用MATLAB和数据采集工具箱支持本科生研究

我们怎样才能让本科工程专业的学生在很短的时间内解决有意义的现实问题呢?本科研究项目是一个潜在的解决方案，但实施这些项目具有挑战性。大多数本科工程师直到大三第一学期才准备好进行有用的研究。此外，要解决现实世界的问题，学生需要访问现实世界的数据，如果不花宝贵的时间学习如何使用专门的数据获取系统语言，通常很难获得这些数据。

在弗吉尼亚军事学院(VMI)的电子与计算机工程系，我们相信我们已经找到了一种克服这些困难的有效方法。因此，我们的学生开发了许多创新的解决方案，包括一个将拥挤的车库中的汽车引导到最近停车位的系统，帮助外科医生安全地植入血管内支架的医疗设备，以及一个在塌方后定位被困矿工的系统。

要取得成功，最重要的是尽早教授学生基本的编程技术和结构。所有电气工程(EE)新生在VMI采取电气工程中的计算机工具在那里他们学习C, c++和MATLAB^®．他们在整个大学生涯中继续建立他们在MATLAB的熟练程度，因此在他们的大三和大四，学生可以看到一个方程在课堂上提出，并立即可视化为MATLAB结构。有了MATLAB的熟练程度，他们可以承担课程中所要求的严格的实验室工作，如EE 431:数字信号处理．

用MATLAB完成数字信号处理实验室

EE 431:数字信号处理是一个16周的高级课程，介绍离散时间信号和系统。涵盖的主题包括离散时间信号和数字信号的表示，线性离散时间信号和系统的分析，频率响应，离散傅里叶变换，Z变换，采样数据系统。

学生在14节实验课中完成6项作业。在前两个作业中，他们回顾了MATLAB概念，并使用干图生成和显示离散信号。他们还学习在MATLAB中构造脉冲信号、阶跃信号和复指数信号。

在第三个实验室，他们应用卷积和滤波来减少语音记录中的回声污染。接下来，学生学习通过检查心脏信号的频率分布来计算和解释信号的离散时间傅里叶变换(DFT)。第五个实验的重点是录音的频率分布，学生通过计算和解释离散时间信号的DFT来检查。

在第6个实验中，学生小组将他们对DSP概念的理解应用到他们自己选择的现实问题中。许多这样的努力已经发展成为全面的研究项目。例如，一个团队开发了一种新颖的方法来编码MP3文件中的隐藏数据。

课程结束时，每个小组向全班同学展示他们的项目。学生们通常会开发一个基于MATLAB的GUI，他们会在演示中演示这个GUI。MATLAB是一个很好的演示工具，因为它使学生能够在开发过程中展示结果，并说明因果关系。

一些团队向风险投资家和其他团体进行演示，以筹集资金申请专利。其他人则与VMI的商科学生合作，授权他们开发的技术。

从课堂到独立研究

而最后的实验项目EE 431:数字信号处理激发学生的研究欲望，EE 491:独立研究而且EE 492:独立研究给他们一个走得更远的机会。本科生研究项目不同于典型的教师研究项目。大多数教员的研究需要大量的背景知识，而且需要很长的时间跨度。因此，学生通常被分配的是小的、打包的项目，这使他们无法理解正在解决的大问题的背景。VMI自主学习课程中的学生驱动项目真正给予了学生自主权，并激励了他们的工作。

我们可以给他们提供这些机会，部分原因是数据采集工具箱™允许他们使用他们已经知道的MATLAB设计环境读取和控制从万用表到地震检波器的传感器。

一个特别成功的独立研究项目涉及血管内支架的放置，这是一种插入人体动脉以保持血管畅通的空心管。学生使用MATLAB和数据采集工具箱构建了一个系统，该系统使用电容式压力传感器，在手术过程中为心脏病医生提供实时反馈。该系统使用来自Measurement Computing公司的低成本数据采集设备，通过USB连接监测三个通道上的压力传感器。MATLAB图形用户界面显示动态柱状图，显示球囊压迫动脉壁时施加的压力(图1)。

该项目被评为美国IEEE六个区域中最好的学生论文，其中一名参与该项目的学生获得了一篇荣誉论文。

在塌方后找到被困矿工是我们的本科工程师最近解决的另一个紧迫问题。矿工们用来与地面小组联系的地面线路在灾难发生时经常被切断。因此，救援队伍无法知道在哪里挖供气通道。VMI的学生工程师开发了一个通信系统，使用一个改装的汽车音响扬声器和一个12伏扬声器来传输地震波。拆除扬声器的膜片，并使用其磁铁以预先确定的频率将地震能量直接传导到矿井壁上(图2)。

在地面上，地震检波器接收隐藏在10万倍以上噪声中的微弱正弦地震波。检波器产生高阻抗电压，通过MATLAB设计的硬件对其进行滤波和放大。学生们使用数据采集工具箱对电压信号每秒采样5000次。使用MATLAB，学生们开发了一个GUI和算法，执行实时傅里叶分析，从噪声中分离出所需的信号。

对于一个典型的本科生来说，用c++或类似的语言编写这些算法太复杂了。MATLAB消除了这种复杂性，让他们用大一时学过的语言工作。

当信噪比在整个带宽内保持恒定时，每个可解析频率库的信噪比随时间而提高。在几秒钟内，系统就能识别出矿工使用的频率，从而将矿工的位置和状况告知救援队伍，以便他们知道在哪里钻孔(图3)。

学生们在2008年获得了该系统的专利，并希望在2010年看到它投入生产。

把成功发扬光大

虽然本科研究计划的成功不仅仅取决于学生的准备，早期向学生介绍MATLAB并鼓励MATLAB技能的持续发展是本科研究项目的关键。由于学生在开始研究时已经精通MATLAB，他们可以充分利用MATLAB环境进行数据采集、后处理、实时分析和GUI开发。因此，他们可以将课堂和研究时间集中在富有成效的工作上，而不是在多种工具和数据格式之间切换的机制上。其结果是有意义的研究和一些可能拯救生命的发明。事实上，在过去的五年里，我们系大约四分之一的毕业生被命名为专利发明人。