。除了课堂教学，学生如果在实验过程中发现对某个实验感兴趣，任课老师应当鼓励并帮助其进行深入研究，以此作为大四的毕业设计内容均可。

六、完善考试模式

考核是人才培养过程中一个不可缺少的环节，以往本门课程的成绩考核采取传统“3+7”模式，即由平时表现（包括考勤、作业）占30%、期末笔试成绩占70%综合计算。这样的考核方式简单易操作，但这也是一些学生不重视实验、不注重如何应用所学知识解决实际问题的原因之一，结果造成理论联系实际和解决实际问题的能力差[2]。完善化考试模式，学生所有的学习， 包括实验实践环节的MATLAB上机考试、课程设计以及参与学习的过程都要进行考核， 改变过去重视理论知识，忽视实践能力的做法，能极大地强化学生的自主学习能力及动手实践能力。

七、提高教师素养，高度提炼知识点

以上五点都是从教学手段出发，着重从学生积极性的培养来考虑课程改革。还有非常关键的一点，就是对我们任课教师的要求：一方面，在这个知识爆炸的时代，教师必须对学科前沿知识有敏锐的洞察力，形成宽广而深厚的知识视野，这样才能站得高，看得远，将教材上那些抽象深奥的理论通俗易懂形象地讲授给学生；另一方面，也是最基本的，必须对所讲内容高度熟悉，能帮助学生提炼知识点，抓住问题的关键。如在讲DFT的时候，因为它不符合根据傅里叶变换的一般规律：1）信号在时域、频域某一个域的离散，均会导致在另一个域周期；2）信号在一个域有限长，就会导致在另一个域无限宽。这个时候，一定要将DFT的原理（它与DFS的关系）给学生讲述清楚。有限长序列x（n）的N点DFT的实质如图2所示：

这个概念非常重要，DFT的性质大都与此有关。比如有限长序列DFT的隐含周期性，也可由X（k）与x（n）的周期延拓序列的DFS系数的关系得出。至于从x（n）求X（k），或已知X（k）求x（n）则是用定义式直接进行的，并不需要通过和。类似这些关键的知识点，任课教师一定要在讲述DFT的性质之前给学生讲明白，不然越往后学，学生就越是一头雾水，跟不上课堂进度。

八、 结语

教学质量是大学的生命线，如何提高教学质量是每位教师永远的课题。本文根据“数字信号处理”的课程特点和学生的实际情况，从1）上好第一堂课，强调本门课程的学习意义，2）传统板书、多媒体课件、MATLAB实践等多种教学手段并行提高学习效果，3）课堂互动，杜绝填鸭式教学，4）加强实验教学，理论实践齐头并进，5）完善考核方法，激发学生学习积极性，6）加强教师素养，帮助学生理解课程内容等六个方面，对本门课程的教学改革进行了一系列思索，力图激发学生对该门课程的学习兴趣，提高教学质量。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王学渊，侯毅. 再谈“数字信号处理”的教学改革[J]. 电脑知识与技术，2012：7541-7545.

[2] 蒋先梅. 数字信号处理课程教学改革的探讨[J]. 考试周刊，2011：15-17.

[3] 沈媛媛.基于Matlab的数字信号处理综合性实验设计[J].实验室研究与探索，2009：60-73.

[4] 胡学友，王颖，胡云龙.“数字信号处理”教学改革与实践[J].高教论坛，2007：67-69.

[5] 丁玉美，高西全.数字信号处理（第2版）[M].西安：电子科技大学出版社，2001.

数字处理信号控制器 篇4

关键词：MAD01,通道设置,数据处理

0 引言

随着现代工业系统的快速发展, 工业过程也不再满足过去简单使用行程开关和继电器。现在的工业过程控制需要引进大量先进的测试设备, 这些测试设备将其采集到的信号都转换成电压或者电流的模拟信号, 因此PLC必须具备识别这些模拟量的能力, 而识别模拟量最关键的问题就是如何将模拟电压电流信号转变成数字量。PLC使用环境为某高强石材抗折强度在线检测的压力过程控制。

1 压力在线检测系统原理

高强石材抗折强度在线检测系统结构如图1所示。

高强石材板经滚轴送至测试区域, PLC通过控制线驱动冲击头开始对板材缓慢的增加压力, 直至板材断裂, 在板材断裂瞬间冲击头承受压力急剧降低, PLC记录下最大压力信号, 然后驱动冲击头收回;PLC模拟量单元将压力信号转换并存储, 送入上位PC机进行数据处理, 将承受压力小于28Mpa的板材归类为不合格样品, 承受压力大于32MPa归类为过厚样品返回重新加工。

在整个在线检测过程中, 压力信号的采集与处理最为关键, 在单片机系统中要利用专门的数据采集和数模转换系统来完成该步骤, 而欧姆龙PLC自带了模数转换功能, 为控制系统数据的采集提供极大的方便;本文所选用的模拟量单元为欧姆龙公司C200H系列的MAD01。

在MAD01中, 上下限模拟量与数字量之间的关系如表1所示。

笔者所选的模拟量单元MAD01位于PLC机架的第二槽, 单元旋转开关在位置0, 所以模拟量输入和设置所占用的地址在IR100-IR109、DM1000-DM1099, 在设置单元旋转开关时一定要将PLC断电, 否则会损坏PLC。

2 模拟量通道设置

在使用PLC模拟量单元之前要进行输入通道和输入信号范围设置, 通道设置确定使用1通道或者2通道, 而输入信号范围设置则是根据外部设备来确定, 外部设备模拟量范围必须与PLC内部模拟量范围对应, 否则会造成PLC的损坏。以压力信号处理为例, 测定压力范围是0-40MPa, 精度为0.2%, 输出电压0-10V;模拟量占用1输入通道。

2.1 输入通道设置

通道的设置在DM1000字的4位和5位, 4位决定输入1, 5位决定输入2, 设置为0000000000001000使用编程软件在DM1000中写入#0018。

2.2 输入信号范围设置

信号范围的设置在DM1000的8、9、10、11位, 8、9位表示输入1的信号范围, 10、11表示输入2的信号范围, 00表示-10-10V, 01表示0-10V, 10表示1-5V (4-20mA) , 压力信号占用输入1, 电压范围0-10V, 因此在8、9位输入01.0000000100000000使用编程软件在DM1000字中写入#0100。

3 模拟量数据处理

在PLC中, 数据类型有3类:二进制、BCD码和十六进制, 一般存储器默认的是二进制数据, 在DM存储区只能使用十六进制数据, 而BCD码也可以使用, 但是需要专用的BCD数据拨码盘, 在用计算机对PLC编程时, 通过软件写入控制器的数据只能是十六进制数。

模拟量进入控制器后, 被转换后的数据以十六位二进制形式存储在IR存储区, 在使用转换后的二进制码时要将IR区的数据用传送指令送入DM区。输入1的转换结果存储在IR105字, 输入2转换字存储在IR106字。

这段程序是断线检测的数据传输程序, 利用传送指令将IR105、IR106的十六位二进制转换结果分别送入DM0001区和DM0002区。当模拟量转换后的十六位二进制数送入DM区后, 要使控制器对系统动作进行调节, 必须有数据比较, 根据数据比较来判断下一步的动作, 在数据比较过程中, 关键步骤是如何将十进制转换为控制器可以识别的十六进制或BCD码, 针对本文特定的压力测试仪, 笔者制作了一张模拟电压、十六制、十进制以及对应压力对应表。

根据以上对应表给出的数据, 我们可以知道不同压力对应的十六进制码和转换的规律, 模拟量的输入范围无论是1-5V还是0-10V, 模拟量单元都将它们平均分为20段, 范围1-5V的精度为0.2, 范围0-10V的精度为0.5, 无论是哪一种范围, 转换成十六进制后最大值都为0FA0, 转换为十进制则最大值为4000, 由于模拟量分为20段, 十进制也相应分为20段, 每段大小200, 先将十进制分段找出对应21点的大小, 再转换为十六进制, 如表所示。根据外部设备的量程将其分为20段21点, 本文所选用压力测试仪的量程为0-40MPa, 则每段精度为2%, 生产线要求压力在28-32Mpa, 即0AF0-0C80。

不同外部设备量程不同, 但是输入模拟量的范围比较规范, 都可以依此找出模拟量与数字量之间的关系。根据上表对应关系可以准确的找到压力与十六进制数据之间的关系, 可以实现对不同压力准确的控制和调节, 进一步在编程中方便使用。

4 结束语

通过使用欧姆龙PLC自带的模数转换功能, 大大增加了压力信号的转换效率和稳定性, 并在一定程度上防止外界对信号的干扰, 控制系统运行稳定使用情况良好。

参考文献

[1]谢克明.可编程控制器程序设计[M].北京:电子工业出版社, 2002.

