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

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

4.2 matlab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。

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static text，用于标题及参数名称的标注；

（3）添加7个edit text，用于各参数值的显示；

（4）添加9个push button，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：

4.2 matlab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。

4.2.1 matlab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

clear ss%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：

function pushbutton1_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。

global ss;

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([0 0.01 -5 5])

xlabel('time(s)');

ylabel('amplitude');

title('时域波形');

grid on;

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）

【115566544332215544332554433211556654433221】

function pushbutton10_Callback(hObject, eventdata, handles)

global d;

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

global i;

for i=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：

function varargout = 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', []);

if nargin && ischar(varargin{1})

gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});

end

if nargout

[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

else

gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

end

function dzq_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)

handles.output = hObject;

guidata(hObject, handles);

function varargout = dzq_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)

varargout{1} = handles.output;

%虚拟琴键

% --- Executes on button press in pushbutton1.

function pushbutton1_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([0 0.01 -5 5])

xlabel('time(s)');

ylabel('amplitude');

title('Ê±Óò²¨ÐÎ');

grid on;

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);

% --- Executes on button press in pushbutton2.

function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)

global ss;

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([0 0.01 -5 5])

xlabel('time(s)');

ylabel('amplitude');

title('Ê±Óò²¨ÐÎ');

grid on;

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);

% --- Executes on button press in pushbutton3.

function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)

global ss;

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([0 0.01 -5 5])

xlabel('time(s)');

ylabel('amplitude');

title('Ê±Óò²¨ÐÎ');

grid on;

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);

% --- Executes on button press in pushbutton4.

function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)

global ss;

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([0 0.01 -5 5])

xlabel('time(s)');

ylabel('amplitude');

title('Ê±Óò²¨ÐÎ');

grid on;

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',587);

% --- Executes on button press in pushbutton5.

function pushbutton5_Callback(hObject, eventdata, handles)

global ss;

r=5;

dtmf_series(r);

t=0:0.0001:0.01;

A=3;

f=659;

p=0;

y=A*sin(2*pi*f*t+p);

set(gcf,'CurrentAxes',handles.axesTime);

plot(t,y)

axis([0 0.01 -5 5])

xlabel('time(s)');

ylabel('amplitude');

title('Ê±Óò²¨ÐÎ');

grid on;

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',659);

% --- Executes on button press in pushbutton6.

function pushbutton6_Callback(hObject, eventdata, handles)

global ss;

r=6;

dtmf_series(r);

t=0:0.0001:0.01;

A=3;

f=740;

p=0;

y=A*sin(2*pi*f*t+p);

set(gcf,'CurrentAxes',handles.axesTime);

plot(t,y)

axis([0 0.01 -5 5])

xlabel('time(s)');

ylabel('amplitude');

title('Ê±Óò²¨ÐÎ');

grid on;

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',740);

% --- Executes on button press in pushbutton7.

function pushbutton7_Callback(hObject, eventdata, handles)

global ss;

r=7;

dtmf_series(r);

t=0:0.0001:0.01;

A=3;

f=831;

p=0;

y=A*sin(2*pi*f*t+p);

set(gcf,'CurrentAxes',handles.axesTime);

plot(t,y)

axis([0 0.01 -5 5])

xlabel('time(s)');

ylabel('amplitude');

title('Ê±Óò²¨ÐÎ');

grid on;

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',831);

%载入音频信号

% --- Executes on button press in pushbutton10.

function pushbutton10_Callback(hObject, eventdata, handles)

global d;

d=load('music.txt');

time_domain(handles,d);

fs=20000;

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));

global i;

for i=1:42

dtmf_series(d(i,1));

pause(0.3);

end

function textMean_Callback(hObject, eventdata, handles)

function textMean_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)