1. 引言
针对特定的研究目标相应的MATLAB程序中存在大量的重复模块，为了提高工作效率和程序的复用性，将本人经常使用的MATLAB程序模块重组设计成绘图辅助工具箱。
2. 功能简介
3. 标准参数对话框
3.1 问题描述
MATLAB除了数值计算代码的编写，我们往往修改输入参数，作为研究变量。如果直接在代码脚本中修改有两个问题：
- 修改不便，必须进入代码内部，找出相关变量；
- 不熟悉程序的人有可能将程序修改错误，得到错误的结果。
解决这一问题的一种方案是：采用参数对话框输入。但是，MATLAB自带的inputdlg函数功能有限，调用较为麻烦，因此在此基础上订制开发了paradlg。
3.2 功能要点
该函数的功能要点为：
- 创建标准化对话框
- 支持多种数据格式：标量、向量、字符串，自动判别
- 记忆上次输入参数
函数说明如下：
function para = paradlg(prompt0,dlg0,isShow)
% 题目:标准化对话框创建程序
% 输入:
% prompt0 -- 提示语以及默认参数，n*2
% dlg0 -- 可选定制化参数
% .width -- 对话框宽度
% .title -- 标题
% .save -- data_dlg后缀名
% isShow -- 是否弹出对话框，
% 输出：
% para -- 对话框输入参数，默认弹出，若isShow=0，则不弹出，数值取上次默认值
% 功能：
% 创建标准化参数输入对话框
% 支持 标量、向量、字符串
% 导出输入参数
% 记忆上次输入
3.3 基本调用方法
-
构造
prompt0数据，第一列为输入提示，第二列为默认参数； -
支持三类数据输入，标量、向量、字符串；
-
调用
paradlg函数，返回输入的数据集para； -
将
para中的元素依次赋值给目标的变量f_center，filename_pub，dt，f_range； -
调用代码示例
prompt0 = { % 对话框参数
'发射信号中心频率（kHz）', 100
'发射信号中心频率（kHz）','B1_C1_F'
'采样周期dt （e-9 s）',16
'绘图频谱范围（kHz）',[0 20]
};
para = paradlg(prompt0);
f_center = para{1}; % 发射信号中心频率（kHz）
filename_pub = para{2}; % 输出报告文件名
dt = para{3}; % 采样周期
f_range =para{4};
-
对话框
paradlg.jpg-25.5kB
- 参数读取结果
para =
[ 100]
'B1_C1_F'
[ 16]
[1x2 double]
mark
3.4 高级调用功能
如需控制对话框的宽度、标题，则在函数paradlg中输入第二个变量dlg0。
% dlg0.width -- 对话框宽度
% dlg0.title -- 对话框标题
% dlg0.save -- data_dlg后缀名
- 调用代码
prompt0 = { % 对话框参数
'发射信号中心频率（kHz）', []
'发射信号中心频率（kHz）','B1_C1_F'
'采样周期dt （e-9 s）',16
'绘图频谱范围（kHz）',[0 20]
};
dlg0.width = 100;
dlg0.title = '信号谱分析参数输入';
dlg0.save = 'freqpara'；
para = tools.paradlg(prompt0,dlg0);
f_center = para{1}; % 发射信号中心频率（kHz）
filename_pub = para{2}; % 输出报告文件名
dt = para{3}; % 采样周期
f_range =para{4};
-
对话框效果
mark
对于同一个程序，如果多次参数没有改变，可以让对话框不弹出：
para = tools.paradlg(prompt0,dlg0，0);
在不弹出对话框的情况下，直接载入上次设定的参数。
4. 文件读取模块
笔者自定义的文件读取模块，通过对系统默认函数改造得到，主要的改进是增加了路径记忆。
4.1 文件路径读取
函数说明
function [dir_name] = getdir()
% 题目：获取文件夹名称
% 输出：