数字信号处理实习感想 篇5

这次实习让我学会了如何用MATLAB语句来实现一些功能，虽然用起来还不是很熟练，但收获不少。最重要的一点是让我对图像处理的原理有了更深一层的理解。

此次实习的主要任务是用MATLAB创建一个软件平台，在该平台上设定好数字图像处理的一些相关功能。这些功能包括数字图像处理中所学到的各种处理图像的方法，我们将它们划分为四个模块：1）图像增强与恢复；2）彩色图像处理；3）形态学图像处理；4）图像提取与分割。这些基本的图像处理方法都可以用我们学过的MATLAB语句来实现，只需要设计好版面，并处理好软件的细节功能就可以了。之后我们就分配任务，每个人做两个模块，我负责的是图形增强与恢复和图像提取与分割两个部分。刚开始的时候由于我对MATLAB语言的不熟练，所以还不能很容易地就把每个函数建立起来，不过经过了一段实际操作后，只要明白了图像处理的方法做起来都很顺手了！

我们完成了数字图像处理软件的功能后，并没有满足，还拓展了一些功能，比如说图像的打开和保存，对于一些有影响到处理效果的参数还设置了输入框。此外，有些软件总是会存在很多的漏洞，像是图像处理完后下一次打开原图像部分还会出现上一次处理的图像之类的种种问题。在老师的指导和帮助下，我们也都将之逐一地完善了。

在实习过程中，我们并没有很严格的计划工作时间，但整体效率还是很高的，相对于别的组来说，我们完成得算比较快的。当然，这主要归功于我们组的另外一位很会查资料，所以就算再棘手的问题也总是能很快就被解决。而我比较擅长的就是版面设计，做一二界面需要的时间很短，我们在做这个软件的过程中没有因为分工争吵，一切都进行得很顺利！

实习初期我们遇到了很多困难，便会有种不知所措的感觉，不过在接下去的实习过程中，困难总是会被一一克服，原本头痛的问题最后都会给我们新的收获。做完这个数字图像处理的实习，不仅仅让我对本学期学过的图像处理方法的原理了解得更透彻了，而且对MATLAB的操作也变得更加熟练。除此之外，我们还在实习的最后学会了怎样在MATLAB中打包文件，这个方法弄明白了就很简单了，不明白的时候就觉得很复杂。就跟我们每次做实习的时候是一个道理，每次还没开始做的时候，总是会感到很有压力，对于自己不了解的东西总是会存在恐惧，但是经过一段时间的思考和认识后，就会突然顿悟到其实它并没有想象中的困难。或许这就是学习的精神吧！

数字处理信号控制器 篇6

【摘要】“数字信号处理”课程是电子信息类专业非常重要的课程，但它理论性强、抽象、公式多，理解和掌握起来有一定难度，导致学生厌学、怕学的情绪。为了培养学生的学习兴趣，适应素质教育，针对“数字信号处理”课程教学内容、实践教学和课堂教学模式进行了改革，从教学方法、教学手段方面进行改革。结果表明，学生学习的热情得到了提高，取得了较好的效果。

【关键词】数字信号处理 教学改革 学习兴趣 探索性实验

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）06-0023-02

“数字信号处理”课程是电子类学科和专业的一门重要专业基础课，涉及知识面广泛，如信号与系统、信号处理、通信等，课程内容抽象，理论性强，概念多，学习难度较大，加上先修课程的学习的好坏也影响到本课程的学习。这些因素导致学生难以在有限的教学时间内掌握好本门课程的内容，学习的畏难情绪增加，学习效果随之下降，导致逐渐丧失学习信心和学习热情[2]。如何培养并保持学生的学习兴趣，充分发挥学生的学习主动性是数字信号处理课程教学中需要面对的一个重要问题。因此对传统的教学方法进行改进，采用多种教学方式激发学生的学习兴趣，取得了较好的教学效果。

一、多种教学手段结合激发学习兴趣

传统的课堂教学方式采用黑板板书方式，其优点是师生互动直接，可以自由控制时间，学生在老师板书的过程中有足够的时间理解和思考，跟进老师思路的压力较小，适合公式推导、例题讲解等内容的教学。但是板书方式形式单调，不适合对抽象的概念和复杂的过程的讲解，而且，数字信号处理课程本来每堂课内容多，全采用板书讲授方式将很难完成教学任务，加快速度则有些重要难以讲到，久之影响教学效果。同时，本课程涉及信号流图（如FFT流程图等）、滤波器设计内容中的频谱图及设计的结果，如果板书出来将占用珍贵的课堂时间。因此仅用黑板板书的方式显然并不合适。投影教学方式的优点是形象生动，尤其是有的复杂过程可采用动画形式展现，学生容易理解，且传递的信息量丰富。但长久的盯着亮的屏幕容易造成视觉疲劳，快速的翻页也会造成部分学生跟不上进度，一堂课下来感觉很累。因此，在课堂教学中，宜采用板书、多媒体教学相结合的授课方式，充分发挥各自教学方式的优点。公式推导、例题讲解等可采用板书方式，抽象的概念和理论、复杂的处理过程等则采用MATLAB仿真进行演示或采用动画形式展现。多媒体课件宜做得精炼，防止出现大幅的内容叙述。由于抽象概念的形象解释有助于学生的理解，学习兴趣也随之提高。比如在讲解长信号的线性卷积时，牵涉到重叠相加法、重叠保留法两种方法，可采用板书和投影教学相结合的方式进行讲解。先提出问题：两个长度相当的信号的线性卷积可以利用FFT进行快速卷积，但若一个信号很长甚至是无限长时如何实现快速卷积？让学生进行讨论。再使用板书方式推导出长信号的分段卷积式，对分段卷积结果如何处理则采用MATLAB仿真来演示和验证这一过程。通过MATLAB仿真，长信号的快速卷积就形象的展现出来，学生易于理解了，枯燥的定义和概念也变得生动起来，原本复杂的过程变得简单而容易接受，有利于知识的理解和掌握，也激发了学生的学习兴趣。

二、改进教学方法，激发学生学习兴趣

“数字信号处理”理论知识多，学习起来枯燥。但是，如果学生认识到所学的知识有用会激发他们的学习兴趣。因此，应加大应用性内容的教学，让学生参与到相关的实践活动中有助于提高学生的学习热情。

1.课程设计提升学习兴趣

课程设计是综合性实践教学环节，完成课程设计需要综合应用所学知识，包括查阅资料、方案设计、方案实施、结果分析、方案改进等。实施计划过程中遇到的困难和障碍构成了学生渴望以挑战的问题，正是这些问题激励学生积极思考并寻找解决问题的办法，在此过程中学习的积极性得以充分发挥。一般而言，学生在接到课程设计的任务后，需要对设计课题进行分析，确定完成此设计需要用到的知识，这些知识可能是已经学习过的，也有未学习过的。学生通过查阅相关资料后，综合所学的知识、技能，明确需解决的问题和达到的目标，并形成解决问题的技术方法。

比如在FFT的教学中，给定课程设计要求“语音信号的频谱分析”，要求综合运用数字信号处理的理论知识对语音信号进行频谱分析并对语音信号进行处理。在此课程设计中，要求学生掌握Windows 环境下语音信号采集方法，掌握用 MATLAB对信号进行分析和处理的编程方法，设计算法和应用程序，对结果进行分析，撰写总结和报告等。学生通过理论推导得出相应结論，利用MATLAB作为编程工具实现语音信号的谱分析和滤波。在设计的完成过程中互相交流学习心得，共同探讨出现的新问题，培养获取知识与解决问题的能力。与此同时，学习过程中获得的成就感激发了他们的学习热情，并培养了勇于探索开拓进取的学习精神。

在教学中，课程设计的题目可以由教师指定，由学生选择，如语音信号卷积的实现、图像信号的滤波等；也可以在教师指导下学生自己选择。学生通过参与数字信号处理的课程设计，加深了对“数字信号处理”理论的理解，提高了学习的热情，巩固了学生数字信号处理的基础知识，增强了学习兴趣。

2.探索性实验激发学习兴趣

探索性实验是指人们从事开创性的研究工作时，为探寻未知事物或现象的性质以及规律所进行的实践活动。它对培养学生的观察能力、思维能力、探索精神以及良好的学习方法具有重要意义。

