基于GUI的仿真平臺的設(shè)計

基于GUI的《信號與系統(tǒng)實驗》仿真平臺的設(shè)計3.1設(shè)計思想3.1.1設(shè)計步驟本課題設(shè)計的界面布局是先設(shè)計GUI總界面，然后設(shè)計子界面，再在子界面上設(shè)置按鈕、坐標軸、文本框等一系列控件，最后借助于callback函數(shù)調(diào)用程序。在函數(shù)調(diào)用程序的設(shè)計中先編寫各個子界面中的回調(diào)函數(shù)下的程序，再編寫GUI界面的回調(diào)函數(shù)下的程序。1.用MATLAB的GUIDE提供的創(chuàng)建圖形界面工具設(shè)計整個實驗仿真界面的主界面，在設(shè)計子界面；2.在實驗子界面中添加各個控件對象，編寫控件按鈕回調(diào)函數(shù)，實現(xiàn)每個控件的控制功能，直接通過界面上的控件實現(xiàn)對結(jié)果的分析；3.最后編寫GUI總界面的回調(diào)函數(shù)程序，把所有的子界面集合在總界面中，通過總界面可以進入任意子界面中并可以進行操作；4.退出實驗界面。設(shè)計流程如圖3-1：編寫子界面控件編寫子界面控件按鈕的回調(diào)函數(shù)在子界面中添加相應(yīng)的控件按鈕最后編寫GUI主界面回調(diào)函數(shù)，總界面可進入任意實驗子界面先設(shè)計GUI主界面再設(shè)計子界面退出實驗界面圖3-1設(shè)計流程圖3.1.2實驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計信號與系統(tǒng)實驗繁多、復(fù)雜、許多實驗還需要輸入?yún)?shù)，若將系統(tǒng)設(shè)計成一個界面，使得系統(tǒng)繁重、擁擠、不能夠?qū)崿F(xiàn)友好，美化的界面的設(shè)計要求。因此，在設(shè)計界面的時候，采用一個主界面和若干個子界面，每個子界面是一個模塊，實現(xiàn)一個實驗或功能，并且可以通過主界面調(diào)用子界面的設(shè)計方法。本實驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計由兩部分組成：界面模塊設(shè)計和菜單模塊設(shè)計。其中界面模塊中包含六大實驗?zāi)K：主界面模塊、基本信號的產(chǎn)生實驗?zāi)K、信號的基本運算實驗?zāi)K、卷積實驗?zāi)K、傅里葉變換實驗?zāi)K、連續(xù)零狀態(tài)響應(yīng)實驗?zāi)K、低通濾波器實驗?zāi)K。如傅里葉變換實驗?zāi)K又包含方波傅里葉實驗界面、離散傅里葉實驗界面、快速傅里葉實驗界面。在菜單設(shè)計時，在實驗子界面中除了使用系統(tǒng)約定的菜單條外，還增加了幾個控制背景和退出實驗的菜單。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：基本信號的產(chǎn)生基本信號的產(chǎn)生信號的基本運算卷積傅立葉變換連續(xù)系統(tǒng)零狀態(tài)低通濾波器主界面退出界面圖3-2實驗系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)3.2基于GUI的系統(tǒng)總界面的設(shè)計3.2.1設(shè)計步驟在GUIDE的編輯界面中，在空白處雙擊或者單機右鍵選擇propertyinspector，出現(xiàn)屬性設(shè)置對話框，可以對GUI的屬性風格進行個性化。Color選項可以改變背景顏色，選擇自己喜歡的顏色，本課題是插入圖片。Position選項可以對界面窗口的大圖3-6子界面參考流程圖3.3.2《信號與系統(tǒng)實驗》仿真子平臺的設(shè)計1實驗一：基本信號的產(chǎn)生基本信號的產(chǎn)生包含了正弦信號、指數(shù)信號、單位脈沖信號、單位階躍信號。在界面中輸入正弦信號的幅度、角度、相位為231；在指數(shù)信號下輸入幅度、相位為32；在單位脈沖信號下輸入平移量5；在單位階躍下輸入4；相應(yīng)的各個信號波形輸出呈現(xiàn)的圖形如圖3-7所示：圖3-7基本信號的產(chǎn)生界面（1）正弦信號正弦信號的大小與方向都是隨時間作周期性變化的，信號在任一時刻的值，稱為瞬時值。其公式如下，一般寫做：(3-1)式中為振幅，為角頻率，為初相位。正弦信號是周期信號，其周期與角頻率滿足下列關(guān)系式：(3-2)（2）指數(shù)信號指數(shù)信號一般分為實指數(shù)信號與復(fù)指數(shù)信號，指數(shù)信號的表達式為：(3-3)在式中，是實數(shù)。若，信號將隨著時間而增長；若，信號則隨時間衰減。