数字信号处理课设报告.docx
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数字信号处理课设报告
燕山大学
课程设计说明书
题目：
虚拟电子琴设计
学院（系）：
电气工程学院
年级专业：
学号：
学生姓名：
指导教师：
职称：
电气工程学院《课程设计》任务书
院（系）：
电气工程学院基层教学单位：
自动化仪表系
学号
学生姓名
（专业）班级
设计题目
虚拟电子琴设计
设
计
技
术
参
数
（a）利用Matlab设计基于虚拟琴键的信号发生器。
（b）基于单片机对按键输入操作的识别，通过串口发送请求指令给上位机，启动相应琴键发声。
在发出不同琴键声音的同时，同时控制单片机系统的LED显示琴键音节数字及波形参数（如幅度、频率等）。
（c）扩展：
也可编制程序自动生成一节旋律，或进行组合和弦声音输出。
设
计
要
求
要求至少输出7个音符的信号并实现相应信号的频谱分析，对比不同信号的时域波形和频谱特性。
其中可调参数包括幅值、相位、频率、采样频率等。
设计软件分析界面。
工
作
量
两周的课程设计时间，独立完成了一份课程设计报告书，包括设计的基本原理、设计思路与设计的基本思想、设计体会以及相关的程序代码和软件界面的设计。
参
考
资
料
1）《微型计算机控制系统》赖寿宏，机械工业出版社（教材）
2）《单片机及应用》李大友，高等教育出版社（教材）
3）《信号处理原理及应用》谢平等机械工业出版社（教材）
4）《Matlab程序设计及其在信号处理中的应用》聂祥飞等西南交通大学出版社
5）自选其他有关资料
周次
第一周
第二周
应
完
成
内
容
熟悉伟福单片机编程环境，调试单片机各基本功能模块；熟悉matlab信号处理工具箱，信号处理系统基本功能模块学习和调试
单片机系统与信号处理系统综合进行硬件调试，
撰写课程设计报告
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式四份，系、指导教师、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
目录
目录………………………………………………………2
第一章摘要…………………………………………………3
第二章系统总体设计方案………………………………4
第三章信号处理模块基本原理…………………………5
第四章matlab软件实现…………………………………7
4.1图形界面设计………………………………………7
4.2matlab编程…………………………………………8
4.3存在的问题…………………………………………13
第五章课设心得及总结……………………………………14
参考文献………………………………………………………15
附录………………………………………………………………16
第一章摘要
目前，音频信号处理技术发展迅猛，其中数字信号处理已成为主流。
数字信号适合计算机处理，数字信号的处理速度非常快，发展前景非常广阔。
Matlab是矩阵实验室的简称，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级计数计算语言和交互式环境。
本次“单片机原理及其应用——数字信号处理”课程设计的题目为虚拟电子琴设计。
要求上位机和下位机通过串行通讯技术共同控制并实现。
本文着重介绍了上位机利用matlab产生虚拟信号发生器，产生不同频率的信号对应不用琴键的音调，通过串行口传给下位机实现功能。
在matlab中利用GUI界面设计软件分析界面，对产生的虚拟信号做时域和频域的分析。
关键词：
matlab，虚拟电子琴，数字信号
第二章系统总体设计方案
根据课程设计任务书要求，设计7个音符信号，利用matlab设计对应7个虚拟琴键，没按下一次琴键，通过串口通讯技术，对单片机传送，单片机对接收到的信号进行识别，启动蜂鸣器发出相应频率的音调，同时控制LED显示琴键音节数字和16*16LED点阵显示琴键音节字符。
扩展部分：
编制一段简单旋律自动输出。
下面具体介绍上位机控制实现部分。
下位机控制和实现部分见单片机课程设计报告。
在matlab中主要涉及的问题是：
第一，设计7种不同频率的信号发生器对应七种不同的音调；第二，对这七种不同频率的信号进行时域和频域分析，计算一些参数值进行对比；第三，学会使用GUI界面，设计虚拟电子琴界面，其中包括时域和频域图形显示模块，频率，幅值等参数显示模块，虚拟琴键模块等。
时域分析
频域分析
第三章信号处理模块基本原理
一、常用的虚拟信号发生器一般可产生正弦信号，方波新号，三角波信号，锯齿波信号，脉冲信号，阶跃信号，斜坡信号等。
对应的数字信号又可称为离散信号，即时间为离散变量的信号。
它只是在离散时间上给出的函数值，是时间上不连续的序列。
离散时间的间隔是均匀的，以
表示。
的值是由信号的采样频率
决定。
为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成份为2倍。
这是采样的基本法则，成为采样定理。
Matlab程序提供了常用的各种基本信号的生成函数。
本设计中主要应用正弦信号，直接调用matlab提供的函数。
二、正弦信号的实现
