09级课程设计说明书格式.doc

中北大学2009届本科课程设计书中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 王航东 学 号： 0905084132 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 生物医学工程 题 目：A/D卡设计与信号采集与消噪方法分析 指导教师： 侯宏花、石海杰 2012 年 6月 20日摘 要：主要论述了PCI总线的主要构造以及A/D卡的采集分析，使用MATLAB软件进行信号采集处理，并且处理仿真结果并对去噪处理不同性能指标作了详细的比较分析。关 键 词：PCI总线；A/D卡；正弦信号；加噪处理；去噪处理；信噪比1. 设计目的： 学习USB总线与PCI总线基本结构；练习C语言编程；综合应用综合应用数字信号处理，医学信号处理、医学图象处理、计算机编程语言等基础与专业知识，通过理论与实践相结合，掌握所学知识的综合应用方法，掌握信号采集和噪声消噪处理的应用方法，培养和提高解决实际工程问题的能力。2. 设计意义：采用MATLAB软件进行信号采集，加噪，去噪处理。从效果上讲，以Donoho的阀值去噪方法最为突出。这里利用Mallat提出的多分辨率分析的概念和Mallat算法，假定噪声信号广泛分布在各个尺度且幅值相对较小，通过正交变换，将信号能量集中在某些频带的少数幅值相对较大系数上。为了数据处理方便，借助Matlab提供的方便而强大的计算及可视化工具，利用Matlab的工具箱函数，只须应用简单的信号处理知识和编程技能，就可以通过Matlab编程进行阀值估计，给予其它频带上的系数较小的权重或者置零，从而达到有效抑制噪声的目的。总的来说，应用变换处理可以有效地消除各种噪声干扰，从而更清楚有效地显示目标层位。避免了在噪声干扰情况下直接进行经验模态分解较难获得良好的分解效果的问题。由于希尔伯特黄（HHT）变换具有一定的噪声分解能力，不同尺度的噪声被分离到不同的固有模态函数，使得噪声对信号的影响减小，从而信号特征的提取的有效性和信号分解的精度都有了提高。3. 设计内容和要求：3.1 PCI总线 3.1.1 PCI总线的基本结构： PCI，外设组件互连标准(Peripheral Component Interconnect) 一种由英特尔（Intel）公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。此标准允许在计算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡。最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到133MB/s(33MHz * 32bit/s)，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，1993年又提出了64bit的PCI总线，后来又提出把PCI总线的频率提升到66MHz。目前广泛采用的是32-bit、33MHz的PCI 总线，64bit的PCI插槽更多是应用于服务器产品。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供信号缓冲，能在高时钟频率下保持高性能，适合为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供连接接口，工作频率为33MHz/66MHz。 PCI总线系统要求有一个PCI控制卡，它必须安装在一个PCI插槽内。这种插槽是目前主板带有最多数量的插槽类型，在当前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有56个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有23个PCI插槽。根据实现方式不同，PCI控制器可以与CPU一次交换32位或64位数据，它允许智能PCI辅助适配器利用一种总线主控技术与CPU并行地执行任务。PCI允许多路复用技术，即允许一个以上的电子信号同时存在于总线之上。 由于PCI 总线只有133MB/s的带宽，对声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备显得绰绰有余，但对性能日益强大的显卡则无法满足其需求。Intel在 2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI总线的第三代I/O技术，该规范由Intel支持的AWG(Arapahoe Working Group)负责制定。2002年4月17日，AWG正式宣布3GIO1.0规范草稿制定完毕，并移交PCI-SIG（PCI特别兴趣小组，PCI- Special Interest Group）进行审核。开始的时候大家都以为它会被命名为Serial PCI(受到串 行ATA的影响)，但最后却被正式命名为PCI Express，Express意思是高速、特别快的意思。 2002年7月23日，PCI-SIG 正式公布了PCI Express 1.0规范，并于2007年初推出2.0规范（Spec 2.0），将传输率由PCI Express 1.1的2.5GB/s提升到5GB/s；目前主流的显卡接口都支持PCI-E 2.0。