微波傳輸線3D虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李曉峰 薛小榮 廖欣

（1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）

（2.桂林電子科技大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）

“微波傳輸線”是微波技術(shù)的基本概念和基礎(chǔ)理論，“微波測量線實(shí)驗(yàn)”是微波技術(shù)課程中極為重要的內(nèi)容環(huán)節(jié)[1]。為了使實(shí)驗(yàn)原理清晰、便于觀察，傳統(tǒng)的測量線實(shí)驗(yàn)通常采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳輸線進(jìn)行試驗(yàn)，需要配套的系列微波波導(dǎo)器件，同時(shí)還需要微波信號(hào)源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率計(jì)、檢波器、電流計(jì)等儀器儀表，昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其維護(hù)成本是微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的痛點(diǎn)問題[2]；另外，微波傳輸?shù)奈锢砀拍畋容^抽象，觀測現(xiàn)象不直觀一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)問題。虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可以極大降低設(shè)備成本，而且還可以通過動(dòng)畫演示、仿真模擬等多媒體手段展示電磁波的分布及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，體現(xiàn)直觀生動(dòng)的優(yōu)勢[3-4]。

MATLAB 是基于矩陣的開發(fā)軟件，其用戶界面接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，具有面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)，能夠提供良好的開發(fā)接口和編程環(huán)境。同時(shí)，包含豐富的內(nèi)部函數(shù)和工具包，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和圖形處理能力，非常適合于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的函數(shù)編輯和數(shù)據(jù)處理。為了使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形象直觀、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象簡潔明了，實(shí)驗(yàn)過程交互便捷，本文實(shí)現(xiàn)的 “微波傳輸線”虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以MATLAB為開發(fā)平臺(tái)，以3ds Max 為建模工具，其他輔助工具有Adobe Photoshop、Premiere 等，能夠打包生成Windows 環(huán)境下的可執(zhí)行文件在PC 上運(yùn)行。學(xué)生能利用該系統(tǒng)對微波傳輸過程的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)搭建、現(xiàn)象觀測、數(shù)據(jù)測量，并結(jié)合匹配器件與Smith 圓圖進(jìn)行電路調(diào)整與匹配的相關(guān)系列實(shí)驗(yàn)，有效加強(qiáng)學(xué)生對理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。該系統(tǒng)也可用于課堂教學(xué)演示，使抽象理論直觀化，便于理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的結(jié)合[5-7]。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微波傳輸線虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)架如圖1 所示。考慮到微波實(shí)驗(yàn)涉及的內(nèi)容較為抽象，測量儀器操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置了“學(xué)習(xí)資料”和“儀器介紹”模塊，“學(xué)習(xí)資料”模塊提供與本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)講義、指導(dǎo)書、課件，介紹實(shí)驗(yàn)原理、方法，以及主要的理論知識(shí)點(diǎn)，也包括本系統(tǒng)的指南教程和一些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊曨l教程、仿真演示等，用戶通過瀏覽，可快速了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和使用方法，熟悉實(shí)驗(yàn)要求、選擇實(shí)驗(yàn)任務(wù)。該模塊還設(shè)置幫助功能，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，指南教程，是一個(gè)包含字幕和解說的視頻文件，利用文字、語音、軟件截圖等多媒體信息符號(hào)進(jìn)行合成，其作用是引導(dǎo)和幫助學(xué)生快速了解系統(tǒng)的功能和使用方法；其二，實(shí)驗(yàn)操作幫助，通過語音和文字提示對實(shí)驗(yàn)流程加以控制，對不規(guī)范操作進(jìn)行警告干預(yù)。

圖1：虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

“儀器介紹”模塊主要幫助使用者了解和熟悉常見微波儀器，提供儀器的3D模型, 利用動(dòng)畫演示或虛擬操作設(shè)置介紹儀器原理、特點(diǎn)、功能與使用方法等，用戶不僅可以通過閱讀有關(guān)儀器的文字介紹了解儀器,也可以移動(dòng)、縮放和旋轉(zhuǎn)儀器的三維模型,對儀器及按鍵進(jìn)行觀察和操控設(shè)置。另外，在儀器設(shè)備調(diào)用中,通過提示標(biāo)簽對儀器的結(jié)構(gòu)、按鍵名稱、功能、操作設(shè)置等進(jìn)行說明，即當(dāng)鼠器移動(dòng)到按鍵或接口部位時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)文本框?qū)υ摬考M(jìn)行功能介紹。

