MATLAB GUI在《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用探究

馬崇霄 王楓 楊英 薛艷茹 張?jiān)?/p>

摘?要：本文介紹了圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)GUI）的相關(guān)知識(shí)。利用MATLAB的用戶圖形界面GUI設(shè)計(jì)一款仿真實(shí)驗(yàn)軟件，采用可視化的界面展示信號(hào)的運(yùn)算和變換及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使學(xué)生直觀地了解和掌握信號(hào)與系統(tǒng)的理論知識(shí)。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng);GUI;實(shí)驗(yàn)軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：G434?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper introduces some knowledge of the Graphical User Interface（GUI for short）.We need to take advantage of the MATLAB GUI to design a simulation experiment software.The use of visual interface display the calculation and transformation of signal and system design，so that students intuitively understand and grasp the theoretical knowledge of signals and systems.

Key words：Signals and Systems;GUI;experiment software

《信號(hào)與系統(tǒng)》是電子電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。以往的信號(hào)實(shí)驗(yàn)使用硬件實(shí)驗(yàn)箱，由于實(shí)驗(yàn)箱故障經(jīng)常不能得到正確的圖形和數(shù)據(jù)。本文在MATLAB基礎(chǔ)上，利用GUI的優(yōu)勢(shì)搭建實(shí)驗(yàn)軟件的圖形用戶界面，給讀者提供一個(gè)輔助信號(hào)與系統(tǒng)學(xué)習(xí)的仿真平臺(tái)[1]。用戶僅通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)模塊內(nèi)的功能，簡(jiǎn)單直觀使學(xué)生建立起學(xué)習(xí)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的興趣。

1 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)繁多、復(fù)雜，界面不僅要達(dá)到友好、美化的設(shè)計(jì)要求，還需要便于用戶操作與理解。設(shè)計(jì)界面時(shí)采用一個(gè)主界面和幾個(gè)子界面的布局，主界面起引導(dǎo)作用使用戶對(duì)該實(shí)驗(yàn)軟件的功能有大致了解，每個(gè)子界面是一個(gè)具體的功能模塊，能夠獨(dú)立地展示其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)或功能[2]。

1.1 軟件整體框圖

本軟件主要有六大功能模塊，分別為信號(hào)的基本運(yùn)算、基本信號(hào)的產(chǎn)生、卷積、傅里葉變換和濾波器設(shè)計(jì)，用戶進(jìn)入開(kāi)始界面后可以通過(guò)點(diǎn)擊不同的按鍵進(jìn)入到不同功能的子模塊中。

1.2 軟件設(shè)計(jì)步驟

軟件設(shè)計(jì)的主要流程步驟如下：

（1）運(yùn)用MATLAB的圖形用戶界面（GUI）的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)整個(gè)仿真系統(tǒng)的開(kāi)始引導(dǎo)界面、實(shí)驗(yàn)的主界面及實(shí)現(xiàn)信號(hào)與系統(tǒng)課程中某個(gè)實(shí)驗(yàn)功能的子界面[3]。

（2）設(shè)置各個(gè)子界面的各個(gè)控件對(duì)象的屬性值。

（3）編寫(xiě)各個(gè)子界面的所有控件對(duì)象的回調(diào)函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)控件的相應(yīng)控制功能。

（4）編寫(xiě)主界面的回調(diào)函數(shù)，將各個(gè)實(shí)驗(yàn)子界面布置在信號(hào)與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真軟件的主界面中，即通過(guò)主界面可以進(jìn)入其中的某一子界面進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[4]。

2 具體模塊設(shè)計(jì)

模塊設(shè)計(jì)時(shí)，按照實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)類(lèi)別和個(gè)數(shù)的要求來(lái)規(guī)劃模塊，各個(gè)模塊之間可以互相切換[5]。

2.1 開(kāi)始模塊

該模塊簡(jiǎn)潔明了的介紹了該軟件的所有功能，具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）在MATLAB命令窗口輸入guide，按回車(chē)鍵，啟動(dòng)GUI工具箱以后，用鼠標(biāo)單擊左側(cè)所需要的控件，然后畫(huà)在布局區(qū)域。

（2）對(duì)各控件進(jìn)行屬性設(shè)置：

①雙擊工作區(qū)或控件會(huì)彈出圖形窗和相應(yīng)控件的“屬性編輯框（Property Inspector）”。

在圖形窗的屬性編輯框中，設(shè)置如下屬性值：

Name?platform1 %圖形窗的名稱(chēng)