3.1.2 PCI总线A/D卡的通用结构：图3.1PCI 总线控制器桥接电路 高速数据传输在PCI 总线和本地总线之间进行,设计者只需设计本地总线接口控制电路,外部设备可挂接在本地总线上,即可实现与PCI 总线的高速数据传输。 本模块为PCI 数据采集模块,可对4 路单端输入的模拟信号并行采集,输入信号幅度为10 V ,AD 分辨率为12 b ,总采样率为400 k ;另外提供4 路脉冲信号的测量,信号输入幅度也是10 V ,输入信号频率5 MHz ,比较电平为1 V。根据要求设计的系统的原理框图如图3 所示,系统由PCI 接口电路、FPGA 逻辑控制电路、脉冲比较电路、A/ D 转换电路和信号调理电路几个部分组成。工作原理是模拟信号通过信号调理电路(前置电路) ,经过滤波放大处理后,送到A/ D 转换器,被A/ D 转换后的数字信号送入FPGA 进行缓存和处理,所得数据通过PCI 总线接口电路传入上位机(计算机) 。为简化电路、提高集成度、增强系统的抗干扰能力,4 路模拟信号共用一片AD7864 。该芯片是高速率、低功耗、4 通道、12 位A/ D转换器,他可以同时对4 路模拟信号进行采样,通过内部的选择器以分时复用的方式将信号量化输出。在设计中,FPGA 主要负责与PCI9030 本地总线间的通讯以及A/ D 转换器的数据传输和系统各部分之间逻辑和时序的控制。这些控制是在Quartus 开发系统中进行设计的,采用VHDL 语言和原理图输入法相结合的方式完成。图3.2 数据采集系统原理框图3.2 A/D卡的采集、存储和显示程序 3.2.1 A/D卡的采集的基本原理： 运行时的数据并送给PC机，通过运行在PC机上的特定软件对这些数据进行分析，以此判断当前运行设备的状况，进而采取相应措施。当前常用的数据采集装置，在其系统软件设计中，多采用单任务顺序机制。这样就存在系统安全性差的问题。这对于稳定性、实时性要求很高的数据采集装置来说是不允许的，因此有必要引入嵌入式操作系统。下面以/为操作平台，基于系列处理器，对一种高性能的数据采集系统开发进行探索。 3.2.2 实验结果与分析：3.2.3 设计程序：load (D:whd.txt);x=whd (:,1);y=whd (:,2);plot(x,y);ylabel(y轴单位v);xlabel(x轴单位s);title(王航东);figure3.2.4 结果分析:通过实验采集图像，数据与通过数据在MATLAB软件上得到的图像比较，两者是一样的，从而知道通过不同方式可以得到相同的结果。3.3 Matlab实现信号的采集和对应去噪处理 3,3,1 基本原理：构造一个正弦信号，在MATLAB软件平台画出时域波形，并对所构造的正弦信号加入加性噪声和乘性噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，利用MATLAB对含噪的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化。3.3.2 设计步骤：（1）用Matlab编程产生一个100Hz+ 150Hz+200H z的正弦信号（或调用Matlab中 leleccum实例信号）。（2）对正弦信号分别加上50HZ噪声、高频白噪声、加性噪声、乘性噪声等噪声；（3）查找资料，结合学过信号处理相关课程，根据信号不同噪声特点，设计试验确定相对应的消噪方法；（4）编程实现。（5）用信噪比定量衡量消噪效果。 3.3.3 设计程序与结果：1.正弦信号波形产生fs=100;%设定采样频率N=256;n=0:N-1;t=n/fs;x=sin(2*pi*100*t)+sin(2*pi*150*t)+sin(2*pi*200*t);figure(1);subplot(221);plot(t,x);%作正弦信号的时域波形xlabel(t);ylabel(y);title(正弦信号y=100Hz+150Hz+200Hz时域波形);grid on;0123-1-0.500.51x 10-12ty正弦信号y=100Hz+150Hz+200Hz波形2加入噪声干扰clear all;t=0:0.01:1;f2=18;%生成一个正弦信号x1；x1=1*sin(2*100*f2*t)+1*sin(2*150*f2*t)+1*sin(2*200*f2*t);%向x1中加入噪声信号生成x2;x2=x1+1*sin(2*50*f2*t);subplot(3,2,1);plot(t,x1,g);title(生成一个正弦信号x1);grid;legend x1;subplot(3,2,2);plot(t, x2);title(向x1中加入加性噪声信号生成x2);grid; legend x2;%向x1中加入白噪声生成x3；x3=x1+randn(1,101);subplot(3,2,3);plot(t,x3);title(向x1中加入加性白噪声信号生成x3);grid;legend x3;x4=x1.*(1*sin(2*50*f2*t);subplot(3,2,4);plot(t,x4);title(向x1中加入乘性噪声生成x4);grid;legend x4; x5=x1.*(randn(1,101);subplot(3,2,5);plot(t,x5);title(向x1中加入乘性白噪声生成x5);grid;legend x5;图3.3.3 实验仿真图与加噪处理3. 