目前数字信号处理课程配备的实验大多是验证性实验，旨在对所学知识进行验证，如快速傅里叶变换（FFT）、RIR滤波器设计、IIR滤波器设计等，学生只是使用MATLAB 对教材或实验指导书上的实验进行验证，对实验结论也是验证与所学的知识是否一致，遇到不一致的往往知其然不知其所以然，难以结合教材内容进行深入分析。实验过程中遇到的问题也很难独立思考和解决。因此，实验设计仅让学生懂得实验的基本过程及仅仅验证教材上的内容是不够的，更重要的是培养学生的分析和思考问题能力。探索性实验将使得学生在实验过程中通过自己的观察、思考得出结论，不仅能启迪思维，培养科学精神和创新能力，更能激发学习兴趣。探索性实验内容可由教师提出，学生依据实验课题内容查阅资料，设计实验方案，最终完成实验并撰写实验报告。如卷积在信号去噪处理中的应用，就可以采用高斯模板对被污染的图像进行卷积以去除噪声（二维卷积），或对一段被噪声污染的歌曲进行卷积运算去除噪声（一维卷积）。通过探索性实验的开展，改变了传统实验的单调性，调动了学生的主动性，提高学生的学习热情。将验证性实验与探索性相结合，不仅有助于知识的掌握和能力的培养，还培养了学生科学素养，对激发学生的学习兴趣具有积极意义。

3.建立有利于激发学习热情的考核方法

作为一门重要的专业基础课，学生很在乎自己学习成绩，设计一套好的评价考核方法能最大限度的激发學生的学习热情，变被动学习为主动学习。为全面考查学生课堂学习、课外学习、课程设计及探索性实验效果，需设计闭卷考试、实验考核、课程设计考核及平时综合考核的全面考核方式。闭卷考试主要考核基本概念、基本原理等理论知识，实验考核主要考查学生的实验技能及分析和解决问题的能力；课程设计考核主要考察获取知识与解决问题的能力，同时鼓励学生依据学习内容撰写小论文，并建立相应的加分制度。

三、结语

“数字信号处理”的特点是理论性强，公式多，比较枯燥难学，学生容易提不起兴趣。兴趣是最好的老师，是构成学习心理的最活跃的因素。为了达到较好的教学效果，教学实践中，我们改进传统的教学方法，在课堂教学中采用多种教学手段结合激发学习兴趣，并从课程设计、探索性实验及建立有利于激发学生学习热情的考核方法几个方面着手， 激发学习热情，促进学生以研究的态度进行学习，在学习中获得的成就感激发了学生求知欲和学习兴趣，这些措施的实施取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]程佩青.数字信号处理教程（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]任淑萍，王欣峰.“数字信号处理”的优化教学研究[J].电力学报，2008，23（3）：255-257.

[3]刘永红，王娜，刘琚.“数字信号处理”课程学习兴趣的培养[J].电气电子教学学报，2014，36（2）：9-11.

[4]马永奎，高玉龙，张佳岩，张中兆.“数字信号处理”课程设计导向型教学初探[J].电气电子教学学报，2012，34（4）：96-97.

[5]郭建涛.“数字信号处理”课程的Matlab教学研究[J].电气电子教学学报，2010，32（3）：117-119.

[6]胡居荣，曹宁.基于MATLAB的数字信号处理研究型教学的探索[J].中国电力教育，2008（121）：67-69.

[7] 王秋生，袁海文.《数字信号处理》课程的分层实验教学方法[J].北京航空航天大学学报（社科版），2011，，24（5）：109-112.

数字处理信号控制器 篇7

1 数字PID控制原理

1.1 PID控制的基本原理

图1为PID控制系统的方框图。当控制量的目标值与检测值之间存在误差(或称为控制偏差)时,误差小,操作量就小,误差越大,操作量就越大,故控制算法中含有偏差比例项,简称P动作。对具有自平衡性的控制对象施行比例控制,最后其步阶变化会留下一定的误差,称为稳态误差或偏移。使控制算法中含有误差积分比例项,可消除稳态误差,简称I动作。偏差的增减反映在操作量上,为了改善控制特性,所以使控制算法中含有偏差微分比例项,简称D动作,为一种预先动作。包含以上三种动作的控制算法即为PID控制。

PID控制算法的操作量表示式如式(1)所示:

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其中u(t)为操作量; e(t)为误差,e(t)=rin(k)-yout(k),rin(k)为目标量,yout(k)为检测量; KP是比例系数(P动作);KI是比例系数(I动作);KD是比例系数(D动作)。

1.2 数字PID控制

为便于计算机通过软件实现PID控制算法,在实际应用中多采用数字PID控制方式。对模拟PID控制算法,以一系列的采样时刻Kt代表连续时间t,以矩形法数值积分近似代替积分,以一阶后项差分近似代替微分,由此可得离散位置式PID表达式如式(2)所示:

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位置式PID控制算法使用全量输出,所以每次的输出均与过去的状态有关。计算时要对e(k)量进行累加,计算机输出控制量u(k)对应的执行机构的实际位置偏差;因为e(k)量进行累加,u(k)可能出现大幅度变化,进而会引起执行机构位置的大幅度变化,这种情况在实际生产中是不允许的,在一些重要场合可能还会造成重大事故。为避免这种情况的发生,可采用增量式PID控制算法。

当执行机构需要的是控制量的增量时(如功率稳定控制),应采用增量式PID控制算法。根据递推原理可得增量表达式如式(3)所示:

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增量式PID控制算法如式(4)所示:

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其中u(k-1)为控制开始前的控制初值,Δu(k)为控制增量,u(k)为实际的控制值,e(k)为实际的误差值,e(k-1),e(k-2)为控制开始前的误差初值(一般为零)。

2 信号发生器原理框图及功率控制框图

信号发生器原理框图及功率控制框图如图2所示。系统中功率为被控对象,信号传输通路为两级放大A1,A2和一级VGA增益控制电路。为使电路稳定工作,VGA的增益不大于-3 dB,增益控制范围20 dB,本文中VGA电路采用ADI公司的ADL5330。控制器采用Philips公司的内含10位A/D和10位D/A转换器的LPC2132,这样可以简化硬件电路设计。功率耦合取样,取样功率为总功率的1/1 000,即yout(k)=Pout/1 000。检测器采用ADI公司的AD8362,用于将采样的功率值转化成对应的电压值(Vrms)。将采样得到的信号功率经LPC2132中的A/D转换器转化成数字信号,再经PID运算,得到控制VGA对应的电压值,由内部的D/A转换输出,通过控制VGA电路以控制、稳定输出功率Pout(rin(k))。

3 软件设计

3.1 增量式PID控制算法流程图

根据增量式PID控制算法,设计了算法流程,如图3所示。

3.2 实际的控制算法程序

根据图2控制系统硬件原理连线图,设工作频率为2.2 GHz,设两级放大器A1,A2的总增益为28 dB,期望输出功率值稳定在-10 dBm,即rin(k)=-10 dBm。假定VGA初始增益为-10 dB(cz)。而实际的输出功率值的表达式如式(5)所示:

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根据A/D转换得到的数字电压值转换成采样前的实际输出功率值的表达式,如式(6)所示:

yout(k)= ((ADC_data*1 500)/1 024)/

50.5-61+30 (dBm) (6)

其中ADC_data为A/D转换得到的数字电压值,1 500 mV为A/D参考电压值,1 024为10 b A/D满量输入值,50.5 mV/dB和-61 dB分别为AD8362检测器的输入信号功率值和输出电压线性关系的斜率和截距,30 dB为取样衰减量。

由此,实际的控制算法程序如下:

4 实时控制结果

根据器件特性,ADL5330的斜率为17 mV/dB,即每0.5 dB功率变化时,控制电压的变化为8.5 mV,而ADL5330的控制范围为20 dB,也即控制电压变化范围为340 mV。根据所选D/A器件为10 b,满量程输出为1.5 V,则每比特变化为1.47 mV,由此可知每变化1比特,VGA的增益变化微乎其微,即输出功率可以稳定在±0.5 dB以内。

设期望输出功率值稳定在-10 dBm,而VGA的控制范围为-3～-20 dB,则由式(6)可知,输入信号功率Pin可在-35～-8 dBm内波动时,均能使输出功率稳定在-10 dBm。Pin为-35 dBm时,VGA增益处于最大值-3 dB;Pin为-8 dBm时,VGA增益处于最小值-20 dB。图4为用Matlab仿真的实际输出功率跟踪期望值的控制过程曲线。

5 结 语

本文研究了增量式PID控制算法新的应用领域——信号发生器功率控制,并从实际中验证了他的可行性。增量式PID控制算法跟踪和稳定输出功率的过程是一种闭环式控制过程,实现简单、控制效果良好而且不易振荡。

参考文献

[1]刘金琨.先进PID控制及其Matlab仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.

[2]Zhuang M,Atherton D P.Automatic Tuning of OptimumPID Controllers[J].Proc IEE,Part D,1993,140:216-244.

