CN110060551A - 一种李萨如信号演示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种李萨如信号演示系统，包括手持终端和PC机，手持终端包括微处理器、输入模块、信号转换模块、信号合成模块、显示模块和第一通信模块，微处理器分别连接并控制输入模块、信号转换模块、显示模块和第一通信模块，信号合成模块与信号转换模块相连，微处理器采用FPGA进行程序设计，输入模块用于设置两路发生信号的振幅、频率和相位，信号转换模块用于进行数字信号与模拟信号的相互转换，信号合成模块用于合成李萨如信号，显示模块用于显示两路发生信号及合成的李萨如信号的参数信息和图形；PC机通过第二通信模块与第一通信模块进行通信连接，以接收手持终端通过第一通信模块发送的李萨如信号的参数信息，并基于MATLAB仿真李萨如信号的图形。

Description

一种李萨如信号演示系统
技术领域
本发明涉及信号模拟仿真技术领域，具体涉及一种李萨如信号演示系统。
背景技术
在本科大学物理实验课程中，李萨如信号的演示是一个重点实验，在本科大学物理课程学习中，李萨如信号也常常出现在其他知识点的穿插学习中，比如声速的测量中需要用到李萨如信号来判别相位差。所以，设计一款李萨如信号演示系统不管是课堂上对本科教学，还是作为一种新型的大学物理实验演示系统，都是有着重要意义的。
目前的李萨如信号演示方式主要是通过调整函数信号发生器来产生两路发生信号，通过连接线将两路发生信号接入示波器中，将合成的李萨如信号显示在示波器上。这种演示方法在演示过程中有着以下不足：
1.由不同的设备联合进行演示，统一性不强；
2.函数信号发生器和示波器体形都比较大，携带不便；
3.设备供电需要提前准备，受场地限制；
4.操作复杂，使用人员需熟悉函数发生器和示波器的使用方法；
5.资源浪费，函数发生器和示波器仅仅用在演示李萨如信号合成时显得大材小用；
6.对比性不强，同时器材损坏时无法通过对比及时调换。
发明内容
本发明为解决目前的李萨如信号演示方式存在上述诸多不足，有待改进的技术问题，提供了一种李萨如信号演示系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种李萨如信号演示系统，其特征在于，包括手持终端和PC机，所述手持终端包括微处理器、输入模块、信号转换模块、信号合成模块、显示模块和第一通信模块，所述微处理器分别连接并控制所述输入模块、所述信号转换模块、所述显示模块和所述第一通信模块，所述信号合成模块与所述信号转换模块相连，其中，所述微处理器采用FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)进行程序设计，所述输入模块用于设置两路发生信号的振幅、频率和相位，所述信号转换模块用于进行数字信号与模拟信号的相互转换，所述信号合成模块用于合成李萨如信号，所述显示模块用于显示两路发生信号及合成的李萨如信号的参数信息和图形；所述PC机通过第二通信模块与所述第一通信模块进行通信连接，以接收所述手持终端通过所述第一通信模块发送的李萨如信号的参数信息，并基于MATLAB仿真李萨如信号的图形。
所述手持终端为多个，所述PC机根据每个所述手持终端的标识信息依次显示每个所述手持终端对应的李萨如信号的图形。
所述手持终端还包括用于供电的电源模块。
所述输入模块包括键盘矩阵。
所述显示模块包括TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)显示屏。
所述第一通信模块和所述第二通信模块均为NB-IoT(Narrow Band Internet ofThings，窄带物联网)模块。
所述微处理器包括AX7010芯片。
所述微处理器、所述输入模块、所述信号转换模块、所述信号合成模块、所述显示模块、所述第一通信模块和所述电源模块设计集成在一块电路板上。
本发明的有益效果：
本发明的李萨如信号演示系统，通过包括微处理器、输入模块、信号转换模块、信号合成模块、显示模块和第一通信模块的手持终端基于FPGA产生李萨如信号的图形，并通过手持终端与PC机的通信将李萨如信号的参数信息发送至PC机，以使PC机基于MATLAB仿真李萨如信号的图形，由此，用到的模块少，操作简单，操作人员和学习人员可以很快入门操作，节省了函数发生器和示波器资源；在具体实验教学中，学生可以通过手持终端实时进行实验操作，一定程度上脱离了实验场地和仪器大小的束缚；通过对比学习加深学习印象，实验室管理人员也可通过对比及时调换损坏的手持终端，一定程度上提高了管理效率；在大学本科相关实验课程学习时，通过此演示系统便于在课堂演示且实现师生之间的互动；另外，本发明实施例的李萨如信号演示系统具有一定的市场应用性，可以用于一般的电工工程演示与无线电技术中的系统模拟与操作。