正弦信号的数学表达式如下（2.1）所示
（2.1）
其中：
A为幅值；
为频率；
为相位。
在matlab中，将时间变量离散化并构成一个一维数组，如下式（2.2）所示
（2.2）
其中：
为采样频率。
相应的正弦波信号的数字信号表达式如下（2.3）
（2.3）
三、虚拟电子琴的功能是基于虚拟信号发生器的。
通过调用虚拟信号发生器产生一系列指定的频率的正弦信号，对应相应的虚拟琴键，通过按键和串口通讯使单片机的各个模块实现功能。
虚拟电子琴界面上设计了七个虚拟琴键1—7，每个按键对应一个频率的正弦波新号，各按键对应的信号频率分别为：
440Hz，494Hz，554Hz，587Hz，659Hz，740Hz，831Hz。
当用鼠标按下对应的键时，就可发出相应频率的声音。
四、当载入一段简单音频信号（“music.Txt”）时，通过在matlab中编程，实现for循环，相当于连续自动按下虚拟琴键，并通过串口发送到单片机部分连续接收，识别，做出连续的响应，产生一段连续的音频信号，形成一段旋律。
、
五、一些重要参数指标
标准差：
也称均方差，是个数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差平方和平均后的方根，用
表示。
标准差是方差的算术平方根。
标准差能反映一个数据集的离散程度。
方差：
是各个数据与平均数之差的平方和的平均数。
用来度量随机变量和数学期望之间的偏离程度。
峰峰值：
在规定的时间范围内，正向与负向峰值之差。
第四章matlab软件实现
Matlab是美国mathworks公司出品的商业数学软件，用于算法开发，数据可视化，数据分析以及数值计算的高级计数计算语言和交互式环境。
matlab开发环境是一套方便用户使用的matlab函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。
它是一个集成的用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了m文件的集成编译和调试环境，包括matlab桌面，命令窗口，m文件编辑调试器，matlab工作空间和在线帮助文档。
4.1图形界面设计
主要分成三部分：
第一为波形显示区，显示相应音频信号的时域和频域波形；第二为按键区，用于虚拟琴键实际操作；第三为参数显示区，通过调用matlab中函数，计算相应的参数值，进行分析和对比。
打开matlab，进入GUI图形设计界面。
在新建一个空白的图形界面文件，添加如下控件并设计布局。
（1）添加2个axes控件，用于显示时域和频域波形；
（2）添加8个statictext，用于标题及参数名称的标注；
（3）添加7个edittext，用于各参数值的显示；
（4）添加9个pushbutton，用于七个虚拟琴键，音乐载入和关闭界面功能。
（5）添加2个panel，将相关的控件框在一起。
双击各个控件，打开其属性编辑窗，即可改变其名称，大小，颜色等属性，最终设计好的界面如下：
4.2matlab编程
当GUI界面创建完成之后，点击运行即可自动生成包含各个控件回调函数在内的m文件。
Matlab对于编辑文本，按钮等空间的相应都是通过自动调用相应的回调函数来实现的。
回调函数即在一定的操作下自动执行的指令代码。
4.2.1matlab环境下PC机和单片机串口通讯模块
在matlab环境下，实现串口通讯的方式有两种——查询和中断。
在本次设计中用的是查询方式。
matlab对串行口编程控制主要分为四个步骤。
1）创建串口设备对象并设置其属性
2）打开串口设备对象
3）读/写串口操作
4）关闭并清除设备对象
function[]=dtmf_series（Key）
ss=serial（'com1'）;%创建串口1设备对象ss
ss.BaudRate=2400;%波特率为2400b/s
ss.DataBits=8;%通讯数据格式为8位数据位
ss.Parity='none';%无奇偶校验位
ss.StopBits=1;%1位停止位
ss.TimeOut=60;%设置一次读或写操作最大完成时间60s
ss.DataTerminalReady='off';%数据终端准备
ss.RequestToSend='off';%请求发送
ss.FlowControl='none';%流量控制
ss.InputBufferSize=1000;%输入缓冲区
fopen（ss）;%打开串口设备对象
fwrite（ss,Key）;%写串口，发送握手信号key
%释放串口设备对象
fclose（ss）;%关闭串口设备对象
delete（ss）;%删除内存中串口设备对象
clearss%清除工作空间中串口设备对象
end
4.2.2虚拟琴键模块
1）设计方案中设计了七个虚拟琴键，对应的频率值为440Hz，494Hz，554Hz，587Hz，659Hz，740Hz，831Hz。
对1-7这七个虚拟按键进行回调函数设计。
虚拟键盘模块的设计实在GUI界面上，把键设计出来后，激活后自动生成m文件。
程序内容包括：
对应频率正弦信号的载入，通过串口传输给单片机，时域频域波形分析，一些参数计算值。
例如对按键1的回调函数：
functionpushbutton1_Callback（hObject,eventdata,handles）