“操作平臺(tái)”是系統(tǒng)的核心模塊，主要實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的操作過程及數(shù)據(jù)處理等功能。實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)配備有儀器庫和元件器材庫，實(shí)驗(yàn)器件分類存放在器件庫供用戶選擇，所有儀器和器材都提供3d 仿真模型，允許用戶進(jìn)行設(shè)置與操作。模型結(jié)構(gòu)、界面布局、操作模式等盡可能與實(shí)物保持一致， 以增強(qiáng)真實(shí)感[6-8]。各儀器與元器件均定義相應(yīng)輸入函數(shù)、輸出函數(shù)、傳輸函數(shù)以及相互間的接口協(xié)議(含參數(shù)設(shè)置)。儀器庫中有常用微波測量儀器,包括信號(hào)源、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率計(jì)、頻率計(jì)、檢波器、電流計(jì)等；器件庫里的器件，部分采用標(biāo)準(zhǔn)件，如波導(dǎo)線、各類負(fù)載、可調(diào)短路器、校準(zhǔn)件、匹配件、隔離器、耦合器、轉(zhuǎn)接器等，還有一些是教師科研和教學(xué)中自行設(shè)計(jì)和制作的實(shí)物模型，比如常規(guī)天線、常用的雙端口器件、三端口器件和四端口器件等。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及過程設(shè)計(jì)

依據(jù)教學(xué)要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以微波測量線為基礎(chǔ)的系列實(shí)驗(yàn)，分為常規(guī)實(shí)驗(yàn)和自主實(shí)驗(yàn)兩部分。常規(guī)實(shí)驗(yàn)主要包括駐波觀測、駐波參數(shù)（反射系數(shù)、駐波比、阻抗等）測量、波長測量、功率測量、相移測量等內(nèi)容；自主實(shí)驗(yàn)則允許學(xué)生自定義負(fù)載、自定義填充介質(zhì)、自定義傳輸線特性、自定義電路結(jié)構(gòu)，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，完成匹配電路設(shè)計(jì)、電波參數(shù)測量、介質(zhì)特性測量等內(nèi)容。

圖2：波導(dǎo)測量線的3D 模型

圖3：實(shí)驗(yàn)搭建圖

實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)遵循實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作流程。對于常規(guī)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)等。對于自主實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)也提供引導(dǎo)提示信息，幫助用戶建立明確的任務(wù)規(guī)劃和操作步驟。實(shí)驗(yàn)過程突出操作交互性，增強(qiáng)學(xué)生的參與感和自主性。實(shí)驗(yàn)步驟僅給出流程性的引導(dǎo)，包括：原理預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇，實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)電路搭建、電路參數(shù)設(shè)定，儀器設(shè)置與測量，數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果提交，實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成等環(huán)節(jié)[8-9]。虛擬儀器的操作使用盡量還原實(shí)物操作的情景，讓學(xué)生對實(shí)際電磁儀器的結(jié)構(gòu)與使用方法有直觀認(rèn)識(shí)，操作過程完全遵照實(shí)際儀器的規(guī)范要求和操作流程。例如微波信號(hào)源，按下開機(jī)鍵后儀器屏幕會(huì)顯示一個(gè)開機(jī)模擬動(dòng)畫展示啟動(dòng)過程；啟動(dòng)后，用戶根據(jù)界面提示，通過按鍵對儀器進(jìn)行各項(xiàng)操作，微波信號(hào)源的初始設(shè)置主要有校準(zhǔn)、模式設(shè)定、參數(shù)設(shè)定等(例如頻率設(shè)置，功率設(shè)置)。數(shù)值設(shè)置可以通過數(shù)字鍵盤輸入，也可利用控制旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要包括三維模型創(chuàng)建、交互界面實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)幾個(gè)方面。

2.1 3D實(shí)驗(yàn)環(huán)境建模

圖4：參數(shù)虛擬測量實(shí)現(xiàn)流程圖

為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和交互性，實(shí)驗(yàn)所用儀器、器材、器件均采用3D 模型，能夠通過旋轉(zhuǎn)和縮放觀察到其結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)和尺寸。模型的搭建主要分為基礎(chǔ)建模和材質(zhì)貼圖兩個(gè)過程?；A(chǔ)建模采用3ds Max 完成，3ds Max 軟件提供有多樣的建模方式，通過不同“修改器”的命令組合來達(dá)到需要的效果。基礎(chǔ)建模由基本幾何體繪制、擴(kuò)展幾何體繪制以及兩者的結(jié)合獲得，可將整體儀器設(shè)備分為多個(gè)部分分別建模，通過多樣的“修改器”命令疊加進(jìn)行整合。材質(zhì)貼圖能夠保證儀器、端口及器件模型的逼真性，制作的貼圖主要有儀器按鈕貼圖、儀器面板貼圖和器件貼圖，所用材質(zhì)主要有普通材質(zhì)和金屬材質(zhì)，并進(jìn)行UVW 展開貼圖，制作的模型外觀、按鍵、接口以及部件的排布和用色，都盡可能與實(shí)際儀器設(shè)備保持一致[10-11]。圖2 所示為波導(dǎo)測量線的3D 模型。

