基于LabVIEW的虛擬教學實驗平臺的構建與實現(xiàn)

張猛

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

基于LabVIEW的虛擬教學實驗平臺的構建與實現(xiàn)

張猛

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

虛擬技術的發(fā)展使數(shù)字信號處理實驗的分析設計過程得以在計算機上輕松、準確、快捷地完成。本文介紹了基于LabVIEW的數(shù)字信號處理實驗系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有參數(shù)調節(jié)方便、易實現(xiàn)、可靠度高等優(yōu)點。

LabVIEW;數(shù)字信號處理;虛擬實驗

0引言

隨著微電子技術、計算機技術、網(wǎng)絡通信技術和軟件技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的儀器開始向計算機化的方向發(fā)展。虛擬儀器(VI)概念的產生正是基于這樣一種技術背景。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個人計算儀器。它利用軟件在微機屏幕上構成虛擬儀器面板，在硬件的支持下對信號進行采樣，既可以進行實時的信號分析、顯示，又可以在離線條件下對存儲的采集結果進行各種軟件處理。通過軟件編寫及硬件配置，虛擬儀器可以實現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應用環(huán)境和對象的各種功能。虛擬儀器技術在國內正處于蓬勃發(fā)展之中，在測試、測控、教學、科研等領域獲得了廣泛的應用。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)可以根據(jù)不同單位各種特殊的要求，量身定做各種測量、測試儀器，以提高工作效率;

(2)可自行開發(fā)軟件來升級各種測量、測試儀器，以適應不斷發(fā)展的需求;

(3)儀器的核心是軟件，虛擬儀器升級周期短，費用低廉;

(4)其開放、靈活的架構可隨計算機同步發(fā)展，與周邊設備、網(wǎng)絡互聯(lián)容易;

(5)依托計算機強大的資源，虛擬儀器具有很強的數(shù)據(jù)處理、存儲和分析能力。

1 工具LabVIEW

1.1 LabVIEW開發(fā)平臺簡介

LabVIEW是一個完全的、開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應用軟件，利用它組建儀器測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡化程序的設計。LabVIEW與Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等編程語言不同，后者采用的是基于文本語言的程序代碼(Code)，而LabVIEW則是使用圖形化程序設計語言G(Graphic)，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。LabVIEW所運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程和思維過程非常的相似。

1.2 LabVlEW程序設計的一般過程

LabVIEW程序設計主要包括前面板的設計、框圖程序的設計和程序的調試。

(1)首先創(chuàng)建前面板前面板中主要由輸入控制器和輸出顯示器組成。利用工具模板來添加輸入控制器和輸出顯示器(添加后會在框圖程序中出現(xiàn)對應的指示器和控制器框圖)?？刂破髟试S用戶輸入數(shù)據(jù)到程序，指示器用來顯示程序運行的結果。

(2)框圖程序設計相當于源代碼的設計。對框圖程序設計主要是對節(jié)點、數(shù)據(jù)端口和連線的設計。節(jié)點是LabVIEW程序運行的要素，包括4種類型：函數(shù)、LabVIEW子程序、結構和代碼。

(3)程序的調試當前面板和框圖程序設計好以后，程序的執(zhí)行過程中可能會遇到很多的錯誤。如果程序不能執(zhí)行，運行按鈕會出現(xiàn)一個折斷的箭頭。點擊斷箭的運行按鈕會出現(xiàn)錯誤清單。調試的主要方法有：設置執(zhí)行程序為高亮方式、單步執(zhí)行和探針。

