信号与系统这门课是信息类专业的专业基础课程，对于学习信息
类的学生来说，学好这门课程至关重要，也是学好后续课程数字信号处理、自动控制原理等的先决条件。
M ATLAB 提供了两类仿真模型，即数学模型与实体图形化。M AT-LAB 丰富的数学函数简化了复杂的数学模型的计算，而实体图形虽然不能等同于实物，但它是实物的模型，犹如真实实物一般，因此使学生不再仅仅停留在物理概念的基础上，而是与实物相结合，概念更加清晰，明了，直观性强。
高职高专学生大部分学习基础薄弱，尤其是数学基础，而对于信号与系统这门对数学基础要求较高的课程来说，要想学好它，对于高职学生将会是极大的挑战。
为了使高职学生能够更好地学好信号与系统这门课，在信号与系统的教学过程中，大胆地进行了教学方式的改革，改变传统的单一理论讲解形式，而采用理论讲解与MATLAB 仿真相结合。利用M ATLAB 软件进行计算，分析及绘制波形图，让学生亲自动手，在激发学生兴趣的同时，也锻炼了学生的实际操作能力并提高了学生的创新能力。
一、MATLAB 用于教学改革
信号与系统这门课主要是在理解了信号与系统的概念的基础上，对系统的不同形式的输入信号产生的响
应进行分析，结合实际应用情
况，将信号分别在时域、
频率域和复频域三大域中进行分析，不同领域的分析方法使得问题的解决更加方便灵活，分析更加透彻。但由于不同分析域之间的转换比较复杂，理论性强，对数学基础的要求较高，而高职学生却普遍存在数学基础较差，针对此种情况，本文将从以下三个方面进行教学形式的改革：
1.教学内容
M ATLAB 软件用于信号与系统的教学中，可以降低物理概念的抽象性，增加直观性，同时还使得学生掌握了一种软件的使用方法。在教学内容上，利用MATLAB 软件提供的丰富的库函数，通过编写程序，将不同条件下的信号波形展示给学生，使学生有了直观性的概念，便于记忆和掌握。在讲课内容上，注重重点与难点的讲解，将重点放在信号波matlab学好了有什么用
形的实现及对波形性质的分析上。
而对于信号的变换过程的求解，基于大部分高职学生都很难掌握的情况，采用了编写M ATLAB 程序的方式来完成，从而改变了以往需要花费大量时间进行的数学运算。
比如对于周期信号傅里叶级数的展开式的求解，它的求解过程比较复杂，尤其是积分项的求解，对于高职学生来说，求取积分是一种很
难的数学运算，大部分学生都很难完成。基于此种情况，
我们在讲解的过程中，重点讲解傅里叶级数的推导过程，旨在让学生掌握其意义，而对于傅里叶级数的具体求解，可以利用M ATLAB 软件花费少量的时间编写程序来实现。另外在讲解微分方程的建立中，可以利用MATLAB 软件提供的仿真工具Simulink 来实现，通过在Simulink 中建模，利用示波器观察求解信号的波形，使得学生对于实物和数学模型之间的关系有了更加明确的认识。
2.教学方式
信号与系统课程是一门理论性很强的专业基础课，内容抽象，难以理解，包含大量复杂的数学公式推导和图形曲线。在传统的教学过程中，主要是以老师讲解为主，老师以板书的方式授课，学生则是记笔记。在很多时候，学生为了记笔记而顾不得去思考老师讲解的内容，跟不上老师的思路，最终导致老师一个人理解，一个人讲。这样学生虽然做了笔记，但根本没有理解，所以授课信息量并不大，学生听课也枯燥无味，课堂效率不高。
采用MATLAB 软件应用于教学过程中，老师通过讲解后进行实际操作，给出直观的概念。这样学生不用做大量的笔记，还能很好地理解。
另外也可以通过与学生互动或学生自主完成的形式，来完成设计好的
题目。这样可以及时反馈学生接受知识的情况，从而进一步改进教学方
法和教学手段，提高课堂教学效果。比如在讲解信号的运算过程中，
我们可以通过MATLAB 软件将不同信号的波形展示给学生，
然后再将不同信号之间的运算结果的波形也展示给学生，学生能够通过直接的观察来理解信号运算的含义，更加有利于学生的掌握，并能激发学生学习的积极性，也使得理论的讲解不那么枯燥无味。
3.实践教学
理论的学习主要是为了能在实践中应用，实践不仅能够检验理论的正确性与否，反过来还可以进一步加深对理论的理解程度。因此在本课程的教学过程中，我们不能忽视实践教学的重要性。将MATLAB 软件与DJ-XH3信号与系统及数字信号处理仿真实验平台相结合进行实践教学，相互检验，更能加深学生的理解与掌握。
二、MATLAB 应用举例
实践教学主要是为了锻炼学生在实际操作过程中的动手能力，也让他们学会如何从实践中获得知识的能力。在信号与系统的实践教学中，我们通过采用MATLAB 软件编程及Simulink 仿真模块来进行。
例：如图1所示的电路系统中，电容器极板上电荷量与输入电压的关系为：
图1系统电路图
L=d 2
q(t)dt 2