总体而言，本发明的李萨如信号演示系统具有硬件电路结构简单、通信稳定、功耗低、信息化程度高、可操作性强、便于演示、易于携带、对比明显易于教学等优点。
附图说明
图1为本发明一个实施例的李萨如信号演示系统的方框示意图；
图2为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK1的管脚示意图；
图3为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK2的管脚示意图；
图4为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK3的管脚示意图；
图5为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK4的管脚示意图；
图6为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK5的管脚示意图；
图7为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK6的管脚示意图；
图8为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK7的管脚示意图；
图9为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK8的管脚示意图；
图10为本发明另一个实施例的李萨如信号演示系统的方框示意图；
图11为本发明一个具体实施例的李萨如信号的图形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的李萨如信号演示系统包括手持终端10和 PC20。手持终端10包括微处理器11、输入模块12、信号转换模块13、信号合成模块14、显示模块15和第一通信模块16，微处理器11分别连接并控制输入模块12、信号转换模块13、显示模块15和第一通信模块16，信号合成模块14与信号转换模块13相连。其中，微处理器11采用FPGA进行程序设计，输入模块12用于设置两路发生信号的振幅、频率和相位，信号转换模块13用于进行数字信号与模拟信号的相互转换，信号合成模块14用于合成李萨如信号，显示模块15用于显示两路发生信号及合成的李萨如信号的参数信息和图形。PC机20通过第二通信模块21与第一通信模块16进行通信连接，以接收手持终端10通过第一通信模块16发送的李萨如信号的参数信息，并基于MATLAB仿真李萨如信号的图形。
进一步地，如图1所示，手持终端10还包括用于供电的电源模块17。
在本发明的一个实施例中，微处理器11包括AX7010芯片。微处理器 11的FPGA电路包含图2至图9所示的BANK1～BANK8。
在本发明的一个实施例中，输入模块12包括键盘矩阵。用户可通过键盘矩阵设置两路发生信号的振幅、频率和相位等。
在本发明的一个实施例中，信号转换模块13包括ADC模块和DAC模块，分别能够实现模数转换和数模转换。
在本发明的一个实施例中，显示模块包括TFT显示屏。
在本发明的一个实施例中，第一通信模块16和第二通信模块21均为NB-IoT模块。也就是说，手持终端10和PC机20可通过NB-IoT网络进行数据传输。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接，同时，NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖，因而非常适用于使用年限较长且不需要频繁充电的物理实验器材。
在本发明的一个实施例中，微处理器11、输入模块2、信号转换模块 13、信号合成模块14、显示模块15、第一通信模块16和电源模块17设计集成在一块电路板上，占用面积很小，易于携带，统一性高，不需要外加电源的情况下即能进行演示。
在本发明的一个实施例中，PC机20可为装有MATLAB7.0及以上版本的带有Windows操作系统的电脑，电脑默认连接了互联网。李萨如信号是由在互相垂直的方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线信号。李萨如信号由以下参数方程定义：
x(θ)＝asinθ
其中，n≥1且n称为曲线信号的参数，是两个正弦振动的频率比。若比例为有理数，则n＝q/p，参数方程可以写作：
x(θ)＝asin(pθ)
0≤θ≤2π
在MATLAB软件程序中，李萨如信号合成的核心程序为：
x＝[-10:pi/50:10]；