2 方案論證

2.1 可行性研究

在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號的獲取與采集是由以計算機為核心的硬件平臺來完成的。在此硬件平臺基礎上，調用測試軟件來完成某種功能的測試任務，便可構成該種功能的虛擬測量儀器。在同一硬件平臺上，調用不同的測試軟件的可構成不同功能的虛擬儀器。因此，出現(xiàn)了‘軟件就是儀器’的概念。如對采集的數(shù)據(jù)通過測試軟件進行標定和數(shù)據(jù)點的顯示就構成了一臺數(shù)字示波器;如對采集的數(shù)據(jù)利用軟件進行FFT變換，則構成了一臺頻譜分析儀……信號分析與處理要求取的特征值，如峰值，真有效值，均值，均方值，方差，標準差，以及頻譜，相關函數(shù)，概率密度函數(shù)等，如用硬件電路來獲取，其電路是復雜的，昂貴的，甚至是不易實現(xiàn)的，然而用軟件編程來獲取是很容易實現(xiàn)的。這是虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器具有的絕對優(yōu)勢所在。

LabVIEW提供了各種常用的包括信號時域分析，相關分析，曲線擬合，微分，積分等信號分析、處理所需的圖標。這些圖標各自對應一段軟件子程序，可在流程圖編輯窗口中的‘function’功能模板上的‘signal processing’子模板上方便的調出，供用戶編輯流程圖使用。

2.2 系統(tǒng)的功能作用

傳統(tǒng)的模數(shù)字信號處理教學往往是理論教學和實驗部分分開進行。教師在教室內用粉筆、黑板傳授抽象的理論知識，在黑板上畫電路圖，給學生分析電路特性，分析電路隨著某一元件的變化而變化的情況。教師講得辛苦，卻得不到理想的效果;學生聽課吃力，往往不得要領，很難對有關理論留下深刻的印象。進行實驗，其主要目的就是為了檢驗課堂上傳授的理論知識，加深對理論的理解和記憶。但是我們很難將一個實驗搬到課堂中來，倘若有虛擬實驗室，便可以很方便地利用其在課堂上進行演示，讓抽象的理論及時得到檢驗，給予學生感官上的認識，達到從感性認識到理性認識的有機過渡。

輔助實驗教學的開展，為學習者提供一個檢驗數(shù)字信號處理理論知識的環(huán)境。充分利用計算機快速準確將繁瑣的計算公式通過編制程序計算出結果，畫出精確仿真圖線，幫助學生理解和分析復雜的電路。學生可以獨立使用自己計算機中構建的虛擬實驗室，主動設疑、實驗，不斷地得到實驗結果;并且可以修改參數(shù)，在不必擔心損壞儀器的情況下，迅速進行實驗仿真，檢驗自己對所學知識的掌握情況，這對提高學生的學習積極性，提高教學水平是有益處的。

實驗虛擬化，把實驗室搬到了網(wǎng)絡，更加完善了數(shù)字信號處理這門課的遠程教學。

3 程序設計舉例

設計舉例虛擬調制解調器。用該調幅波解調器可觀察調幅波，以及經(jīng)過巴特沃斯濾波器后的解調信號波形。

3.1 調制解調原理

(1)調幅波的數(shù)字表達式及其特性

在u(t)=Em*z(t)*sinω0t式中。Em—常量，(—高頻載波角頻率，z(t)—低頻緩變信號，其上限角頻率為Ω。該式就是調幅波的一般數(shù)字表達式，它反映了低頻緩變信號z(t)對一高頻ω振蕩信號sinω0t的控制。通常一般將控制高頻信號的緩變信號稱為調制信號，載送緩變信號的高頻ω0振蕩信號sinω0t稱為載波。利用信號z(t)來控制或改變高頻振蕩的幅值稱為調制過程。

(2)調幅波的解調

調幅波u(t)的幅值反映調制信號數(shù)值的變化，在調制器之后加解調器，可將被測的調制信號z(t)與調幅波u(t)分離，并最后提取出來。解調器由乘法器和低通濾波器組成，其原理框圖如圖1所示：