Tag?figuer1 %生成handles.figure1域存放圖形窗句柄

②對(duì)靜態(tài)文本的屬性編輯框進(jìn)行屬性值設(shè)置。

③以卷積為例，對(duì)按鍵的屬性編輯框中，設(shè)置如下屬性值：

Fontsize?12.0?%字體大小

HorizontalAlignment Center%文字中心對(duì)齊

String卷積?%在按鍵上顯示尺度變換

Tag?pushbutton3%生成handles.pushbutton2域存放該鍵句柄

2.2 信號(hào)的基本運(yùn)算模塊

信號(hào)的基本運(yùn)算主要包括加、減、平移、反轉(zhuǎn)和尺度變換等。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）在MATLAB的命令窗口輸入guide，按回車(chē)鍵，啟動(dòng)GUI工具箱后，用鼠標(biāo)單擊左側(cè)所需要的控件，畫(huà)在布局區(qū)域中。界面主要包含靜態(tài)文本框、按鍵、坐標(biāo)軸和動(dòng)態(tài)文本框等控件。

（2）對(duì)各控件進(jìn)行屬性設(shè)置：

進(jìn)行各控件屬性設(shè)置后，得到如下界面：

（3）界面的激活與回調(diào)函數(shù)的生成。點(diǎn)擊工具欄上的保存圖標(biāo)后，會(huì)彈出一個(gè)詢(xún)問(wèn)對(duì)話框，按提示對(duì)以上的設(shè)計(jì)進(jìn)行保存以后，就會(huì)引出2個(gè)界面：名字為jibenjisuan的（待激活的）圖形用戶界面和展示名為jibenjisuan的（待填寫(xiě)回調(diào)指令的）M函數(shù)文件的文件編輯器界面。同時(shí)，在當(dāng)前目錄或給定目錄上，由MATLAB軟件會(huì)自動(dòng)生成了2個(gè)文件，即jibenjisuan.fig和jibenjisuan.m。

在jibenjisuan.m文件中，填寫(xiě)回調(diào)指令：

對(duì)返回首頁(yè)按鈕的回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)：

function pushbutton6_Callback（hObject，eventdata，handles）

hGUI=gcf;

set（hGUI，'visible'，'off'）;

platform1

對(duì)保存圖像按鈕和清空按鈕的回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)與返回首頁(yè)按鈕的類(lèi)同。

對(duì)尺度變換按鈕的回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)：

function pushbutton2_Callback（hObject，eventdata，handles）

a=str2double（get（handles.edit2，'string'））;

t=-3：0.001：3;

ft1=tripuls（a*t，4，0.5）;

plot（t，ft1）;

grid on;

title（'尺度變換'）

其余控件的編寫(xiě)不再詳述。

經(jīng)過(guò)以上幾個(gè)步驟生成的圖形用戶界面已經(jīng)可以使用了，只要jibenjisuan.m和jibenjisuan.fig在當(dāng)前目錄或在MATLAB搜索路徑上，那么在指令窗口運(yùn)行jibenjisuan就能使用該界面，實(shí)現(xiàn)功能如下：

其余模塊的設(shè)置與信號(hào)的基本運(yùn)算模塊類(lèi)同。

3 結(jié)論

針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程內(nèi)容的特點(diǎn)，利用MATLAB的GUI搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真平臺(tái)，使復(fù)雜抽象的理論知識(shí)變得直觀可見(jiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和借助計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐亮，吳揚(yáng)，宮麗娜.基于GUI的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020，16（10）：264-265.

[2]王志鵬，謝渝閩.基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)課程綜合演示平臺(tái)[J].南陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，19（5）：71-74.

[3]高燕.基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)研究[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，36（5）：71-74.

[4]劉榮華，于紅光.信號(hào)與系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（9）：167-170.

[5]王煥友，譚喬來(lái).基于“信號(hào)與系統(tǒng)”的MATLAB GUI實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電腦與信息技術(shù)，2019，27（3）：1-3.

基金項(xiàng)目：2019—2020年度河北省應(yīng)用技術(shù)大學(xué)研究會(huì)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JY2019060）

作者簡(jiǎn)介：馬崇霄（1979—?），女，碩士，講師，主要研究方向：系統(tǒng)仿真、網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。