根据回调函数找到琴键1的主函数位置，在对应下面编写。
globalss;
r=1;
dtmf_series（r）;
t=0:
0.0001:
0.01;
A=3;
f=440;
p=0;
y=A*sin（2*pi*f*t+p）;
set（gcf,'CurrentAxes',handles.axesTime）;
plot（t,y）
axis（[00.01-55]）
xlabel（'time（s）'）;
ylabel（'amplitude'）;
title（'时域波形'）;
gridon;
fs=1000;
frequency_domain（handles,y,fs）;
[A,B,C,D,E,F]=index_calculation（y）;
set（handles.textMean,'string',num2str（A））;%平均值
set（handles.textStd,'string',num2str（B））;%标准差
set（handles.textVar,'string',num2str（C））;%方差
set（handles.textMax,'string',num2str（D））;%最大值
set（handles.textMin,'string',num2str（E））;%最小值
set（handles.textPeak,'string',num2str（F））;%峰峰值
set（handles.text23,'string',440）;%频率值
其余六个琴键对应回调函数同上。
2）音频信号载入（music）
【11556654433221554433255443321155********21】
functionpushbutton10_Callback（hObject,eventdata,handles）
globald;
d=load（'music.txt'）;
%时域
time_domain（handles,d）;
fs=1000;%采样频率
%频域
frequency_domain（handles,d,fs）;
[A,B,C,D,E,F]=index_calculation（d）;
set（handles.textMean,'string',num2str（A））;
set（handles.textStd,'string',num2str（B））;
set（handles.textVar,'string',num2str（C））;
set（handles.textMax,'string',num2str（D））;
set（handles.textMin,'string',num2str（E））;
set（handles.textPeak,'string',num2str（F））;
%for循环语句实现音频信号自动每隔0.3s传输一个频率的音节
globali;
fori=1:
42
dtmf_series（d（i,1））;
pause（0.3）;
end
4.3存在的问题
1）在用matlab语言进行程序设计的过程中，由于语法的不熟悉，总是出错。
例如，matlab中的数组元素标号是从1开始，而不是从0开始；for语句与C语言不同。
2）第一次接触GUI界面，不熟悉界面和控件含义，总是重复操作，效率很低。
3）由于自己对Matlab的语法以及函数不熟悉，导致自己的想法无法用matlab来实现，进度很慢。
第五章课设心得体会
本学期的数字信号处理课程设计，内容丰富，形式多样。
不但丰富了我们的知识面，把书本上的理论知识相应的结合到了课设实践中，与实际问题相联系，让我们对数字信号处理这个课程有了进一步的了解，而且在matlab软件中编程，设计GUI界面，强化训练了我们实际操作动手的能力。
又学习到了更多关于matlab软件的功能实现。
本次课程设计主题思想是模块化实现系统。
每个模块完成他的子功能，把一个大的复杂的问题分解成了几个较为容易的小问题，减轻了工作负担，提高了效率，并且使做出的东西效果更好！
这种思想对我们今后的学习和工作都有很大的帮助，在设计思路上有很好的作用，值得我们反复学习，反复实践。
在这两周的课程设计中，除了及时翻阅资料解决问题，还积极与小组成员不断进行交流沟通，使课题能顺利进行，遇到一些大家都无从下手的问题，就虚心请教研究生学长，一起探讨，和大家的合作都非常愉快，很感谢小组成员的团结协作，也很感谢老师和研究生学长提供这么多强有力的帮助。
此次课程设计中也暴露出我的很多不足，平时积累的知识太少，虽然作业都及时完成，但是还是缺乏课余时间的训练。
编程能力有待提高，平时应该多翻阅相关的书籍资料，自己应该充分利用时间，来多做些软件编程的练习，多思考，多与实际问题相联系，为今后的学习和工作打下坚实的基础。
参考文献
[1]谢平林洪彬信号处理原理及应用机械工业出版社2008
[2]刘敏魏玲Matlab通信仿真与应用国防工业出版社2007
[3]楼顺天基于Matlab7.x的系统分析与设计-信号处理2005
附录
主程序部分：
functionvarargout=dzq（varargin）
gui_Singleton=1;
gui_State=struct（'gui_Name',mfilename,...