常數(shù)表示指數(shù)信號在點的初始值。（3）單位脈沖信號沖激函數(shù)表示在處的沖激，在處出現(xiàn)的沖激可寫為狄拉克(Dirac)給出了沖擊函數(shù)的另一種定義：(3-4)式中的含義是該函數(shù)波形下的面積等于1，呈現(xiàn)出的的波形如圖3-7所示。（4）單位階躍信號單位階躍信號的公式：(3-5)類似于連續(xù)時間系統(tǒng)中的單位階躍信號，但應(yīng)注意在點發(fā)生跳變，往往不予定義，而在在點明確規(guī)定為。在該子界面單位階躍信號那欄里輸入平移量4，輸出的波形如圖3-7所示。參考附錄程序。2實驗二：信號的基本運算。常遇到的信號基本計算包括信號的翻轉(zhuǎn)、平移、相加、相乘等。（1）序列的翻轉(zhuǎn)和平移。在翻轉(zhuǎn)處輸入翻轉(zhuǎn)量為2，在平移處輸入平移量3，原序列和翻轉(zhuǎn)、平移后的序列如圖3-8所示：圖3-8序列的翻轉(zhuǎn)、平移圖3-9兩個信號的相加、相乘（2）兩個信號的相加、相乘。信號與之和是指同一瞬時兩個信號之值對應(yīng)相加所構(gòu)成的“和信號”，即；而信號與之乘積是指同一瞬時兩個信號之值對應(yīng)相乘所構(gòu)成的“積信號”，這里給出的已知信號，正弦信號與余弦信號的相加、相乘波形仿真結(jié)果如圖3-9所示。3實驗三：信號的卷積對于任意的兩個信號和做卷積運算定義：(3-6)做一變量代換證明(3-7)式中是兩個函數(shù)做卷積運算的簡寫符號。這里積分取和，這是和的作用時間沒有限制。在卷積子界面中輸入幅度3波形結(jié)果圖3-10所示：圖3-10卷積界面圖像4實驗四：傅里葉變換本實驗中包含①方波傅里葉、②快速傅里葉、③離散傅里葉，如果以周期矩形信號為例，當周期無線增大時，則周期信號就轉(zhuǎn)化為非周期性的單脈沖信號，可以把非周期信號看成是周期信號趨于無限大的周期信號。當周期信號的周期增大時，譜線的間隔變小，若周期無限大，則譜線的間隔趨于無限小，這樣離散頻譜就變成連續(xù)頻譜了。同時由于周期趨于無限大，譜線的長度也就趨于零。這就是說，頻譜將失去應(yīng)有的意義，但是不論什么時候頻譜的分布依然存在。設(shè)有一周期信號及其復(fù)數(shù)頻譜，將展成(3-8)兩邊乘以，得到(3-9)對于非周期信號，重復(fù)周期，重復(fù)頻率，譜線間隔，而離散頻率變成連續(xù)頻率。在這種極限情況下，但量可不趨于零，而是趨近于有限值，且變成一個連續(xù)函數(shù)，常記作，這樣式(3-8)在非周期信號的況下將變成(3-10)同樣，傅里葉級數(shù)(3-11)在極限的情況下，傅里葉級數(shù)變成積分形式，它等于(3-12)式(3-10)稱為傅里葉正變換，式(3-12)稱為傅里葉逆變換。（1）方波傅里葉變換傅里葉變換是數(shù)字信號處理中的一種很重要的算法，要知道傅里葉變換算法的意義，首先我們要了解到傅里葉原理的意義。傅里葉原理的表明：任何連續(xù)的時序或著信號，都是可以表示為不同頻率正弦波信號的無線疊加。而根據(jù)該原理創(chuàng)立的傅里葉變換算法，利用直接測量到原始信號，以累加方式來計算該信號中的不同正弦波信號的頻率、振幅和相位。在方波傅立葉相應(yīng)的位置輸入方波幅度為3。運行后的波形如圖3-11所示：圖3-11方波傅里葉圖像圖3-12快速傅里葉變換（2）快速傅里葉變換的參考程序見附錄，在快速傅里葉處輸入幅度為2，顯示的波形如圖3-12所示。（3）離散傅里葉變換對于非周期的信號，我們需要用許多不同頻率的正弦曲線來表示，這對于計算機來說是不可能實現(xiàn)的。所以對于離散信號的變換也只有離散傅里葉變換才能被試用，對于計算機來說只有離散的與有限長度的數(shù)據(jù)才能被處理，對于其它的變換類型只有在數(shù)學(xué)演算中才能用到，在計算機面前我們只能用DFT方法，后面我們要理解的也正是DFT方法。這里要理解的是我們使用周期性的信號目的是為了能夠用數(shù)學(xué)方法來解決問題，至于考慮周期性信號是從哪里得到或怎樣得到是無意義的。點擊離散傅里葉變換按鈕，運行后的波形如圖3-13所示：圖3-13離散傅里葉變換5實驗五：連續(xù)系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)LTI連續(xù)時間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)可通過求解初始狀態(tài)為零的常系數(shù)微分方程得到。在MATLAB中控制系統(tǒng)工具箱中提供了一個用于求解零初始條件微分方程數(shù)值解的函數(shù)。