[3]张敏.基于Matlab的PID参数模糊自整定控制器设计及仿真[J].自动化技术与应用,2005,24(7):22-24.

[4]肖迎春,裴?.三种无线通信系统中的功率控制方案[J].现代电子技术,2004,27(21):42-44.

数字处理信号控制器 篇8

1 发射台设备得到更新

虽然各发射台的发射机较多,但近几年都更换为工作稳定性相对较好的固态机,而其前端信号的自动处理和控制系统是各发射台技术维护工作中的薄弱环节,因此,做好发射机信号源的自动处理和控制系统的技术维护工作,提高其信号的质量,是确保发射机有高质量播出信号的技术保障。

甘肃省广播电影电视局687台是目前肩负发射任务最重的一个台站。687台在2010年实现了对设备进行计算机监控,对音频传输、信号发射、工作环境进行一体化监测,减轻了值班员的劳动强度,提高了发射台的工作效率。在实际工作中2015年根据实际情况进行了技术改造,在信号的自动处理和控制方面确实极大的解决了前端信号源质量的保证,使得送入发射机的信号源能够确保“万无一失”。

2 存在的问题

发射台机房原使用的发射机信号源的自动处理和控制系统主要存在不安全的隐患有:整个系统采用同一个供电电源,当其供电电源发生故障后,将会造成整个系统没有信号输出,造成发射机停播;整个系统中的设备发生故障时,没有信号直通输出,也将会造成整个系统或某路信号没有输出,造成发射机停播。因此,当发生以上任何一种故障时,都会造成整个系统或某路没有信号输出,从而导致发射机没有信号输出,造成发射机停播。

3 在实际工作中的技术改造

3.1 供电系统

首先,对控制桌的供电系统采用从配电室直接供电,有单独空气开关控制,减少外围因素。对光收机、卫星信号接收机和发射机信号源的自动处理和控制系统、自动监控系统的供电电源用空气开关单独控制。对空气开关的电源输出再接入UPS不间断电源,而对监控系统、音频工作站的显示器直接采用空气开关供电,不经过UPS不间断电源供给。经过这样的技术改造后,一方面确保了整个系统有良好的电源保障;另一方面保证了在外电发生故障时值班人员能够迅速发现问题,及时处理配电问题,而发射机信号源的自动处理和控制系统的工作正常,避免了因供电电源发生故障而造成发射机没有信号源的停播事故。

3.2 采用音频智能切换器自动切换信号

发射机信号源的自动处理和控制系统是发射机的咽喉,687台采用的是崇远信达生产的CYK-424A音频智能切换器,该智能音频切换控制器是一款集(手动/自动)切换、显示、报警、信号衰减、处理于一身的音频切换处理器。设备按键指示灯共6组,前4组代表4路信源的切换指示状态,第5组代表代表手/自动状态,第6组代表输出允许控制及状态。在信号调节方面,右面的衰减调节器是用来调节输出音频信号幅度的。其旋钮顺时针旋转时衰减的越多,逆时针旋转衰减越少,衰减指示参看输出彩条指示,最多衰减-24 dB;在2015年初更换了升级的音频处理板,目前不需要人工调节,由切换器自动处理音频信号幅度。

音频智能切换器可将输入到发射机的音频信号幅度自动控制在标准的范围内,同时还可以将4路信源优先级从第1路到第4路依次切换输入到发射机的信号,确保送入发射机的信号源为高质量的信号。但该系统的应用后,同时也增加了该系统发生故障的可能性,当它发生故障时,将会造成系统没有信号输出。考虑到此种情况,该智能切换器在第1路输出增加有断电直通功能,使入主机信号接在1路输出上,这样在切换器断电或有故障时信号能正常送出,从而防止因无音频信号输出造成发射机停播。见图1、图2。

3.3 新增跳线器

跳线器实质上就是转换接线板,有故障时甩开多余设备,利用短接线的原理将信号尽快送入发射机。

由于687台采用旧的控制台,音频智能切换器的后面板位置手无法伸入,考虑到一旦遇到音频智能切换器故障,断电直通的第1路此时信号恰好也中断,这样将会因无音频信号输出造成发射机停播。考虑到此种情况,在控制台下方增加跳线器,在前端设备出现故障时利用跳线器直接将输入/输出信号短接。但此时应注意:原则上可以采用跳线器根据所用信源直接进行跳线,但由于各路信源的信号幅度不同,可能需要对发射机的音频输入幅度调整。这是为防止在紧急情况应急处理信号时音频智能处理切换器故障无输出,687台为了手动操作方便而特意创新改进增加的一个信号转换接线板,见图3、图4。

数字处理信号控制器 篇9

电动机的变频控制在乙烯厂生产装置的过程控制中应用十分广泛, 电动机的变频控制是由工艺操作人员通过调整仪表送给变频器的毫安电流信号改变变频器的输出, 从而调整装置现场电动机的转速。在生产实际中经常发生电动机的变频控制失灵, 工艺调整给定值, 而现场电动机无法运行或者转速不变、不能调速等故障, 发生此类故障又该如何处理呢?信号发生器 (FLUKE705型) 的应用给我们提供了一种查找和解决问题的方法, 本文结合工厂电动机的变频控制失灵的实际例子来进行分析、探讨, 并提出了一些预防措施, 以便对今后变频控制电动机的故障查找、正确地解决问题提供一些方法和方向。

2 信号发生器 (FLUKE705型) 简介

信号发生器 (FLUKE705型) 用于测量和输出直流电流信号, 也可仅用于测量直流电压信号 (不能用于输出直流电压信号) 。

其直流电流测量和输出范围是0-24m A;其直流电压测量范围是0-30V。

电压和电流的模式切换通过表盘选择开关在“V”“m A”之间的切换来实现。

直流电流测量和输出的模式切换通过功能键选择“MEAS”测量和“SOURCE”信号源输出的切换来实现。

当信号发生器 (FLUKE705型) 显示屏幕左上角显示“SOURCE”时, 信号发生器处于直流毫安信号源输出模式;当信号发生器 (FLUKE705型) 显示屏幕右上角显示“MEASURE”时, 信号发生器处于直流毫安信号源测量模式。

3 信号发生器的具体应用

注意:信号发生器 (FLUKE705型) 仅在调试和故障查找中进行应用, 严禁在正常运行的变频器控制电动机的控制柜上使用, 否则将影响设备的正常运行。

电动机变频控制原理图如图1所示。

3.1 信号发生器的应用一

工艺操作人员通过调整仪表送给变频器的毫安电流信号给定后, 这一数值是保持不变的, 此时可以在变频器显示屏幕上读出给定的毫安电流信号值, 在故障情况下, 这两个数值可能并不一致。为了检查给定的毫安电流信号值是否送至变频器输入端子, 我们可以应用信号发生器的测量模式 (此时信号发生器屏幕显示MEASURE) 测量变频器输入端子的毫安电流信号值, 检查实际输送到变频器的毫安电流信号值究竟是多少, 以判断变频器屏幕显示的毫安电流信号值是否正确, 也可以判断测量的数值是否与工艺操作人员给定的信号值一致。

3.2 信号发生器的应用二

当变频电机发生调速失灵情况时, 我们还可以拆开变频器输入毫安电流信号端子上的接线, 将信号发生器调至信号发生模式 (此时信号发生器屏幕显示SOURCE) , 用信号发生器给变频器输入毫安电流信号, 检查现场电动机能否正常调速。

如果现场电动机调速正常, 说明电动机的变频控制回路正常、完好, 毫安电流信号给定回路或者元器件发生故障, 需要对毫安电流信号给定回路或者毫安电流信号发生元器件进行检查和测量。

3.3 信号发生器的应用三

当变频电机发生调速失灵情况时, 我们还可以拆开在毫安电流信号发生元器件的信号输出端子上的接线, 用同样的方法给定输入毫安电流信号, 检查现场电动机能否正常调速。

如果现场电动机调速正常, 说明电动机的变频控制回路正常、完好, 而且毫安电流信号给定回路也是正常的, 此时可以判断信号发生元器件或者电路板发生故障, 需要对信号发生元器件或者电路板进行检查、测量或者更换。

通过实际应用我们发现:毫安电流信号的信号发生元器件或者电路板故障或者输出信号衰减情况经常出现, 此时一般需要更换毫安电流信号的信号发生元器件或者电路板;而变频器故障或者变频控制回路故障的情况很少出现。

4 结论

通过以上几个案例分析, 我们可以看到, 在生产实际的故障处理中, 信号发生器 (FLUKE705型) 的应用可以让故障处理人员快速缩小检查范围, 查明故障原因, 尽快地恢复电动机的运转, 保障生产平稳运行。