% dir_name -- 文件夹路径
运行示例
- 运行函数
mydir = tools.getdir;
-
对话框
mark
- 获取路径
mydir =
D:\Coding\matlab\1701_tools
系统默认函数为：uigetdir。
4.2 获取完整文件名
函数说明
function [fullname,pathname,filename] = getfile(type,ext)
% 题目：读取文件全名、路径、文件名
% 输入：
% type -- 类型标识
% 输出：
% fullname -- 全名
% pathname -- 路径
% filename -- 文件名
运行示例
- 运行函数
[fullname,pathname,filename] = tools.getfile;
- 选取文件
mark
- 获取文件名与完整路径
fullname =
D:\Projects\1610-高频导波损伤监测\04.MATLAB\GUIGUW\g001.m
pathname =
D:\Projects\1610-高频导波损伤监测\04.MATLAB\GUIGUW\
filename =
g001.m
4.3 读取CSV数据文件
函数说明
function [data,para0] = getcsv(flag)
% 题目: 示波器输出csv数据标准读取
% 输入:
% flag -- flag==1，则弹出对话框，否则默认标准参数
% R0 -- 读取信号数据起始行数
% R1、C1 -- 特定单元格的位置参数
% 输出：
% data -- 信号数据
% para0 -- 特定单元格参数
% 功能：
% 从R0行开始读取信号数据，直到末尾
% 读取(R1，C1)单元格的参数
CSV数据说明
本程序特定针对DPO2024仪器输出的CSV信号数据，其格式为：
Model,DPO2024
Firmware Version,1.25
Point Format,Y,
Horizontal Units,S,
Horizontal Scale,0.0001,
Sample Interval,8e-09,
Filter Frequency,2e+08,
Record Length,125000,
Gating,0.0% to 100.0%,0.0% to 100.0%
Probe Attenuation,10,10
Vertical Units,V,V
Vertical Offset,0,0
Vertical Scale,20,1
Label,,
TIME,CH1,CH2
-1.28000e-04,-0.45,0.0198438
-1.27992e-04,-0.4,0.02
-1.27984e-04,-0.4,0.025
-1.27976e-04,-0.5,0.0151562
...
CSV数据在Excel中打开的视图如下：
mark
数据读取的要点在于：
- 需要跳过文件头的说明信息，以矩阵形式读取序列数据
- 需要读取特定单元格的参数，如Sample Interval
运行示例
- 运行代码
[data,para0] = tools.getcsv();
-
参数输入
如上所示，有效数据序列从17行开始；要读取7行2列的Sample Interval数据，在对话框输入7 2。
mark
-
数据结果
mark
- 不弹出参数对话框运行
第一次设置好读取参数后，后续不需要重复设置，即可记忆以前的设定及文件路径。
[data,para0] = tools.getcsv(0);
4.4 读取TXT数据文件
函数说明
function data = gettxt(nrow_start)
% 题目: 读取txt数据文件，跳跃文件头说明行
% 输入:
% nrow_start -- 起始行
% 输出：
% data -- 信号数据
数据格式
一般仪器输出的数据为CSV、raw等格式，而数值模拟输出的数据往往是标准的txt格式。
mark
运行示例
- 直接读取数据
data = gettxt()
- 跳过10行读取数据
data = gettxt(10)
-
对话框
mark
``gettxt`函数尚存一些问题，曾经发生读数出错，如果无法正常使用，可以采用以下方法;
filename = tools.getfile();