a＝2*sin(2*x+pi/3)；
b＝3*sin(3*x+pi/3)；
plot(a，b)
其中a，b为两路发生信号，x为合成李萨如信号。
本发明的上述李萨如信号演示系统的工作原理如下：手持终端10采用 AX7010芯片作为核心控制芯片，加上适当的外围电路，采用FPGA进行程序的设计，通过矩阵键盘模块设置两路发生信号的振幅、频率和相位，微处理器11将设置好的参数信息，一方面通过程序产生相应的两路模拟信号，通过ADC模块转换成数字信号，并传输至信号合成模块14的输入端，信号合成模块14输出端输出合成完成的李萨如数字信号，通过DAC模块转换成模拟信号并传输至微处理器11，微处理器11通过程序将两路发生信号以及合成的李萨如信号的参数信息和图形显示在TFT显示屏上。另一方面，微处理器11将设置好的参数信息通过NB-IoT模块传输至PC机20，PC机20设计的服务器软件接收到参数信息后，调用MATLAB软件并将设置好的参数信息带入m文件的变量中，可在PC机20查看MATLAB软件仿真的李萨如信号。
在本发明的一个实施例中，手持终端10可以为多个，例如图10中包括 n(n为大于1的整数)个手持终端10。PC机20可根据每个手持终端10的标识信息依次显示每个手持终端10对应的李萨如信号的图形。在具体实验环境中，对应于多个学生分别持有的手持终端，PC端只需一个，可根据手持终端不同的编号依次显示仿真的李萨如信号。在具体实验室进行实验时还可将手持终端的合成结果与PC端仿真结果进行比较。
本发明一个具体实施例中PC机20所显示的李萨如信号的图形如图 11所示。
根据本发明实施例的李萨如信号演示系统，通过包括微处理器、输入模块、信号转换模块、信号合成模块、显示模块和第一通信模块的手持终端基于FPGA产生李萨如信号的图形，并通过手持终端与PC机的通信将李萨如信号的参数信息发送至PC机，以使PC机基于MATLAB仿真李萨如信号的图形，由此，用到的模块少，操作简单，操作人员和学习人员可以很快入门操作，节省了函数发生器和示波器资源；在具体实验教学中，学生可以通过手持终端实时进行实验操作，一定程度上脱离了实验场地和仪器大小的束缚；通过对比学习加深学习印象，实验室管理人员也可通过对比及时调换损坏的手持终端，一定程度上提高了管理效率；在大学本科相关实验课程学习时，通过此演示系统便于在课堂演示且实现师生之间的互动；另外，本发明实施例的李萨如信号演示系统具有一定的市场应用性，可以用于一般的电工工程演示与无线电技术中的系统模拟与操作。
总体而言，本发明实施例的李萨如信号演示系统具有硬件电路结构简单、通信稳定、功耗低、信息化程度高、可操作性强、便于演示、易于携带、对比明显易于教学等优点。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种李萨如信号演示系统，其特征在于，包括手持终端和PC机，所述手持终端包括微处理器、输入模块、信号转换模块、信号合成模块、显示模块和第一通信模块，所述微处理器分别连接并控制所述输入模块、所述信号转换模块、所述显示模块和所述第一通信模块，所述信号合成模块与所述信号转换模块相连，其中，所述微处理器采用FPGA进行程序设计，所述输入模块用于设置两路发生信号的振幅、频率和相位，所述信号转换模块用于进行数字信号与模拟信号的相互转换，所述信号合成模块用于合成李萨如信号，所述显示模块用于显示两路发生信号及合成的李萨如信号的参数信息和图形；所述PC机通过第二通信模块与所述第一通信模块进行通信连接，以接收所述手持终端通过所述第一通信模块发送的李萨如信号的参数信息，并基于MATLAB仿真李萨如信号的图形。
2.根据权利要求1所述的李萨如信号演示系统，其特征在于，所述手持终端为多个，所述PC机根据每个所述手持终端的标识信息依次显示每个所述手持终端对应的李萨如信号的图形。
3.根据权利要求1所述的李萨如信号演示系统，其特征在于，所述手持终端还包括用于供电的电源模块。
4.根据权利要求1所述的李萨如信号演示系统，其特征在于，所述输入模块包括键盘矩阵。
5.根据权利要求1所述的李萨如信号演示系统，其特征在于，所述显示模块包括TFT显示屏。
6.根据权利要求1所述的李萨如信号演示系统，其特征在于，所述第一通信模块和所述第二通信模块均为NB-IoT模块。
7.根据权利要求1所述的李萨如信号演示系统，其特征在于，所述微处理器包括AX7010芯片。
8.根据权利要求3所述的李萨如信号演示系统，其特征在于，所述微处理器、所述输入模块、所述信号转换模块、所述信号合成模块、所述显示模块、所述第一通信模块和所述电源模块设计集成在一块电路板上。
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