2.2 交互界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的UI 界面主要包括首頁、儀器介紹、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等界面。通過MATLAB 的GUI 工具箱，運(yùn)行圖形用戶界面，選用相關(guān)控件進(jìn)行設(shè)計(jì)。GUI 工具箱包含豐富的菜單和控件。利用MATLAB 函數(shù)，包括控件的CreateFcn 和Callback 設(shè)計(jì),能夠定義控件的功能。例如對于電流計(jì)表頭可以利用plot、text 繪圖函數(shù)來完成，其標(biāo)尺位置及數(shù)值的設(shè)定與讀取可以通過set 函數(shù)和get 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互的真實(shí)感不僅來自于設(shè)備模型外觀結(jié)構(gòu)，更得益于相關(guān)操控部件(如旋鈕、開關(guān)、指示燈及顯示屏等)的交互性。以虛擬儀器為例，其前面板是用戶與儀器之間信息交流的界面。

本系統(tǒng)的儀器面板采用如下設(shè)計(jì)：

（1）對于需要定量顯示的信息,采用數(shù)字表示；

（2）對于需要定性觀察的信息采用曲線顯示；

（3）對于開關(guān)信息的輸入和顯示，采用按鈕和指示燈形式。

在使用儀器時(shí)，當(dāng)按下按鍵,儀器屏幕應(yīng)顯示相應(yīng)的內(nèi)容,所以需要針對按鍵設(shè)計(jì)和制作對應(yīng)的儀器屏幕內(nèi)容,并且儀器屏幕內(nèi)容要嚴(yán)格遵守儀器本身的邏輯(本系統(tǒng)所有儀器之間的遵守相同的接口協(xié)議)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)

對于一個(gè)選定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇實(shí)驗(yàn)器材、儀器及元器件,搭建實(shí)驗(yàn)電路,設(shè)置電路參數(shù)，調(diào)試設(shè)備，測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)任務(wù)。交互控制的基本操作通過GUI工具箱的相關(guān)控件和函數(shù)來設(shè)置完成。以傳輸線工作狀態(tài)觀測及阻抗匹配調(diào)試為例，實(shí)驗(yàn)需要用到微波信號(hào)源、波導(dǎo)可調(diào)衰減器、波導(dǎo)測量線、檢波器、直流微安表、雙T 調(diào)配器、短路負(fù)載、匹配負(fù)載和任意負(fù)載等,它們之間的連接關(guān)系如圖3 所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的各虛擬儀器元件的數(shù)據(jù)接收、處理以及數(shù)據(jù)反饋傳遞的流程圖如圖4 所示。微波信號(hào)源輸出的信號(hào)PS經(jīng)過波導(dǎo)衰減器功率衰減后為波導(dǎo)測量線提供輸入信號(hào)PIN，虛擬探針讀取測量線各點(diǎn)的電壓幅度值U，反射系數(shù)T，輸入阻抗Z 等參數(shù)，這些參數(shù)由輸入信號(hào)幅值和頻率、負(fù)載ZL、調(diào)配器電感L、電容C 以及探針在測量線的位置等變量共同決定，變量之間的關(guān)系由每一級(jí)傳輸函數(shù)和約束方程確定。通過探針在測量線上逐點(diǎn)移動(dòng)，可測得電壓振幅沿線的分布波形并顯示在展示區(qū)域。系統(tǒng)結(jié)合虛擬矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀器設(shè)計(jì)了Smith 圓圖，通過查看調(diào)用可直接讀取Smith 圓圖上阻抗和反射系數(shù)的數(shù)值,也可利用Smith 圓圖通過雙T 調(diào)配器進(jìn)行電抗和電納調(diào)節(jié),使阻抗變化點(diǎn)接近匹配點(diǎn)[12]。

3 結(jié)語

本文采用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以“波導(dǎo)測量線”為基礎(chǔ)的微波傳輸測量實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)構(gòu)建了3D 形式的實(shí)驗(yàn)儀器和器材，模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)過程，支持學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)電路、設(shè)置和操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能夠完成微波傳輸狀態(tài)觀測、參數(shù)測量、匹配設(shè)計(jì)等各種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。系統(tǒng)利用圖形交互界面和多媒體技術(shù)使得實(shí)驗(yàn)過程清晰、生動(dòng)、直觀，更好地將抽象理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行結(jié)合，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，也降低了微波實(shí)驗(yàn)的成本。該系統(tǒng)的開發(fā)是虛擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的結(jié)合，是虛擬技術(shù)在抽象理論課程教學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)探索，也是對微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)擴(kuò)充和支撐。