摘要：变频器控制的电动机在开机或者运行过程中可能会出现调速失灵, 现场电动机停车或着稳定在恒定转速、无法正调速等故障现象, 影响生产现场的生产和运行。本文通过运用信号发生器可以清晰、快速、具体地判断导致故障发生的原因, 查明和锁定故障点的位置, 为快速、正确地解决问题提供一些方法和方向。

关键词：电动机,变频器控制,信号发生器,故障查找

参考文献

[1]信号发生器 (FLUKE705型) 使用手册。

[2]VLT Automation Drive FC300使用手册。

[3]VLT 5000使用手册。

数字处理信号控制器 篇10

内屏蔽铁路数字信号电缆是通过对铁路数字信号电缆中的四线组进行单独屏蔽,以提高电缆的近端串音衰减,有效降低同根电缆内传输相同频率铁路信号时各线组之间的干扰。内屏蔽铁路数字信号电缆主要用于传输铁路信号、系统控制信号及电能,是铁路信号系统非常重要的组成部分。通常内屏蔽铁路数字信号电缆可分为A型和B型两种结构。A型内屏蔽铁路数字信号电缆的缆芯由铜带屏蔽四线组与无屏蔽四线组绞合而成(如图1 所示);B型内屏蔽铁路数字信号电缆的缆芯全部由铜带屏蔽四线组绞合而成。这两种结构内屏蔽铁路数字信号电缆导体均采用标称直径为1.0 mm的铜导线,绝缘均为皮—泡—皮物理发泡三层共挤(所不同的仅是绝缘外径),护套形式有塑料护套、综合护套、铝护套三种[1]。

2 对地电容不平衡E的要求

对地电容不平衡E是指电缆任意一个工作线对与地之间的电容不平衡。由于电缆对地电容不平衡E较大时,将直接影响电缆的传输质量,对行车安全有很大的影响,因此为了保障铁路信号系统的安全性,相对于实心绝缘铁路信号电缆,TB/T3100—2004铁道行业标准对内屏蔽铁路数字信号电缆的对地电容不平衡E提出了更为严格的要求(平均值≤330pF/km,最大值<800pF/km)。同时,原铁道部质量监督检测中心发布的铁路数字信号电缆检测细则中也规定“对外来地电容不平衡属A类项目指标,单项不合格即判定不合格”。以星绞四线组内屏蔽铁路数字信号电缆(如图2所示)为例,电缆任一四线组内红白工作线对的对地电容不平衡Ea1和蓝绿工作线对的对地电容不平衡Ea2的计算公式为:

式中:C10,C20,C30,C40分别为红、白、蓝、绿四根绝缘单线的对地电容[2]。根据上式可知,当C10和C20,C30和C40分别相等的情况下,Ea1和Ea2为零,但这种理论上的理想状态在实际生产中很难达到。

3 生产过程中对E值的控制

现以铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆为例,介绍在生产过程中如何对E值进行控制。该铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆的工艺流程为:拉丝→绝缘→星绞→铜带屏蔽→成缆→内护(套)→铝护(套)→内垫→铠装→外护(套)。数字信号电缆因无内屏蔽,E值只能在铝护工序完成后才能测试,一旦E值出现不合格就要报废,而铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆因增加了铜带屏蔽,使得E值可在屏蔽工序完成后就能进行测试,只有在每一个屏蔽四线组E值合格后才能进行之后的生产工序,避免了较大的浪费。由于屏蔽四线组E值与最终电缆E值较为接近,虽会有变化,通常变化范围为-50~50pF/km,但只要进行合理配组,仍在后面工序的可控范围之内,因此确保屏蔽四线组E值较小十分关键,屏蔽工序的前面工序———绝缘工序和星绞工序成为对电缆E值控制的重要工序。下面就结合我们多年的生产实践,针对各工序中影响E值的因素给出相应的控制措施。

3.1 绝缘工序

绝缘工序是影响电缆E值的关键工序之一,只有两根绝缘单线均匀一致才能保证E值较小,因此在实际生产中必须加强绝缘单线一致性的控制。绝缘单线一致性主要包括绝缘外径、发泡度、偏心度、同轴电容等的均匀一致。目前通常采用皮—泡—皮三层共挤物理发泡绝缘生产线进行绝缘单线的生产,生产过程包括放线 → 拉丝 → 退火 → 预热 → 挤出→冷却→在线检测→收线等。在生产中应通过在线监测系统实时监控绝缘单线的导体直径、绝缘外径、同轴电容等指标的一致性。在整个绝缘单线生产中应对预热温度、挤塑温度、氮气压力、模具配比、冷却水槽温度等关键工艺参数进行严格控制。大多生产厂家因任务紧而实施三班作业,四种颜色的绝缘单线往往需要分班组生产,交接班时下一班组必须密切关注上一班组生产的绝缘单线的指标参数,尤其是同轴电容的一致性。在多年生产实践中发现,当四线组中工作对的两根绝缘单线同轴电容差达到3pF/m,电缆E值会达到500~1 000pF/km,将面临不合格。

3.2 星绞工序

3.2.1 设备状况对E值的影响及其控制

目前通常采用高速星绞机星绞四线组。该设备由四盘无轴式主动放线架、预扭发生器、弓绞收线装置、电控装置等组成。星绞工序中节距的选择与控制对E值的影响较大。由于星绞工艺已相当成熟,因此在生产中星绞节距的选择已无需重点关注,多年的生产实践告诉我们,高速星绞机的设备状况(导轮、放线装置、分离器、扎纱张力装置等)对E值的影响不可忽略,下面将对此进行详细阐述。

生产四线组时,如果绝缘单线经过的导轮、预扭轮、排线导轮转动不灵活、有死点、摇晃,将给绝缘单线施加额外的摩擦力或张力,从而造成批量电缆E值不合格。因此,在生产前必须仔细检查绝缘单线经过的所有导轮、预扭轮、排线导轮,一旦发现上述问题应及时排除,最好是生产厂家定人定期进行整体检修。

高速星绞机采用四盘无轴式主动放线架主动放线,可在最大程度上改善单线的受力状况,同时利用配重对单线施加均衡一致的张力,以防止单线弯曲。为防止放线轴承及配重过度磨损造成绝缘单线放线张力的不均衡,造成电缆E值不合格,生产过程中应定期对放线轴承及配重导轮进行检查。

分离器的作用主要是将已经绞合的四根绝缘单线打开后重新对称绞合,以确保四根绝缘单线的位置对称与稳定,避免E值变大。生产过程中应通过视窗关注分离器的打开情况,如果发现分离器打开状况不良,应及时停车重新安装,否则会使本盘四线组报废或存在质量隐患。由于绝缘单线在高速运行下,其绝缘表面的粉末易粘附在分离器的内孔中,导致四根单线因受内应力而运行不畅,难以保证其结构的对称性,导致E值变大,因此每生产几盘后就应拆下分离器检查,并及时用酒精棉擦拭内孔。

扎纱张力主要是通过张力环来施加。张力过小,聚酯纱起不到扎紧四线组的作用,四线组在成缆过程中易受挤压,导致四根绝缘单线相对位置变化而不再对称(即四根绝缘单线偏心程度加大),从而E值变大;张力过大,聚酯纱在绝缘单线上留下勒痕,损伤绝缘单线的绝缘机械性能。因此,在生产过程中应定期对张力环进行检查。

综上所述,为了确保屏蔽四线组E值较小,必须保证高速星绞设备的稳定性,生产厂家在生产前应对所有设备关键点进行仔细检查,发现问题应及时更换备件,尤其是为保证所有轴承及导轮的磨损一致,可采用定期整体更换的方法。

3.2.2 电容耦合值K2、K3的控制

星绞四线组电容耦合值K2、K3分别为实路Ⅰ(红白工作对)和实路Ⅱ(蓝绿工作对)对幻路的电容不平衡(如图2所示),其计算公式为:

式中:C13,C14,C23,C24分别为红、白、蓝、绿四根绝缘单线的相对电容[3]。 虽然K2、K3不属于TB/T3100.1—2004标准中规定的必测电气指标,且与铝护套中绝缘单线的Ea1或Ea2也无线性关系,但因K2和Ea1都与红白工作对的一致性有关,K3和Ea2都与蓝绿工作对的一致性有关,因此在生产过程中同样应进行严格控制。通过多年生产实践发现,当K2、K3实测值(绝对值)大于300pF/km,则Ea1、Ea2可达到500~1 000pF/km,将面临不合格。此时必须综合考虑每批次的生产状况,严密关注屏蔽、成缆、铝护工序对四线组E值的影响,以判断E值的变化趋势,避免电缆E值出现不合格。