+R dq(t)dt +1C q(t)=u i (t)
设电感系数为L=1H ，电阻R=1Ω，电容器的电容C=5mF ，系统的初始储能为零，若外加电压u i (t)是振幅为10V 、频率1HZ 的正弦信号，试求电容器极板上的电荷量q(t)。
解：由已知条件，系统的输入信号为u i (t)=10sin(2πt)系统的微分方程为
d 2q(t)+10dq(t)+200q(t)=u i
(t)
图2q(t)的波形图
计算电荷量q(t)MATLAB 程序如下：>>ts=0;>>te=5;>>dt=0.01;
>>sys=tf([1],[110200]);>>t=ts:dt:te;
基于MATLAB 的信号与系统教学机理分析
郑州交通学院
赵瑞芹
罗素保
［摘要］本文主要是针对高职高专学生在学习信号与系统的过程中所遇到的问题进行研究，进而改进教学方法，采用适宜高职学
生容易接受的MATLAB 仿真的方法，
通过仿真得到的波形图，更加直观，容易理解。同时也可以提高学生学习的兴趣，改变以往以理论讲解为主的纯数学推导及计算方式。实践证明，将信号与系统与MATLAB 仿真软件的学习相结合，能够
提高学生的学习积极性与学习效率，培养学生的创新能力。［关键词］课程改革信号与系统
MATLAB
（下转第115页）
>>u=10*sin(2*pi*t);>>q=lsim(sys,u,t);>>plot(t,q)
>>xlabel('time/s')>>ylabel('幅值')
程序运行结果如图2所示。Simulink 中建立模型如下：
图3系统模型
通过该模型中的示波器观察到的波形，如图4所示：
图4示波器中q(t)的波形图
由以上例子可以看出，本来很复杂的数学计算，通过利用MATLAB 软件变得简单而生动，既节省了时间，又使得讲课变得丰富而有趣，从而激发学生的学习积极性，进而提高学习效率。
三、结束语
综上所述，将MATLAB 软件应用于信号与系统的教学过程中，既让学生掌握了一种软件的编程方法，利用该软件丰富的库函数，不仅能解决本门课程的数学运算，也包括其它形式的数学运算，从而解决了高职学生因数学基础差所存在的问题；又让学生了解到何谓仿真模型，实
际系统与模型之间的关系，以及如何建立仿真模型的问题。因此，
采用现代化的技术手段MATLAB 软件应用于信号与系统的教学中，极大地调动了学生学习的主动性，提高了学生的实际动手能力和创新能力。参考文献
［1］刘品潇.信号与系统［M ］.北京：国防科技大学出版社，2008［2］胡寿松.自动控制原理［M ］.北京：科学出版社，2001［3］周磊，宋丽蓉.MATLAB 在自动控制原理教学中的应用研究［J ］.中国现代教育装备，2010（13）：57-58
［4］汤颖.新课程视阀下教师教育课程体系建构的基本思路［J ］.教育探索，2009（12）:30-31
［5］高树忠.教师实施新课程存在的问题与建议［J ］.教育探索,2009(2)：25-
26
（上接第113页）
C 、J 两种模式，但因为J 模式的地址线和数据线复用，时序关系比较复
杂，所以采用时序更为简单的C 模式。
PCI9054作为一种桥接芯片在PCI 总线和LOCAL 总线之间传递消息，既可以作为两个总线的主控设备
去控制总线，也可以作为两个总线的目标设备去响应总线。PCI9054有6个零等待可编程FIFO 存储器，它们分别完成PCI 发起读、写操作。由于FIFO 存储器的存在，数据可以大量突发传输而不丢失。这样不仅满足实时性要求，同时可以根据用户的需要采用与PCI 异步的本地频率。[2]
2.3PCI9054与PCI 总线接口
PCI9054与PCI 总线接口连接比较简单，只要将PCI9054芯片的PCI 端信号线与PCI 插槽的相应信号线对应连接就可以了。这些信号包括地址数据复用信号、接口控制信号线、中断等信号线。在电路板制作
上，要注意PCI 总线信号的走线，
为了满足反射条件，对信号走线有严格要求：普通信号长度，从插槽的连接器到PCI 桥芯片不大于1.5英寸，CLK 信号走线长度为2.5英寸左右。否则会导致信号不稳定甚至总线冲突，无法开机。
2.4PCI9054寄存器配置及初始化PC 机上电或复位时，PCI9054有3种初始化内部寄存器的方法：Local 端处理器、串行EEPROM 和默认配置。配置一旦不正确或不成功，
将引起测试系统数据传输错误，甚至计算机无法正常进入系统。
默认配置一般不符合用户的特定需要，Local 端配置需要FPGA 实现复杂的时序控制。本系统采用串行EEPROM 来对PCI9054进行上电配置。