其調(diào)用方式為：式中，表示LTI系統(tǒng)模型，用來表示微分方程、差分方程、狀態(tài)方程，表示計算系統(tǒng)響應(yīng)的抽樣點向量，是系統(tǒng)輸入信號向量。在求解微分方程時，微分方程的LTI系統(tǒng)模型借助于函數(shù)獲得，其調(diào)用方式為：式中，和分別為微分方程右端和左端各項的系數(shù)向量。運行后的零狀態(tài)響應(yīng)波形顯示結(jié)果如圖3-14所示：圖3-14連續(xù)零狀態(tài)響應(yīng)圖3-15低通濾波器6實驗六：低通濾波器濾波器是數(shù)字信號處理的重要基礎(chǔ)，是使用最為廣泛的一種線性系統(tǒng)。這里主要介紹的是低通濾波器，其在GUI界面中實現(xiàn)仿真波形，低通濾波器是一個通過低頻信號而衰減或擬制高頻信號的部件。濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性就越差，反之亦然。在界面中輸入頻率12，顯示的波形如圖3-15所示。3.3.3仿真結(jié)果分析下面具體分析幾個實驗的波形，以“實驗一基本信號的產(chǎn)生”和“實驗三卷積”實驗?zāi)K為主，我們選擇幾個函數(shù)為例。1實驗一：基本信號的產(chǎn)生仿真分析（1）指數(shù)信號。在上面章節(jié)中我們介紹過了指數(shù)函數(shù)的公式，根據(jù)公式我們可以輕松的得到它的波形。在本系統(tǒng)的主界面中點擊“實驗一基本信號的產(chǎn)生”按鈕進入實驗子界面。在指數(shù)信號那欄中輸入幅度和相位3，2出現(xiàn)如圖3-16所示的波形：圖3-16指數(shù)信號分析圖3-17的波形根據(jù)公式可以知道波形顯示正確。（2）正弦信號正弦信號一般寫做：(3-13)式中為振幅，為角頻率，為初相位。正弦信號是周期信號，其周期與角頻率和頻率滿足下列關(guān)系式：(3-14)在初中高中我們就學(xué)習(xí)了正弦信號了，可以根據(jù)函數(shù)來輕易的畫出波形。在式中取，，的時式就可寫成：(3-15)這是最簡單的正弦函數(shù)，它的波形如圖3-17所示。在本系統(tǒng)基本信號的產(chǎn)生模塊中，正弦信號的輸入?yún)?shù)110的波形如圖3-18所示：圖3-18圖3-19正弦函數(shù)可以看出和圖3-17是同一個函數(shù)波形，即波形準確。我們也可以改變參數(shù)看波形能否正確的相應(yīng)變化，在正弦信號編輯框中分別輸入幅度，角度相位為2，2，2即如圖3-19所示。此時的正弦信號函數(shù)為：(3-16)很輕易的可以看出圖3-18和3-19的區(qū)別，后者的頻率和振幅均變大了兩倍且向左移了兩個單元。正弦信號的波形可以正確的根據(jù)參數(shù)的變化而變化。2實驗三卷積實驗仿真分析卷積方法的原理是將信號分解為沖激信號之和，借助系統(tǒng)的沖激響應(yīng)h(t)，求解系統(tǒng)對任意激勵信號的零響應(yīng)，在設(shè)計是我們改變卷積幅度看波形的變換情況。在卷積子界面中輸入卷積幅度3，出現(xiàn)如圖3-20所示波形：圖3-20卷積幅度為3時的圖3-21卷積幅度為6時的在界面里可知函數(shù)和函數(shù)的表達式，卷積定義可知結(jié)果正確。如果將參數(shù)改變時看波形能否正確的相應(yīng)變化，在卷積子界面中把卷積幅度參數(shù)改為6，即出現(xiàn)仿真波形如圖3-21，比較圖3-20和圖3-21可知幅度增加了一倍，可以實現(xiàn)此功能。3.4GUI平臺設(shè)計中的問題3.4.1設(shè)計平臺中出現(xiàn)的問題在本次課題的設(shè)計中遇到了很多的問題，主要問題如下：1.主界面和子界面的兼容性；2.怎樣在主界面中插入圖片；3.界面退出按鈕函數(shù)的編寫。3.4.2解決問題的方法參考一些相關(guān)的資料，以羅華飛的MATLABGUI設(shè)計學(xué)習(xí)手記為主；上網(wǎng)查詢問題；注冊MATLAB論壇，在論壇中找相關(guān)的帖子，也可以發(fā)帖；向老師同學(xué)尋求幫助。具體怎樣解決問題：1.關(guān)于主界面和子界面的兼容問題查找到幾種方法（1）Gainvar()；彈出子界面，在子界面中設(shè)置參數(shù)XDisp(x)輸出參數(shù)；（2）Close(gcf)Set(0,’CurrentFigure’,block_1)；（3）使用open函數(shù)或者run函數(shù)；（4）在按鈕下面的FCN下面調(diào)用子界面的函數(shù)即可。本次課題選擇的是set函數(shù)即第二種方法。2.