data = load(filename);
4.5 读取mat文件
函数说明
function data = getmat()
% 题目：读取只有一个变量的矩阵数据mat文件
数据格式
.mat是MATLAB默认的数据格式，一般直接通过命令导入即可，但如果以下面的方式导入：
data = load('matlab.mat')
mark
读入的数据会形成一个结构体，不便后续操作。本函数通过数据格式转换，保证读取的数据依然为矩阵形式。
运行示例
- 命令
data = tools.getmat;
-
对话框
mark
-
结果
mark
5. 绘图辅助
5.1 坐标轴与标题便捷标注
函数说明
function xyt(str_xyt)
% 题目：生成xlabel,ylabel,title
运行示例
- 绘制典型sine图像
figure
tools.plot0; % 绘制一个基本的sine
mark
- 添加坐标轴及标题标注
tools.xyt({'时间 s','位移 mm','A typical sine wave'}) % 图像标注
mark
以上代码相当于：
xlabel('时间 s')
ylabel('位移 mm')
title('A typical sine wave')
grid on
set(gcf,'color','white')
代码的集成效率大大提高。
5.2 图像刷白
函数功能
MATLAB默认绘图的图像有灰色底色，如：
mark
本函数的功能是figure底色改为白色，便于截图处理。
function white()
% 题目:图像刷白
set(gcf,'color','white');
grid on;
end % white
运行示例
- 调用代码
figure
tools.plot0;
tools.white;
-
运行效果
mark
5.3 图像中贯通直线绘制
函数说明
function xline(position,lineSpec)
% 题目：输入MATLAB默认颜色向量
% 输入：
% position -- [x y]，[1 0]在x=1处绘制竖线，[0 1]在y=1处绘制横线
% lineSpec -- 'r-*'
% 输出：辅助直线
% 示例：
% xline([0 6],'r-')
问题描述
这是一个没有难度，但经常出现的问题。
在MATLAB绘图中，除了基本的数据绘图，我们往往需要绘制辅助性直线。
MATLAB中绘制这样的直线很简单，只需确定两个点即可。但是要确定贯通方向的坐标范围，较为繁琐，还需要根据主体数据进行调整。
运行示例
- 测试代码
figure
tools.plot0;
tools.xline([pi/2,0],'r--') % 竖向直线
tools.xline([0,sin(pi/4)],'m-.') % 横向直线
-
绘图效果
mark
这一函数的不足之处在于，没有显示出直线所在的坐标刻度。
5.4 网格线增加绘制
函数说明
网格线增加绘制函数有两个：
- xGrid
- yGrid
function xGrid(x0,angle)
% 题目：图中增加x网格线
% 时间：2017.01.08
运行示例
- 测试代码
figure
tools.plot0;
tools.xGrid(pi/2,45)
tools.yGrid(sin(pi/4))
-
运行效果
mark
当坐标轴标签密集，显示不清楚，可以调整标签的角度。
5.5 当前图像保存为图片文件
函数说明
function saveGraph()
% 题目：保存gcf图像
% 功能：
% 自定义图片格式
% 自定义图片文件名编号
% 时间：2017.01.05
运行示例
- 基本图像绘制
figure
tools.plot0;
mark
-
图像保存对话框
此处可以输入文件名，批量存储图片，可以设置固定的前缀和后缀，以便查阅。
mark
-
批量存储图片效果
mark
快捷使用技巧
本函数仅支持存储当前figure中的图像，gcf。
此函数需要经常调用，可以设置为快捷方式
-
添加快捷方式
mark
-
编辑代码
mark
-
点击快捷方式
mark
5.6 默认颜色序列
函数说明
运行示例
5.7 典型快捷绘图
函数说明
运行示例
6. 数据操作
6.1 数字与字符串序列粘贴
函数说明