PC 机启动或复位时，PCI9054首先读取EEPROM 的值，写入对应的寄存器，然后BIOS 枚举出每类总线(当然包括PCI )上的每一个设备，建立管理设备的数据结构。当加载操作系统的时候，要把这个数据结构的指针传递给操作系统，当操作系统如Windows 启动后将再次为包括PCI9054在内的硬件设备分配资源，包括内存空间、中断请求、I/O 空间等。此时就要根据EEPROM 的内容来实现这些配置。
3.RS-422数据传输模块设计
RS-422信号传输一般由三部分组成：差分信号发送器，差分信号互联器，差分信号接收器。
差分信号发送器：将非平衡传输的TTL 信号转换成平衡传输的差分信号，通常由一个IC 来完成，本系统中采用了M AX3295；差分信号接收器：将平衡传输的差分信号转换成非平衡传输的TTL 信号，通常由一个IC 来完成，本系统中采用了M AX3284；差分信号互联器：包括联
接线（电缆或者PCB 走线
），终端匹配电阻。按照IEEE 规定，电阻为100欧姆。我们通常选择为100、120欧姆。
3.1RS-422数据发送模块
本系统中，由主机存储的并行数据经过PCI 总线存储在信号发生卡的SRAM 中，通过FPGA 读取并行数据进行并串转换后发送出去。但是在读取数据到完成并串转换的操作之间存在时间的间断，为保证串行数据传输的连续性，本系统在FPGA 设计中使用了流水线技术。流水线各级并行地进行数据或信号操作，假设取指、译码、执行三个操作的
执行时间各为T ，
则执行三个操作的时间为3T ，将这三个指令的执行在时间上重叠，用三个子部件来执行，相应的子部件连接成串行的形式，再加入适当的转移控制后则成为了流水线的操作方式，本系统采用流水线的方式大大提高了数据的传输速率同时保证了传输的连续性。
在主机上，由Lab Windows/CVI 控制将数据写入。Lab Windows/CVI 以ANSI C 为核心，将功能强大、应用广泛的C 语言与测控专业工具有机地结合起来，实现了数据的采集、分析和显示。另外，它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的面板功能和库函数等特点使Lab Win-dows/CVI 自身功能更加强大，应用更加方便，成为工程技术人员建立检
测系统、
自动测量环境、数据采集系统、过程监控系统首选的软件开发工具。[4]
FPGA 通过控制SRAM 的数据线、地址线和读写信号，将SRAM 内部数据按照一定的格式发出。
系统中信号的发送部分主要由MAX3295来实现。MAX3295是低压差分信号发射器，用于对功耗、体积、噪声等有较高要求的高速场合。当提供3.3V 电压时，它最大支持20Mb/s 的转换速率。
3.2RS-422数据接收模块
由信号源发送过来的差分信号首先通过MAX3284，将差分信号转
为单端信号后进入FPGA ，
由本地时钟对信号进行8倍采样，当接收到符合RS-422格式的信号时，对数据进行接收，并且通过Lab Win-dows/CVI 将结果显示在PC 上。[3]
按照收发双方自定的格式，当没有数据传送时，接收到的默认信号是高电平。当接收端采样到低电平时，启动一个计数器，如果接下来采样到的七个数据仍为低电平，则下面传送的为有效数据，开始接收数据信号并将其显示。
在正确仿真的基础上，此系统已成功的运用于实际工程中，为设备测试提供了最高可达20Mb/s 的高速RS-422数字信号，能满足实际工程的需要。
4.结论
本系统的主要特点是实现了PCI 总线的高速数据传输和基于FP-GA 的高速串行数据传输。系统已成功应用于实际的设备检测中，工作稳定，信号失真小，满足设备检测的要求。PCI9054以其强大的功能和简单的用户接口，为高速的PCI 接口的开发提供了一种简洁的方法。而片上可编程系统(SOPC)技术也是近年来随着微电子技术的发展而出现的新兴的嵌入式系统技术，由于其与传统的嵌入式系统相比速度更快，集成度更高，灵活性更大，因而得到了越来越广泛的应用，已成为当前及未来嵌入式系统发展的必然方向，也是电子、通信领域发展的一个新方向。
随着数字技术的发展，要求的数据传输速率将会越来越高，FPGA 技术和PCI 总线将会越来越多地应用在数据传输的设计中，PCI9054有着较高的性价比，应用前景将会更加广阔。
参考文献［1］李桂山.PCI 局部总线开发者指南［M ］.西安：西安电子科技大学出版社,1998
［2］张新辉，黄凌，刘建.基于PCI 的高速数字信号收发平台设计.2009年研究生学术交流会通信与信息技术论文集，北京：国防工业出版社,2010年2月
［3］石英，李新新，姜宇柏.ISE 应用与开发技巧.北京：机械工业出版社,2007
［4］宋宇峰.LabWindows/CVI 逐步深入与开发案例.北京：机械工业出版社,2003年4月

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