主界面圖片的插入可以選用不同的方法來實現(xiàn)，這里使用的函數(shù)編寫程序為：ha=axes('units','normalized','position',[0011]);uistack(ha,'down');II=imread('shangyuan01.bmp');image(II);colormapgray;set(ha,'handlevisibility','off','visible','off');可實現(xiàn)校園風景圖片的插入使主界面更加的美觀。3.界面退出按鈕程序的編寫如下：Close(gcf);Rungui;4總結(jié)和展望4.1研究工作總結(jié)本課題的設(shè)計主要以信號與系統(tǒng)課程實驗為基礎(chǔ)，與MATLAB圖形用戶界面相結(jié)合，設(shè)計出了美觀的GUI平臺界面。學(xué)習(xí)者可以在圖書管、網(wǎng)上（MATLAB論壇知網(wǎng)）查找相關(guān)資料進行學(xué)習(xí)。系統(tǒng)可以任意的調(diào)試參數(shù)，達到自己想要的波形顯示結(jié)果。信號與系統(tǒng)課程內(nèi)容涉及范圍廣，系統(tǒng)并沒有把所有的內(nèi)容設(shè)計進系統(tǒng)，設(shè)計過程結(jié)合了理論教學(xué)中的內(nèi)容，利用圖形用戶界面(GUI)實現(xiàn)實驗仿真結(jié)果的可視化及界面的美觀和主界面與子界面的鏈接。展示了MATLAB圖形用戶界面人機交互式用戶界面及其參數(shù)的可調(diào)性，使得信號與系統(tǒng)實驗的分析過程變得易于控制，直觀可視化。4.2展望通過本課題的研究和設(shè)計工作，深刻的體會到GUI界面應(yīng)用的強大，它不僅使實驗界面看起來更加的美觀、可視化和人機操作快捷可靠，而且圖形用戶界面可以設(shè)計出內(nèi)容豐富、界面直觀的實驗仿真界面。本課題的設(shè)計對于初學(xué)者的學(xué)習(xí)使用較有幫助，可以提供一些設(shè)計的思路與參考，對于二次開發(fā)有一定的空間基礎(chǔ)。課題僅包含《信號與系統(tǒng)》還有《數(shù)字信號處理》中的一些實驗內(nèi)容，只是用了一些基本的實驗為例。此次的用戶界面設(shè)計雖然簡單，但界面圖片的插入使得界面的整體效果較好，控件的布局和主界面與次界面的兼容都需要深入的研究和探討。系統(tǒng)還需要后續(xù)的完善使得界面更加的美觀和易用,本課題的實驗界面雖然用來仿真實驗，然而怎樣才能更優(yōu)化仿真實驗系統(tǒng)，仍然是今后需要研究的一個方向。GUI界面不僅用在實驗教學(xué)課程中，也同時應(yīng)用在科研方面。所以它的應(yīng)用前景非常的廣泛，這也促使著我們進一步的開發(fā)出更美觀、實用、直觀的用戶界面。參考文獻[1]杜世民,楊潤萍.基于MatlabGUI的”信號與系統(tǒng)”教學(xué)仿真平臺開發(fā)[J].實驗技術(shù)與理,2012,29(3)88-90.[2]黎玉玲,張廷華.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計[J].計算機應(yīng)用究,2006,23(10)248-250.[3]徐艷惠.MATLAB在“信號與系統(tǒng)”分析中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(1):100-102.[4]吳大正.信號與線性系統(tǒng)分析[M].4版.北京:高等教育出版社.2005.[5]趙華芳.晶體和準晶的旋聲性質(zhì)的旋轉(zhuǎn)不變性[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2007.[6]王潔麗,賈素梅,薛芳.Matlab軟件在信號與系統(tǒng)輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(6):132-125.[7]劉峰,段紅,熊慶旭等.信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理,2008,25(3):118-120.[8]MikeFoley,AnjanBose.AnObjectBasedGraphicalUserInterfaceforPowerSystems[J].IEEETransactionsonPowerSystems,1993,8(1):97-104.[9]南洋,周靜,孟開元等.基于Matlab的GUI的界面設(shè)計[J].石油儀器,2008(12):76-78.[10]金波.信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革初探[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(4):7-8.