function str_x = paste(x,prefix,suffix)
% 题目：对数值序列粘贴前后缀，构成字符串
% 输入:
% x -- 数值序列
% prefix -- 前缀
% suffix -- 后缀
% 输出：
% str_x -- 合并后字符串
% 作者: 马骋
% 2016.04.17 @HIT
运行示例
- 测试代码
x = [1:10]';
str = tools.paste(x,'通道','原始信号');
- 运行效果
str =
'通道1原始信号'
'通道2原始信号'
'通道3原始信号'
'通道4原始信号'
'通道5原始信号'
'通道6原始信号'
'通道7原始信号'
'通道8原始信号'
'通道9原始信号'
'通道10原始信号'
这一功能主要用于多组数据绘图的legend字符串构造。
6.2 向量数值区间确定
函数说明
function rg = range(data)
% 题目：给出一个向量/矩阵的数值范围
本函数结合了max和min函数，主要用于绘图的坐标限确定。
运行示例
- 测试代码
x = 1:10;
x_range = tools.range(x)
- 运行效果
x_range =
1
10
6.3 行形式的数据转换列矩阵
函数说明
function mat = row2mat(row)
% 题目：将行向量或者行向量组成的矩阵转换为列向量形式
% 时间：2017.01.11
此函数用于矩阵形式的标准化，避免大量数据处理中矩阵维度不匹配的情况。
运行示例
- 调用代码
a = rand(2,4)
a2 = tools.row2mat(a)
- 运行结果
a =
0.6787 0.7431 0.6555 0.7060
0.7577 0.3922 0.1712 0.0318
a2 =
0.6787 0.7577
0.7431 0.3922
0.6555 0.1712
0.7060 0.0318
6.4 复数矩阵的归一化
函数说明
此函数用于信号处理中，复数结果的归一化计算。
function xNorm = norm(x)
% 题目:复数向量归一化
% 输入:
% x -- 复数向量
% 输出：
% xNorm -- 归一化后的向量
% 作者: 马骋
% 2016.04.17 @HIT
运行示例
- 测试代码
a = 2*rand(2,4)+rand(2,4)*i
a_norm= tools.norm(a);
a_norm_abs = abs(a_norm)
- 运行效果
a =
1.1376 + 0.1656i 0.0238 + 0.2630i 0.3244 + 0.6892i 0.6224 + 0.4505i
0.9388 + 0.6020i 0.6742 + 0.6541i 1.5886 + 0.7482i 1.0571 + 0.0838i
a_norm =
0.9896 - 0.1441i 0.5346 - 0.3428i
0.0207 - 0.2287i 0.3840 - 0.3725i
0.2821 - 0.5995i 0.9047 - 0.4261i
0.5414 - 0.3919i 0.6020 - 0.0477i
a_norm_abs =
1.0000 0.6351
0.2297 0.5350
0.6626 1.0000
0.6684 0.6039
注意，归一化以列向量为单位。
7. 信号处理
7.1 信号去趋势
函数说明
function data = clean(data0,tol)
% 题目：信号去除环境噪声（矩阵运算）
% 功能：去趋势项，对阈值一下的信号归零
% 输入：
% data0 -- 原始激励信号
% tol -- 阈值
运行示例
- 测试代码
M = tools.getcsv(0); % 读取csv文件
s = M(:,3); % 提取典型信号
s2 = tools.clean(s); % 信号去除环境噪声
figure
plot(s),hold on
plot(s2)
legend({'原始信号','去趋势信号'})
grid on
-
运行效果
mark
7.2 低通滤波器设计
此处简要介绍，低通滤波器设计的详细说明见：
函数说明
function y=lowp(x,para,isFreqz)
% 题目: 低通滤波器
% 输入:
% x -- 原始信号序列
% para.