3.3 屏蔽工序

屏蔽工序是在四线组外包覆一层铜带。屏蔽工序中采用的模具太大易使四线组松散,排线后紧压会导致四线组在铜带内被压扁,四根绝缘单线相对位置改变造成E值偏大;模具太小容易导致铜线、铜带及内部绝缘带材被拉断,影响电缆的质量。因此,屏蔽工序中的控制要点就是模具的合理选用,以及生产中定期检查各种模具的尺寸,避免因过度磨损造成模具尺寸出现偏差。

在屏蔽工序后(或铝护工序后)发现绝缘单线的Ea1或Ea2增大,应先将同组绝缘单线更换线位(即红白工作线对与蓝绿工作线对同时改变放线位置)再一次进行Ea1或Ea2的测试。如果重新测得Ea1和Ea2的数值大小反过来,则可基本断定高速星绞工序出现问题;如果重新测得Ea1和Ea2数值没有改变,则应该考虑是否绝缘单线一致性出现了问题。

3.4 成缆工序

在生产内屏蔽铁路数字信号电缆时,应注意E值的合理配组,以求在符合标准要求的情况下,最大程度减少报废。虽然从总体上讲成缆工序对电缆E值影响要小于绝缘工序和星绞工序,但在成缆中也应确保所有的过线部分导轮都转动灵活、各摇篮架放线张力均匀。为保证缆芯圆整、紧凑,应选用合适的紧压模具,特别在生产A型铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆时尤其应避免缆芯中非屏蔽四线组被挤压。以规格为37A的内屏蔽铁路数字信号电缆为例(如图3所示),两个蓝色屏蔽四线组之间的白色非屏蔽四线组,很容易受挤压造成结构不对称,从而引起E值突变和电容增大。

B型内屏蔽铁路数字信号电缆在屏蔽工序后即可获得所有绞合的屏蔽四线组的E值,只要进行合理配组,后面工序就可容易地对电缆E值实现控制,基本上可以确保E值满足标准要求。而A型内屏蔽铁路数字信号电缆的E值控制难度则较大。通常A型铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆的内屏蔽线在成缆工序后将所有的屏蔽铜带连到一起后作为地,分别测试每一个四线组的Ea1和Ea2值,屏蔽组测得的E值与铝护工序后测得的E值差别不大,基本可以反映此电缆E值的真实水平。但A型铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆的非屏蔽四线组因无铜带屏蔽,其测得的E值和最终铝护工序后测得的E值有差别的,经过大量的数据统计,未发现有规律性的变化,因此应在绝缘工序、星绞工序、成缆工序中对E值预留出一定的余量,以免铝护工序后因E值不合格而导致电缆报废。

3.5 铝护工序

铝护工序中铝管的焊接密闭性、扩口压扁性等结构性能均会影响电缆的E值。同时,为了防止E值发生突变,还应避免缆芯在铝管中成蛇形弯曲,保证缆芯在铝管中的间隙量保持一致。因此,在铝护工序中必须采用合适的模具配比、一致的收放线张力。

4 结束语

铁路电缆产品的质量关乎着铁路行车的安全性,本文对铁路信号系统非常重要的组成部分———内屏蔽铁路数字信号电缆的对地电容不平衡指标的定义及各道生产工序中影响因素的控制方法进行了详细介绍。只有保证内屏蔽铁路数字信号电缆的生产过程达到精确控制,才能生产出对地电容不平衡指标合格的产品,提高电缆的传输质量,确保铁路行车的安全性。

参考文献

[1]铁道部.TB/T 3100.1—2004铁路数字信号电缆第1部分:一般规定[S].北京:中国铁道出版社,2004.

[2]王春江.电线电缆手册:第1册[M].2版.北京:机械工业出版社,2008.

数字信号处理课程教学改革探索 篇11

【关键词】数字信号处理课程 教学改革 应用型人才

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）11C-0163-02

数字信号处理是测控技术与仪器专业的一门专业课，理论性和实践性都很强。随着数字技术在测控领域的广泛应用，该门课程的重要性日益凸显。但在应用型高校，教学实践的反馈却不容乐观。学生觉得课程难学，同时学完之后感觉收获不大，不知如何应用。现行教材以及教学方法与应用型人才培养目标的脱节，是产生这一现象的重要原因。基于此，我们对数字信号处理课程的教材、教学模式、考核方式等进行了改革，其目的是探索一套适合学校定位和学生实际的教学方法，使学生能够真正学有所得，学能所用，切实提高课堂教学效率。

一、数字信号处理课程教学存在的问题

在课程教学上，多数应用型高校并未真正厘清与研究型高校的区别，无论是教材选用还是教学方法的采用，都盲目照搬，既没有自己的特色，也不符合自己学生的实际需求。总的来看，存在以下问题：

第一，教学内容理论介绍过多，实践技能介绍偏少。枯燥的理论使部分学生心理上产生为难情绪，而缺少应用技能的介绍，则使学生学完之后不知如何应用，反过来进一步加剧了对课程内容的厌烦，降低了学习兴趣。

第二，教学过程理论论证过多，图像演示过少。数字信号处理实际上是一门实践驱动型的课程，每一个课题都来源于实践，都可以通过信号处理的实际结果来加以说明。通过图像来演示不同方法处理数字信号的结果，有利于深刻理解数字信号处理的基本原理，增加课程的趣味性。

第三，教材编排比较呆板，缺乏目的性，不利于课堂教学效率的提高。现行教材基本上按照理论体系来编排章节，这虽然提高了章节的逻辑性，但同时也造成整个课程知识点的模糊，导致学生上课心中无数，学完也不知如何应用。

第四，教学方法上知识灌输较多，学生主动参与较少。这种老师唱主角的教学方法，不关心学生的差异性，不符合“以学生为主体”的教学内在要求，也不符合“因材施教”的教学规律。可能造成“不该讲的讲多了，该讲的讲少了”的局面，教学效率不高。同时，课堂缺少学生的积极参与，也不利于学生的自主学习能力和独立思考能力的培养，其结果就是学生走上工作岗位后解决实际问题能力的缺乏，这是目前高等教育广被诟病的一个大问题。要想解决这一问题，必须加强学生思维能力的训练，让学生的脑筋转起来。训练的最好平台，就是课堂。

二、数字信号处理课程教学改革实践

为了与应用型人才培养的目标相契合，提升学生应用知识解决问题的能力，提高课堂教学效率，我们对数字信号处理的教学进行了全方位的改革，包括教学组织、教材编写、考核方式等方面。

1.贯彻“以问题为中心”的教学方法，把课堂还给学生，培养学生“发现问题，提出问题，解决问题”的能力，提高课堂教学效率。主要流程如下：

（1）把班级同学划分为若干学习小组（比如按照宿舍来划分），作为课程学习、讨论、撰写研究报告的基本单位，小组的学习活动由小组长负责。

（2）以网络为载体，在课堂教学前把将要学习的主题、基本理论知识等挂在网上，供学习小组预先讨论、学习，并汇总需要解决的问题。

（3）课堂教学以学生讨论为主。首先由每个小组将提出的问题列出，教师对问题进行梳理和补充；然后针对每个问题，学习小组进行讨论。

（4）通过讨论得到各个问题的结论，未能得出结论的，由教师进行进一步讲解，最终达到解决问题的目的。

（5）学习小组根据课堂所学内容，完成相应课后研究性作业，撰写研究报告。

2.编写配套教材，增强工程应用训练。为了与上述教学方法相适应，我们重新编写了数字信号处理教材。与传统教材相比，新编教材在体例、结构上都有所突破，独具特色。主要特点为：

（1）教材以专题为基本的组织形式，共分15个专题。每个专题集中阐述数字信号处理中的一个知识点，大概占一次课（两个课时）的分量，目的是希望每堂课能真正解决一个问题，切实发挥课堂教学的作用，提高教学效率。若干个专题围绕一个主题展开，这些专题将组成一章。因此，在书中章的结构是松散的，专题才是核心。

（2）每个专题按照“理论基础—应用基础—问题讨论—知识运用—实战演练”五段式结构来编写。

理论基础介绍每个专题所涉及的基本理论，本着“够用”的目的，只对最基本的理论作介绍，不作深入的原理推导。

应用基础介绍相关应用技能，特别是运用MATLAB进行信号处理的相关函数和命令。

问题讨论则注重于对理论的理解，围绕专题中的理论知识，以提问的形式来对理论进行阐释。

知识运用聚焦于运用理论知识和应用技能来解决实际问题，运用大量实例来演示如何进行实际的分析和设计；而反过来，实际的应用过程，也有助于加深学生对理论知识的理解。

实战演练则是留给学生的研究性作业，旨在让学生能学以致用，在理解的基础上独立运用所学知识解决实际问题。

3.改革考核方法，增强应用能力考核。应用型人才培养的一个重要指标，是学生必须能解决实际问题。这一能力，要靠平时的点滴积累。考核的主要导向是弱化闭卷考核，强化过程考核，重视应用能力，避免“一卷定终身”现象。考核主要方式为：