圖1 解調器原理框圖

解調器中的乘法器有兩個輸入信號，一個是待解調的調幅波u(t)=Em*z(t)*sin(ω0t)式中，乘法器的另一個輸入信號ur(t)稱為參考信號，它應是與載波頻率ω0相同頻率的高頻信號，考慮到實際情況中，載波信號sinω0t會有一個相位差θ，則ur(t)為：ur(t)=Ur*sin(ω0t+θ)，于是，乘法器的輸出y(t)為

令A=Em*Ur，并根據(jù)三角函數(shù)關系，上式可寫為

y(t)=A*z(t)* sin(ω0t)*sin(ω0t+θ)當乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠遠小于頻率2ω0，并大于信號z(t)的最高頻率Ω時，上式中的頻率分量cos(2ω0t+θ)項將被低通濾波器大大衰減，而只有差頻信號項0.5*A*z(t)*cosθ輸出，于是解調器的輸出為f(t)為：

f(t)=0.5*A*z(t)*cosθ=k*z(t)

式中，k=0.5*A*cosθ為比例常量，可由實際標定得到。

3.2 前面板設計

在上例虛擬正弦信號發(fā)生器發(fā)的基礎上再增加一個正弦波發(fā)生器，為兩個正弦波發(fā)生器一個做載波，一個做調制信號。前面板設計同上例。需添加參數(shù)輸入型數(shù)字控件，用以設置低通濾波器的低截止頻率。增加三個輸出顯示型控件，分別用以顯示載波，調制波，解調波的波形。

設計完畢的前面板如圖2所示。

3.3 后面板程序框圖設計

在設計舉例虛擬正弦信號發(fā)生器的流程圖基礎上再增加一個正弦波發(fā)生器圖另外執(zhí)functions＞＞analyze＞＞signal processing＞＞filter＞＞butterwoeth filter.vi操作，調入巴特沃斯濾波器圖標。程序框圖如圖3所示。

3.4 運行檢驗

設置低頻調制信號的頻率為4Hz，幅值為1V，初始相位30，設置載波高頻信號的頻率為100Hz，幅值為1V，初始相位為60，設置巴特沃斯濾波器的低截止頻率為10Hz，設置對調制和載波信號的采樣頻率均為1000Hz，采樣點數(shù)均為512點。

運行結果如圖2所示：

圖2 虛擬調幅波解調器前面板

圖3 虛擬調幅波解調器后面板程序框圖

4 結語

通過使用LabVIEW構建虛擬教學實驗系統(tǒng)，采用模塊化的設計思想和圖形編程方式可高效，直觀的仿真出結果。同時可以看出，LabVIEW圖形化語言在處理較復雜的數(shù)字信號處理算法方面具有明顯的優(yōu)勢。這樣不僅可以幫助學生理解抽象的理論知識，對調動學生的學習積極性，激發(fā)學生的實驗興趣，提高實驗課的教學質量，起到了積極的作用。

［1］ Robert H Bishop，LabVIEW7實用教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［2］ 聶春燕，張猛，張萬里.MATLAB和LabVIEW仿真技術及應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2008，11.

［3］ 侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［4］ 劉君華，賈惠芹，丁暉，閻曉艷，虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2001.

［5］ 劉剛，王立香，張連俊.LabVIEW8.20中文版編程及應用.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［6］ 張易知，肖嘯，張喜斌.虛擬儀器的設計與實現(xiàn)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2002.

責任編輯：吳旭云

Construction and Implementation of Virtual Teaching Experiment Platform Based on LabView

ZHANG Meng
(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The development of virtual technology makes analysis and design process of digital signal processing experiment be easily，accurately and quickly completed through a computer.This article introduces an experimental system of digital signal processing based on LabVIEW，which has the advantages of convenient parameter adjustment，easy implementation and high reliability.

LABVIEW;digital signal processing;virtual experiment

TN911.7

A

1009-3907(2011)08-0019-04

2011-07-02

張猛(1972-)，男，吉林雙遼人，講師，碩士，從事電子信息、信號處理等方面的研究。