% f1 -- 通带截止频率
% f3 -- 阻带截止频率
% rp -- 边带区衰减DB数设置
% rs -- 截止区衰减DB数设置
% fs -- 序列x的采样频率
% type-- 滤波器类型
% isFreqz -- 是否绘制滤波器曲线
% 输出：
% y -- 滤波后的信号
% 功能：
% 低通滤波，滤除高频噪音
% Cheby1
% Butterworth
% 注意：
% 通带或阻带的截止频率的选取范围是不能超过采样率的一半
% f1,f3的值都要小于fs/2
% rp=0.1;rs=30;%通带边衰减DB值和阻带边衰减DB值
运行示例
- 测试代码
[M,dt] = tools.getcsv(0); % 读取csv文件
s = M(:,3); % 提取典型信号
% 参数对话框
prompt0 = {
'低通滤波 fp-fs kHz', [500 700]
'低通滤波 Rp',0.1
'是否显示滤波器频谱',1
};
dlg0.save = 'myfilter';
para0 = tools.paradlg(prompt0,dlg0); % 对话框参数
para_lp.f1 = para0{1}(1)*1e3; % 滤波器 fp
para_lp.f3 = para0{1}(2)*1e3; % 滤波器 fs
para_lp.rp = para0{2}; % 滤波器 rp
para_lp.rs = 30; % 滤波器 rs
para_lp.fs = 1/dt; % 信号采样频率
para_lp.type = 1; % 滤波器类型：切比雪夫-1
flag = para0{3}; % 是否绘制滤波器频域曲线
s_lp = tools.lowp(s,para_lp,flag); % 输入信号-滤波
figure % 滤波前后对比
plot(s),hold on
plot(s_lp)
legend({'原始信号','滤波后信号'})
tools.white;
-
滤波参数对话框
mark
-
滤波器频域特性曲线
mark
-
滤波效果
mark
7.3 多波峰正弦信号生成
这一问题的详细描述见：T301|超声导波激励信号的生成与频谱分析
函数说明
function toneburst()
% 题目: 超声导波激励信号的生成与频谱分析
% 参数:
% N - cycle数，即激励信号波峰数
% fc - 激励信号中心频率
% 功能：
% 生成激励信号序列
% 绘制时域图和频域图
% 对比不同cycle数信号的特征
% 输出txt文件
% 作者: 马骋
% 2016.03.18 @HIT
运行示例
- 调用代码
[s,fs] = tools.toneburst;
-
参数对话框
mark
-
信号时程与频谱
mark
-
生成信号数据文件
mark
7.4 激励信号带宽计算
函数说明
此函数用于计算给定激励信号的频域带宽，确定信号宽带、窄带的指标，采用3Db带宽。
% 题目：计算给定信号的3db带宽
% 输入：
% fs -- 采样频率
% S -- 信号时程
% flag-- 是否绘制图像
% 时间：2017.01.10
```
### 运行示例
- 测试代码
```
[s,fs] = tools.toneburst;
[band3db,x0] = tools.getband3db(fs,s);
band3db_fk = band3db/1000;
```
- 运行结果
- 带宽数值z，单位为kHz
```
band3db_fk
=
28.1254
```
# 8. 其他函数
## 8.1 工具箱版本显示
### 函数说明
此函数用于记录程序的更新历程和版本信息。
```
function version()
% 题目：版本自动说明
```
### 运行示例
- 调用代码
```
tools.version
```
- 运行效果
```
版本说明：数据处理与信号绘图辅助工具箱
马骋,创建于2016.04.29
更新日志：
2016.04.29,增加xyt函数；
2016.04.30,增加getmat函数；
2016.04.30,更新paradlg冲突bug；
2016.05.03,更新paradlg空格bug；
2016.05.03,增加range函数；
2016.05.04,增加row2mat函数；
2016.05.06,增加html函数；
2016.05.06,增加clean函数；
2016.12.13,增加colorOrder函数；
2016.12.21,增加xline函数；
2017.01.05,修改paradlg函数，智能弹出；
2017.01.05,增加saveGragh函数；
2017.01.08,增加xGrid,yGrid网格线
2017.01.08,增加plot0函数；
2017.01.10,增加intersection函数；
2017.01.10,增加get3band3db函数；
2017.01.10,增加toneburst函数；
```
# 9. 使用技巧
## 9.1 工具箱的路径设置
自编MATLAB函数（如信号处理函数库tools.m），如果不做进一步的设置，往往只能在函数文件下下调用，如果工作路径在其他文件夹下则不能使用。
基本的解决方法是：将`tools.m`添加到MATLAB可以搜索的路径下：
- 设置添加路径对话框
```
pathtool
```
- 添加`tools`敢刷了所在的路径
## 9.2 函数帮助信息显示
输入函数名，按`F1`键，即可显示函数的帮助信息。
与MATLAB内置函数的帮助显示一样。
# 10. 更新与下载
本工具箱功能持续更新，代码托管于coding.net，下载网址为：
[coding.net-frank0449](https://coding.net/u/frank0449/p/matlab/git)
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