设计滤波器消除噪声%syms tt=linspace(0,6,512)f=sin(t*pi)+cos(t*pi);figure(1);subplot(2,1,1);plot(t,f);grid on;fw1=fft(f);fw=abs(fw1);subplot(2,1,2);plot(fw(1:32); grid on;figure(2);randn(state,0)m=randn(1,512);y=f+0.2*m;subplot(2,1,1);plot(t,y); grid on;fw2=fft(y);fx=abs(fw2);subplot(2,1,2);plot(fx(1:32) ; grid on;figure(3);N,wc=buttord(0.01,0.20,3,65);b,a=butter(N,wc);y1=filter(b,a,y);subplot(2,1,1);plot(t,y1); grid on;fw3=fft(y1);fy=abs(fw3);subplot(2,1,2);plot(fy(1:32); grid on;图3.3.3-1 信号时域分析图与FFT幅度频谱图图3.3.3-2 加噪后的时域分析图与FFT幅度频谱图图3.3.3-3 去噪后原图时域分析图与FFT频谱图3.3.4 信噪比定量衡量消噪效果： 信噪比，英文名称叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOICE RATE)，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化。同样是“原信号不存在”还有一种东西叫“失真”，失真和噪声实际上有一定关系，二者的不同是失真是有规律的，而噪声则是无规律的。 信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10LG(PS/PN)，其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20LG(VS/VN)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。在音频放大器中，我们希望的是该放大器除了放大信号外，不应该添加任何其它额外的东西。因此，信噪比应该越高越好。通过计算公式我们发现，信噪比不是一个固定的数值，它应该随着输入信号的变化而变化，如果噪声固定的话，显然输入信号的幅度越高信噪比就越高。显然，这种变化着的参数是不能用来作为一个衡量标准的，要想让它成为一种衡量标准，就必须使它成为一个定值。于是，作为器材设备的一个参数，信噪比被定义为了“在设备最大不失真输出功率下信号与噪声的比率”，这样，所有设备的信噪比指标的测量方式就被统一起来，大家可以在同一种测量条件下进行比较了。信噪比通常不是直接进行测量的，而是通过测量噪声信号的幅度换算出来的，通常的方法是：给放大器一个标准信号，通常是0.775Vrms或2Vp-p1kHz,调整放大器的放大倍数使其达到最大不失真输出功率或幅度（失真的范围由厂家决定,通常是10%，也有1%），记下此时放大器的输出幅Vs，然后撤除输入信号，测量此时出现在输出端的噪声电压，记为Vn，再根据SNR=20LG(Vn/Vs)就可以计算出信噪比了。Ps和Pn分别是信号和噪声的有效功率，根据SNR=10LG（Ps/Pn）也可以计算出信号比。 这样的测量方式完全可以体现设备的性能了。但是，实践中发现，这种测量方式很多时候会出现误差，某些信噪比测量指标高的放大器，实际听起来噪声比指标低的放大器还要大。经过研究发现，这不是测量方法本身的错误，而是这种测量方法没有考虑到人的耳朵对于不同频率的声音敏感性是不同的，同样多的噪声，如果都是集中在几百到几千Hz，和集中在20KHz以上是完全不同的效果，后者我们可能根本就察觉不到。因此就引入了一个“权”的概念。这是一个统计学上的概念，它的核心思想是，在进行统计的时候，应该将有效的、有用的数据进行保留，而无效和无用的数据应该尽量排除，使得统计结果接近最准确，每个统计数据都由一个“权”，“权”越高越有用，“权”越低就越无用，毫无用处的数据的“权”为0。于是，经过一系列测试和研究，科学家们找到了一条“通用等响度曲线”，这个曲线代表的是人耳对于不同频率的声音的灵敏度的差异，将这个曲线引入信噪比计算方法后，信噪比指标就和人耳感受的结果更为接近了。噪声中对人耳影响最大的频段“权”最高，而人耳根本听不到的频段的“权”为0。这种计算方式被称为“A计权”，已经称为音响行业中普遍采用的计算方式。4设计心得：这次课程设计，给我留下了很深的印象。虽然时间短暂，但在这期间，却让我受益匪浅。应用MATLAB实现信号处理,简单高效,仿真效果好,特别适合信号与系统及数字信号处理的辅助教学,MATLAB在教学方面十分重要。 刚开始没有针对性，不知道自己到底该干些什么，查些什么资料，找到了资料却不知道该哪些方面。后来，在老师的指导和同组同学的帮助下，逐渐融入了角色。慢慢地，我能够从图书馆里查找各种资料，虽然过程很艰难，但毕竟是做出来了，感觉很高兴。 这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。才能顺利的解决