'gui_Singleton',gui_Singleton,...
'gui_OpeningFcn',@dzq_OpeningFcn,...
'gui_OutputFcn',@dzq_OutputFcn,...
'gui_LayoutFcn',[],...
'gui_Callback',[]）;
ifnargin&&ischar（varargin{1}）
gui_State.gui_Callback=str2func（varargin{1}）;
end
ifnargout
[varargout{1:
nargout}]=gui_mainfcn（gui_State,varargin{:
}）;
else
gui_mainfcn（gui_State,varargin{:
}）;
end
functiondzq_OpeningFcn（hObject,eventdata,handles,varargin）
handles.output=hObject;
guidata（hObject,handles）;
functionvarargout=dzq_OutputFcn（hObject,eventdata,handles）
varargout{1}=handles.output;
%虚拟琴键
%---Executesonbuttonpressinpushbutton1.
functionpushbutton1_Callback（hObject,eventdata,handles）
t=0:
0.0001:
0.01;
A=3;
f=440;
p=0;
y=A*sin（2*pi*f*t+p）;
set（gcf,'CurrentAxes',handles.axesTime）;
plot（t,y）
axis（[00.01-55]）
xlabel（'time（s）'）;
ylabel（'amplitude'）;
title（'ʱÓò²¨ÐÎ'）;
gridon;
fs=2000;
frequency_domain（handles,y,fs）;
[A,B,C,D,E,F]=index_calculation（y）;
set（handles.textMean,'string',num2str（A））;
set（handles.textStd,'string',num2str（B））;
set（handles.textVar,'string',num2str（C））;
set（handles.textMax,'string',num2str（D））;
set（handles.textMin,'string',num2str（E））;
set（handles.textPeak,'string',num2str（F））;
set（handles.text23,'string',440）;
%---Executesonbuttonpressinpushbutton2.
functionpushbutton2_Callback（hObject,eventdata,handles）
globalss;
r=2;
dtmf_series（r）;
t=0:
0.0001:
0.01;
A=3;
f=494;
p=0;
y=A*sin（2*pi*f*t+p）;
set（gcf,'CurrentAxes',handles.axesTime）;
plot（t,y）
axis（[00.01-55]）
xlabel（'time（s）'）;
ylabel（'amplitude'）;
title（'ʱÓò²¨ÐÎ'）;
gridon;
fs=1000;
frequency_domain（handles,y,fs）;
[A,B,C,D,E,F]=index_calculation（y）;
set（handles.textMean,'string',num2str（A））;
set（handles.textStd,'string',num2str（B））;
set（handles.textVar,'string',num2str（C））;
set（handles.textMax,'string',num2str（D））;
set（handles.textMin,'string',num2str（E））;
set（handles.textPeak,'string',num2str（F））;
set（handles.text23,'string',494）;
%---Executesonbuttonpressinpushbutton3.
functionpushbutton3_Callback（hObject,eventdata,handles）
globalss;
r=3;
dtmf_series（r）;
t=0:
0.0001:
0.01;
A=3;
f=554;
p=0;
y=A*sin（2*pi*f*t+p）;
set（gcf,'CurrentAxes',handles.axesTime）;
plot（t,y）
axis（[00.01-55]）
xlabel（'time（s）'）;
ylabel（'amplitude'）;
title（'ʱÓò²¨ÐÎ'）;
gridon;
fs=1000;
frequency_domain（handles,y,fs）;
[A,B,C,D,E,F]=index_calculation（y）;
set（handles.textMean,'string',num2str（A））;
set（handles.textStd,'string',num2str（B））;
set（handles.textVar,'string',num2str（C））;
set（handles.textMax,'string',num2str（D））;
set（handles.textMin,'string',num2str（E））;
set（handles.textPeak,'string',num2str（F））;
set（handles.text23,'string',554）;
%---Executesonbuttonpressinpushbutton4.
functionpushbutton4_Callback（hObject,eventdata,handles）
globalss;
r=4;
dtmf_series（r）;
t=0:
0.0001:
0.01;
A=3;
f=587;
p=0;
y=A*sin（2*pi*f*t+p）;
set（gcf,'CurrentAxes',handles.axesTime）;
plot（t,y）
axis（[00.01-55]）
xlabel（'time（s）'）;
ylabel（'amplitude'）;
title（'ʱÓò²¨ÐÎ'）;
gridon;
fs=1000;
frequency_domain（handles,y,fs）;
[A,B,C,D,E
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