（1）发现问题能力考核，占总成绩的30%。每个学习小组在课堂上提出问题、参与讨论问题的情况都要详细记录，作为课程考核的一项重要内容。以小组为单位进行考核的原因在于：一方面有利于课堂讨论的顺利推进，另一方面也是培养学生团队协作精神的举措。

（2）应用能力的考核，占总成绩的40%。应用能力考核主要通过课后研究性作业和综合设计两部分组成。每个专题的实战演练部分，要求学生按照工程设计要求来完成，做到论证充分、数据详实、结论清晰，完成后撰写研究报告，所有15个专题的研究报告连同综合设计报告要汇编成册，作为期末考核的重要材料。

（3）知识能力考核，占总成绩的30%。这部分主要考核学生对基础理论掌握的程度，以闭卷考试的形式进行。

三、改革效果与存在的问题

上述教学改革在常熟理工学院实施了两年，总的来看，取得了较好的效果，许多预期的目标得到改善。主要表现在：

第一，学习内容更加清晰。学生普遍反映，15个专题的教材编排，让他们对数字信号处理课程要求掌握的主要内容，以及这些内容的主要作用更加清晰，基本理顺了各个知识点所涵盖的理论知识和所需要的应用技能。

第二，应用技能大幅提高。通过15个专题的研究性作业训练，学生基本掌握了如何进行频谱分析，如何设计数字滤波器等基本技能。知识学习和知识运用相得益彰，不再互相脱节，学习的目的性更明确。

第三，学习积极性和主动性得到改善。由于提问和讨论占考核比重较大，逼迫学生参与到课堂进程中，使他们由“带着耳朵上课”，逐步改变到“带着脑袋上课，带着嘴巴上课”，课堂气氛有所改善。通过学生自己提出问题，也能够使他们更加深刻理解相关问题的难点所在，从而知识掌握得更加牢固，教学也更能“有的放矢”，效率有所提高。

在实践中，也存在一些问题，使预期的教学目标未能完全实现。主要有：

其一，课堂讨论的顺利推进需要更有效的措施。受传统方式的影响，学生参与课堂讨论的主动性还不够，这可能会影响到教学进程的进行。“以问题为中心的”教学方式，希望通过学生的讨论来求得问题的解答，借此锻炼学生解决问题的能力。如果学生的讨论需要教师的催促和点名，将会达不到预期的目的。这一问题的解决，需要耐心和时间，也需要教师提高掌控教学进程的能力。

其二，如何保证学生完成研究性作业的独立性，还需要更合理的考核方法。研究性报告的撰写，应该是培养学生工程设计能力的好方法，但是由于研究性作业需要在课后花一定的时间才能完成，存在互相抄袭的可能，这给最后成绩的评定带来一定困难。一组一题或许是解决之道，当班级人数较多时，这需要教师提供更多的研究性课题。

其三，学习小组成员之间的协作互助机制，还需要进一步完善。划分学习小组的主要目的是提高问题讨论的有效性，因为课前预习环节需要充分的讨论才能凝练出有价值的问题。但实践中也发现，学习小组成员参与课堂讨论的程度并不均衡，有的成员积极主动，有的成员则较为被动。由于讨论、研究性作业等基本上都以小组为单位进行，从而被动型成员始终得不到相应的训练，最终应用技能所得甚少。如何保持学习小组的协作性和成员独立性的同步发展，还需要进一步的探索。

总之，应用型人才的培养是当前企业界对高校的期待，也日益成为教育界的共识，应用型高校对此责无旁贷，应该有所担当。为满足这一教学需求，应用型高校的相关课程的教材教法必须大胆改革，与研究型高校有所区别，才能真正立足，取得实效。数字信号处理课程的改革实践，是我们所做的一点尝试，希望能起到抛砖引玉的作用，为人才培养模式改革的大潮增添浪花。

【参考文献】

[1]刘旭，梁婷.高效课堂教学改革：一种教师课程意识的思考[J].教师教育研究，2012（6）

[2]郭玉莲.课堂教学模式改革谈论[J].教育理论与实践，2012（10）

[3]朱德全，张家琼，桂平.提升课堂教学有效性的实践探索[J].教育研究，2010（4）

[4]易奇志.探索大学课堂教学的有效性[J].广西师范学院学报，2010（4）

【基金项目】江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015C215）

【作者简介】钟黎萍（1970— ），男，湖南桑植人，常熟理工学院电气与自动化工程学院副教授。

数字处理信号控制器 篇12

利用激光探测大气气溶胶和云雾物理学特性,是起步最早、应用最广的激光大气遥感研究领域,主要研究内容包括云高、能见度、大气边界层高度、烟尘污染扩散等大气现象。半导体激光云高仪是激光雷达的一种,是传统的雷达技术与现代激光技术相结合的产物,利用这种主动遥感手段,可以得到大气中气溶胶和云雾的垂直分布信息[1]。此处设计的云高仪采用近红外波段的半导体激光器,根据米散射理论可以反演出以上云高和能见度等参数。

但是,在云高仪的接收端接收到的大气气溶胶对发射激光的后向散射信号非常微弱,加上相对较强的背景噪声和系统内部噪声,上述云高等信息难以直接获取。因此,半导体激光云高仪的信号采集和处理方法乃至系统控制直接影响整个系统的性能[1,2,3]。近年来,国外已经有半导体激光云高仪得到了应用[1],典型的代表是Vaisala公司的CL31,该型云高仪利用DSP实现了系统控制和信号处理,完成了系统的小型化,可以获得7 km以内的云层参数、工作周期2~120 s、距离分辨率10 m。国内也出现过半导体激光云高仪,但是无论性能还是小型化程度均有待提高。本文将瞄准国外先进激光测云技术,针对半导体激光云高仪系统噪声具有高斯白噪声(AWGN)的统计特性,设计了高速数据采集和处理、系统控制方案:利用流水线并行AD实现高速数据采集;利用DMA实现数据的传输和存储;充分利用DSP的中断资源实现数据的处理、收发时序控制及数据上传。实验证明该方案可以在实时快速实现数据采集、处理及上传(最高采样率60MSPS即距离分辨率可达2.5 m,最小工作周期小于2 s)的同时完成系统的收发时序控制,并能有效提高后向散射信号的信噪比、辅助气溶胶等参数的反演。

1 测云原理和系统组成

半导体激光云高仪自动测量系统总体结构如图1所示。

半导体激光云高仪自动测量系统集成了光、机、电及计算机控制等高新技术,为使得该系统工作稳定可靠、体积相对小巧、自动化程度较高,电路设计更加注重模块化、数字化和智能化。系统电路部分的组成如图2所示,主要包括电源、激光器发射电路、接收低噪放及高速采集电路、系统控制与信号处理主板、系统工作状态采集以及系统维护电路等,主要功能包括:完成全系统的交直流供电,完成激光器驱动和激光器脉冲宽度/能量/重复频率控制,完成APD模块的高压供电、温度补偿和原始后向散射信号的滤波放大,实现后向散射信号的高速采集和数字信号处理,完成温度、倾角、光强和电压等重要状态参数的获取,实现系统的故障判断,实现测量数据的上传,实现窗口镜在雨雪等恶劣天气条件下的自动清洁。

系统工作时,半导体激光器向空中发射激光脉冲,该激光脉冲在向上传播的过程中,不断与大气中的气溶胶粒子相互作用。当激光从大气进入云雾时,在云雾中、尤其是云的边界处将会产生较强的后向散射,散射信号的大小与激光功率、云底高度、云雾的类型和细节、大气特性和激光云高仪性能参数有关,这样,通过分析激光回波的变化,可以判别云底位置、计算云高和能见度、分析大气结构的细节。一旦向上传播的激光脉冲进入接收望远镜的视场,则激光与大气物质相互作用所产生的光回波信号将被接收望远镜接收,经信号检测和处理后即可得到激光回波信号。工作过程如图1所示。

一方面,激光雷达的发射光和回波光在大气中来回传播将受到大气的衰减;另一方面,激光雷达的回波信号强度还与激光雷达配置(激光器功率、探测器灵敏度等)和技术应用方面的因素有关。在单波长的条件下,米散射型激光雷达方程可用下式表示[4]:

其中:P(z)为雷达回波信号(W),LP0 M∆z只与系统本身有关(包括激光雷达的校正常数L,激光发射功率P0,接收望远镜面积M,探测的高度分辨∆z),称为系统常数(W·km3·sr);β(z),σ(z)分别为距离z处大气总的后向散射系数(km-1·sr-1)和消光系数(km-1),可以通过此雷达方程反演得到。

在总体上激光雷达信号呈现与距离平方反比的衰减趋势;而在局部,则由于大气不稳定性以及噪声(光电探测器的各种噪声以及天空背景辐射等)的影响引起一定的随机不可预测的起伏。上述云底云高、垂直能见度及云雾细节等信息都可以或强或弱在激光后向散射信号的特征中得到反映。所有测量过程都会引入噪声,累积和滑动平均等数字滤波是消除各种平稳噪声的常用方法[5]。

基于安全、经济和系统小型化考虑,很多云高仪采用功率较低的半导体激光器,探测器直接接收到的后向散射信号中的有用信息基本被环境光背景和电噪声淹没,而且这些噪声强度往往难以预测。由于单个脉冲的后向散射信号中云层散射回波微弱且有用信号带宽内的噪声很强,传统的基于单个脉冲后向散射信号频域特点的滤波方法无法从被噪声淹没的信号中提取有用信息,而且为了抑制噪声,这些滤波方法往往会将有用信号展宽。累积平均的特点就是让激光器发射大量的周期性脉冲、在接收端对回波信号按照该周期进行分段累加。假定对被测信号P(z)(由有用信号S(z)和零均值、标准差为σ的高斯白噪声n(z)组成)做m次同步累积,那么累积平均结果为

其中Z为脉冲周期与光速的乘积。这样有用信号会因累加而增强,而其中的随机噪声则会被削弱,分段累积平均后的信号信噪比将得到倍提高,可见平均次数越多信噪比提高越多。但是由于天气条件随机变化(例如,云层移动)等因素,平均次数和分段周期将受到限制,与提高信噪比形成矛盾。平均次数太多,一方面会影响处理结果的实时性,另一方面由于天气条件的随机变化而破坏后相散射信号的细节特征;分段周期太长同样会影响处理结果的实时性,但是缩短分段周期又会对系统硬件的存储和运算能力提出了更高的要求。因此,本方案权衡以上矛盾,充分结合硬件特征和信号处理过程,设置激光脉冲重复周期200µs(也就是分段周期),最高采样率可达60 msps,每周期采样前210点,分段平均214次,完成一次累积平均时间低于2 s,基本可以忽略天气条件变化带来的影响。

2 系统控制和信号处理方案实现

整个数据采集和信号处理电路是半导体激光云高仪的核心,不但要实现回波信号的实时采集和处理,还要完成对测量过程和整个系统工作时序的控制和维护,保证激光发射、回波信号接收放大和数据采集等过程的有序进行,并对数据进行实时存储和上传。

探测器接收到的信号信噪比极低,经过几级滤波放大可以适当提高信噪比并将模拟信号调整到高速AD采集的动态范围内。高速AD根据需要采用流水线型10 bit并行工作方式,该AD芯片的最高采样率可达60 msps。通过一级高速缓存,AD采集的结果发送给主芯片。由于一方面采样频率很高、另一方面每段样本采样点数量很高,将高速采集的结果传送到主芯片内存以方便下一步处理是系统的难点之一。信号处理和控制主芯片采用Ti的TMS320VC5509A芯片,应用CCS3.0开发环境。该芯片符合系统的高速数据采集、处理和时序控制的各种需求,通过TMS320VC5509A所具有的直接存储器接入(DMA)能力,可以实时将高速缓存内的采样数据传送到主芯片内部存储器。以TMS320VC5509A为核心的数据采集和信号处理电路主要功能如下(电路方案框图如图2所示)。

控制激光器驱动、产生触发脉冲,实现对激光器工作过程的控制;

产生高速采集的同步时钟,实现高速数据采集的时序控制和运算数据的存储;

实现对高速采集获得的后向散射信号进行分段平均等滤波降噪处理;

通过低速AD采集实现对系统状态信息的获取和处理,从而对系统进行故障检测;

实现与上位机之间的通信接口控制,利用5509的MCBSP、MAX3100和MAX3222构成隔离RS232接口,实现与上位机之间通信。同时利用5509的USB接口实现廓线数据和其他状态参数的存储。

3 程序设计

根据前节后向散射信号降噪原理,对这种微弱信号的采集和处理是该系统提高性能的关键点。针对后向散射信号的特点,不仅要求采集速率高、样点多,而且要求传输、存储和处理过程都尽量简单、快速和有序。设计的数据采集和处理工作时序如下述(程序流程如图3所示)。

DSP通过clkout输出分频时钟40 MHz分别为高速AD采集和发射机触发脉冲形成提供时钟;

发射机用的5 k Hz触发脉冲(接到启动AD),一方面接到INT作为中断源启动DMA、启动AD,另一方面接到TIN作为Timer1计数触发事件;

DMA的同步事件为AD转换时钟,同步事件时钟(周期50 ns,相当于10个cpu周期,满足要求)的上升沿实现1 Byte数据从缓存到内部DARAM的快速传输,每样本周期200µs除去AD和DMA时间剩余150µs左右,满足1 000次内部RAM累加要求;

Timer1预置数16 384作为样本数目,达到后停止高速AD、DMA和运算过程,根据需要可以对累积平均之后的结果进行数字滤波,并充分利用flash空间和非易失特点、将最终结果保存一份到flash,开始低速AD和接口通信,完成数据上传。

4 实验数据

实验系统采用905 nm波长的半导体激光器和Si APD探测器,激光器脉冲宽度为100 ns、重复频率为5 k Hz。根据米散射理论,905 nm激光在大气传播过程中,会由气溶胶和云雾产生后向散射,该后向散射信号会随着探测距离的增加而削弱。因此,APD直接获取、或只经过简单放大滤波的后向散射信号的信噪比太低,必须经过上述信号处理,根据降噪后的后向散射信号的强弱细节方可反演出云底云高、垂直能见度等大气参数。下面将对比原始信号和经信号处理后的后向散射信号,从而验证信号处理方法和时序的有效性。

图4所示数据利用该系统于2010年8月18日获取自合肥市西郊董铺岛。第一组数据是APD获取的信号经过两级滤波放大之后的结果(单个激光脉冲的后向散射信号,上为原始信号,下为再经11点S-G平滑滤波结果),第二组数据是经过16 384次分段累积平均之后的结果(上为原始平均结果,下为再经11点S-G平滑滤波结果)。从第一组数据中难以反演出实验所需的大气参数,而从第二组数据中很容易观察到后向散射信号中的突变,可以反演出3.1 km处的云高。再对两组信号的统计特性进行分析(信号经交流耦合,均值为零),根据米散射激光雷达方程,随着垂直高度的增高,后向散射信号会越来越弱,直到与噪声功率相比可以忽略不计。因此在后向散射信号微弱的距离较远处,云高仪所接收到的回波信号中噪声占据主导地位,此处信号的统计特性与噪声的统计特性相近。比较两者在后向散射信号较弱处的标准差,前者为0.932V,后者为0.009 V。可见后者信噪比提高明显,有用信号的幅度按求和的分段样本总数加权,而噪声由于其加性高斯白噪声AWGN的随机特性,能够被部分消除,高斯白噪声的抑制程度、也就是信噪比提高量大致与分段样本总数的平方根相当。

5 结论

基于米散射理论的半导体激光云高仪可以用于探测反演云高、垂直能见度等大气参数,但是APD探测器获取的大气气溶胶后向散射信号信噪比较低,难以直接用于反演这些大气参数。分段累计平均对于剔出后向散射信号中的高斯白噪声非常有效,但是它对数据采集和处理提出了较高的要求。权衡测量实时性和信噪比之后,提出了一种半导体激光云高仪时序控制和信号处理实现方案,实现回波信号的实时采集和处理,完成对测量过程和整个系统工作时序的控制和维护,保证激光发射、高速数据采集等过程的有序进行,并对数据进行实时存储和上传。经对比实验验证,该方案工作情况良好,能够明显提高后向散射信号信噪比、帮助大气参数的反演。

摘要：半导体激光云高仪APD探测器获取的大气气溶胶后向散射信号信噪比较低,难以直接用于反演云高、垂直能见度等大气参数。针对后向散射信号的这种特点,提出了一种半导体激光云高仪时序控制和信号处理实现方案,在完成后向散射信号的高速采集、分段累积平均的同时实现整个系统发射、接收、维护、数据存储和上传等复杂时序控制。经对比实验验证,该方案工作情况良好,能够明显提高后向散射信号信噪比、帮助大气参数的反演。

关键词：半导体激光云高仪,高斯白噪声,分段累积平均,高速数据采集

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