[11]奧本海姆.信號與系統(tǒng)(英文版)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.[12]StevenT.Karris.SignalsandSystemswithMATLABCom-putingandSimulinkModeling4thEdition[M].OrchardPublications,2008.[13]鄔少飛.基于Matlab的信號與系統(tǒng)教學(xué)研究[J].電腦與電信,2013,13(11):70-73.[14]張尤賽,馬國軍,黃煒嘉等.信號與系統(tǒng)Matlab實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(18):57-59.[15]楊建強,羅先香.MATLAB軟件工具箱簡介[J].水科學(xué)進展,2001,12(2):237-242.[16]劉昱.基于LMD和SVM的動力機械故障診斷方法研究[D].天津:天津大學(xué),2012.[17]林霖,楊豐,張志德.基于Matlab的“信號與系統(tǒng)”課程演示軟件的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2009,31(51):98-100.[18]晏釗韜.基于圖像的數(shù)字指紋技術(shù)[D].湖南:湖南大學(xué),2010.致謝本次課題的設(shè)計完成，首先我要感謝我的導(dǎo)師，在她的辛苦指導(dǎo)下終于結(jié)束了，謝謝老師給予我的指導(dǎo)和幫助。初次拿到論文題目的時候我對MATLAB這個軟件并不是很陌生，以前我們也學(xué)習(xí)過MATLAB軟件，但都學(xué)了一些皮毛。對于這個軟件中的GUI界面應(yīng)用不精通，所以上網(wǎng)查找了一些相關(guān)的資料，注冊了MATLAB中文論壇，買了一本羅華飛的MATLABGUI設(shè)計學(xué)習(xí)手記等。從一開始的盲目到思路的清晰，讓我感到學(xué)習(xí)的重要性。通過此次畢業(yè)論文的設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的知識比較淺薄，本課題的設(shè)計不僅是對新的知識的學(xué)習(xí)及考驗，而且也是對自身能力的一種提高。此次畢業(yè)設(shè)計讓我學(xué)到了許多的東西，感覺也很充實，同時也感到自己以后需要學(xué)習(xí)的方面很多。這次的畢業(yè)設(shè)計讓我懂得學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，不論是以后的工作，還是生活都應(yīng)該不斷地學(xué)習(xí)、提升自我、努力提高自身的知識和綜合素質(zhì)。這次畢業(yè)設(shè)計使我受益匪淺，同時感謝我的同學(xué)和舍友給予我的幫助，也感謝那些幫助我的朋友，使我在畢業(yè)設(shè)計的階段感到生活的愉悅和輕松。最后在此感謝所有參與論文評閱的老師，辛苦你們了！附錄部分程序：(1)基本信號的產(chǎn)生①正弦信號axes(handles.axes1)clcA=str2num(get(handles.edit1,'String'));W=str2num(get(handles.edit2,'String'));p=str2num(get(handles.edit3,'String'));t1=0:0.001:10;ft1=A*sin(W*t1+p);plot(t1,ft1,'-.r*'),gridtitle('A*sin(W*t+p)')②指數(shù)信號axes(handles.axes2)clcA=str2num(get(handles.edit4,'String'));a=str2num(get(handles.edit5,'String'));t2=0:0.001:10;ft2=A*exp(a*t2);plot(t2,ft2,'-.c*'),gridtitle('A*exp(a*t)'③單位脈沖信號axes(handles.axes3)clct1=str2num(get(handles.edit6,'String'));t=t1-1:0.01:t1+1;n=length(t);x=zeros(1,n);x(1,(n-1)/2)=1;stairs(t,x)axis([str2num(get(handles.edit6,'String'))-1,str2num(get(handles.edit6,'String'))+1,0,