数字信号处理课设报告虚拟电子琴设计.doc

1、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74.2 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

2、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

3、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。时域分析频域分析信号发生器单片机蜂鸣器LED八段数码管16*16LED点阵第三章 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

4、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

5、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17，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

6、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

7、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

8、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

9、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ssss.BaudRate=2400;%波特率为2400b/sss.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60sss.DataTer

10、minalReady=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 end4.2.2 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

11、，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(gc

12、f,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,stri

13、ng,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, eventd

14、ata, 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);

15、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);end4.3 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Matla

16、b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

17、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

18、谢平 林洪彬 信号处理原理及应用 机械工业出版社 20082 刘敏 魏玲 Matlab通信仿真与应用 国防工业出版社 20073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

19、_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);endif nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);endfunction dzq_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)handles.output = hOb

20、ject;guidata(hObject, handles);function varargout = dzq_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout1 = 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,Current

21、Axes,handles.axesTime); plot(t,y) axis(0 0.01 -5 5) xlabel(time(s); ylabel(amplitude); title(); 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(ha

22、ndles.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;

23、 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(); 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(h

24、andles.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

25、_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(); 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(

26、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

27、, 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(); grid on; fs=1000; frequency_domain(handles,y,fs);A,B,C,D,E,F=index_calculation(y);set(

28、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 pushbutton

29、5.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(); grid on; fs=1000; frequency_domain(handles,y,fs

30、);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);% -

31、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(); grid on;

32、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

33、);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

34、(s); ylabel(amplitude); title(); 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,num2

35、str(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_calc

36、ulation(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);endfunct

37、ion textMean_Callback(hObject, eventdata, handles)function textMean_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction edit3_Callback(hObject, eventdata, handles)function edit3_Cr

38、eateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);end function edit4_Callback(hObject, eventdata, handles)function edit4_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,Bac

39、kgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction edit5_Callback(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction edit6_Callback(hObject

40、, eventdata, handles)function edit6_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction edit7_Callback(hObject, eventdata, handles)function edit7_CreateFcn(hObject, eventdata, hand

41、les)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction textStd_Callback(hObject, eventdata, handles)function textStd_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultU

42、icontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction textVar_Callback(hObject, eventdata, handles)function textVar_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);end fu

43、nction textMax_Callback(hObject, eventdata, handles)function textMax_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction textMin_Callback(hObject, eventdata, handles)function textMin_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction textPeak_Callback(hObject, eventdata, handles)f