張猛

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

基于LabVIEW的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

張猛

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

虛擬技術(shù)的發(fā)展使數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)的分析設(shè)計(jì)過(guò)程得以在計(jì)算機(jī)上輕松、準(zhǔn)確、快捷地完成。本文介紹了基于LabVIEW的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有參數(shù)調(diào)節(jié)方便、易實(shí)現(xiàn)、可靠度高等優(yōu)點(diǎn)。

LabVIEW;數(shù)字信號(hào)處理;虛擬實(shí)驗(yàn)

0引言

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和軟件技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的儀器開始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展。虛擬儀器(VI)概念的產(chǎn)生正是基于這樣一種技術(shù)背景。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算儀器。它利用軟件在微機(jī)屏幕上構(gòu)成虛擬儀器面板，在硬件的支持下對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，既可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)分析、顯示，又可以在離線條件下對(duì)存儲(chǔ)的采集結(jié)果進(jìn)行各種軟件處理。通過(guò)軟件編寫及硬件配置，虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象的各種功能。虛擬儀器技術(shù)在國(guó)內(nèi)正處于蓬勃發(fā)展之中，在測(cè)試、測(cè)控、教學(xué)、科研等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)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(cè)量、測(cè)試儀器，以提高工作效率;

(2)可自行開發(fā)軟件來(lái)升級(jí)各種測(cè)量、測(cè)試儀器，以適應(yīng)不斷發(fā)展的需求;

(3)儀器的核心是軟件，虛擬儀器升級(jí)周期短，費(fèi)用低廉;

(4)其開放、靈活的架構(gòu)可隨計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與周邊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)容易;

(5)依托計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的資源，虛擬儀器具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和分析能力。

1 工具LabVIEW

1.1 LabVIEW開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介

LabVIEW是一個(gè)完全的、開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，利用它組建儀器測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。LabVIEW與Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等編程語(yǔ)言不同，后者采用的是基于文本語(yǔ)言的程序代碼(Code)，而LabVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言G(Graphic)，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。LabVIEW所運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過(guò)程和思維過(guò)程非常的相似。

1.2 LabVlEW程序設(shè)計(jì)的一般過(guò)程

LabVIEW程序設(shè)計(jì)主要包括前面板的設(shè)計(jì)、框圖程序的設(shè)計(jì)和程序的調(diào)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(lái)添加輸入控制器和輸出顯示器(添加后會(huì)在框圖程序中出現(xiàn)對(duì)應(yīng)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(lái)顯示程序運(yùn)行的結(jié)果。

(2)框圖程序設(shè)計(jì)相當(dāng)于源代碼的設(shè)計(jì)。對(duì)框圖程序設(shè)計(jì)主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)是LabVIEW程序運(yùn)行的要素，包括4種類型：函數(shù)、LabVIEW子程序、結(jié)構(gòu)和代碼。

(3)程序的調(diào)試當(dāng)前面板和框圖程序設(shè)計(jì)好以后，程序的執(zhí)行過(guò)程中可能會(huì)遇到很多的錯(cuò)誤。如果程序不能執(zhí)行，運(yùn)行按鈕會(huì)出現(xiàn)一個(gè)折斷的箭頭。點(diǎn)擊斷箭的運(yùn)行按鈕會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤清單。調(diào)試的主要方法有：設(shè)置執(zhí)行程序?yàn)楦吡练绞?、單步?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(hào)的獲取與采集是由以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)來(lái)完成的。在此硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，調(diào)用測(cè)試軟件來(lái)完成某種功能的測(cè)試任務(wù)，便可構(gòu)成該種功能的虛擬測(cè)量?jī)x器。在同一硬件平臺(tái)上，調(diào)用不同的測(cè)試軟件的可構(gòu)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(duì)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)試軟件進(jìn)行標(biāo)定和數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示就構(gòu)成了一臺(tái)數(shù)字示波器;如對(duì)采集的數(shù)據(jù)利用軟件進(jìn)行FFT變換，則構(gòu)成了一臺(tái)頻譜分析儀……信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)差，以及頻譜，相關(guān)函數(shù)，概率密度函數(shù)等，如用硬件電路來(lái)獲取，其電路是復(fù)雜的，昂貴的，甚至是不易實(shí)現(xiàn)的，然而用軟件編程來(lái)獲取是很容易實(shí)現(xiàn)的。這是虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器具有的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)所在。

LabVIEW提供了各種常用的包括信號(hào)時(shí)域分析，相關(guān)分析，曲線擬合，微分，積分等信號(hào)分析、處理所需的圖標(biāo)。這些圖標(biāo)各自對(duì)應(yīng)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(diào)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(hào)處理教學(xué)往往是理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)部分分開進(jìn)行。教師在教室內(nèi)用粉筆、黑板傳授抽象的理論知識(shí)，在黑板上畫電路圖，給學(xué)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(xué)生聽(tīng)課吃力，往往不得要領(lǐng)，很難對(duì)有關(guān)理論留下深刻的印象。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其主要目的就是為了檢驗(yàn)課堂上傳授的理論知識(shí)，加深對(duì)理論的理解和記憶。但是我們很難將一個(gè)實(shí)驗(yàn)搬到課堂中來(lái)，倘若有虛擬實(shí)驗(yàn)室，便可以很方便地利用其在課堂上進(jìn)行演示，讓抽象的理論及時(shí)得到檢驗(yàn)，給予學(xué)生感官上的認(rèn)識(shí)，達(dá)到從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的有機(jī)過(guò)渡。

輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)檢驗(yàn)數(shù)字信號(hào)處理理論知識(shí)的環(huán)境。充分利用計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確將繁瑣的計(jì)算公式通過(guò)編制程序計(jì)算出結(jié)果，畫出精確仿真圖線，幫助學(xué)生理解和分析復(fù)雜的電路。學(xué)生可以獨(dú)立使用自己計(jì)算機(jī)中構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，主動(dòng)設(shè)疑、實(shí)驗(yàn)，不斷地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果;并且可以修改參數(shù)，在不必?fù)?dān)心損壞儀器的情況下，迅速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，檢驗(yàn)自己對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握情況，這對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)水平是有益處的。

實(shí)驗(yàn)虛擬化，把實(shí)驗(yàn)室搬到了網(wǎng)絡(luò)，更加完善了數(shù)字信號(hào)處理這門課的遠(yuǎn)程教學(xué)。

3 程序設(shè)計(jì)舉例

設(shè)計(jì)舉例虛擬調(diào)制解調(diào)器。用該調(diào)幅波解調(diào)器可觀察調(diào)幅波，以及經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器后的解調(diào)信號(hào)波形。

3.1 調(diào)制解調(diào)原理

(1)調(diào)幅波的數(shù)字表達(dá)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(hào)，其上限角頻率為Ω。該式就是調(diào)幅波的一般數(shù)字表達(dá)式，它反映了低頻緩變信號(hào)z(t)對(duì)一高頻ω振蕩信號(hào)sinω0t的控制。通常一般將控制高頻信號(hào)的緩變信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，載送緩變信號(hào)的高頻ω0振蕩信號(hào)sinω0t稱為載波。利用信號(hào)z(t)來(lái)控制或改變高頻振蕩的幅值稱為調(diào)制過(guò)程。

(2)調(diào)幅波的解調(diào)

調(diào)幅波u(t)的幅值反映調(diào)制信號(hào)數(shù)值的變化，在調(diào)制器之后加解調(diào)器，可將被測(cè)的調(diào)制信號(hào)z(t)與調(diào)幅波u(t)分離，并最后提取出來(lái)。解調(diào)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(diào)器原理框圖

解調(diào)器中的乘法器有兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)是待解調(diào)的調(diào)幅波u(t)=Em*z(t)*sin(ω0t)式中，乘法器的另一個(gè)輸入信號(hào)ur(t)稱為參考信號(hào)，它應(yīng)是與載波頻率ω0相同頻率的高頻信號(hào)，考慮到實(shí)際情況中，載波信號(hào)sinω0t會(huì)有一個(gè)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(yù)=Em*Ur，并根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，上式可寫為

y(t)=A*z(t)* sin(ω0t)*sin(ω0t+θ)當(dāng)乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頻率2ω0，并大于信號(hào)z(t)的最高頻率Ω時(shí)，上式中的頻率分量cos(2ω0t+θ)項(xiàng)將被低通濾波器大大衰減，而只有差頻信號(hào)項(xiàng)0.5*A*z(t)*cosθ輸出，于是解調(diào)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(shí)際標(biāo)定得到。

3.2 前面板設(shè)計(jì)

在上例虛擬正弦信號(hào)發(fā)生器發(fā)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)正弦波發(fā)生器，為兩個(gè)正弦波發(fā)生器一個(gè)做載波，一個(gè)做調(diào)制信號(hào)。前面板設(shè)計(jì)同上例。需添加參數(shù)輸入型數(shù)字控件，用以設(shè)置低通濾波器的低截止頻率。增加三個(gè)輸出顯示型控件，分別用以顯示載波，調(diào)制波，解調(diào)波的波形。

設(shè)計(jì)完畢的前面板如圖2所示。

3.3 后面板程序框圖設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)舉例虛擬正弦信號(hào)發(fā)生器的流程圖基礎(chǔ)上再增加一個(gè)正弦波發(fā)生器圖另外執(zhí)functions＞＞analyze＞＞signal processing＞＞filter＞＞butterwoeth filter.vi操作，調(diào)入巴特沃斯濾波器圖標(biāo)。程序框圖如圖3所示。

3.4 運(yùn)行檢驗(yàn)

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

運(yùn)行結(jié)果如圖2所示：

圖2 虛擬調(diào)幅波解調(diào)器前面板

圖3 虛擬調(diào)幅波解調(diào)器后面板程序框圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用LabVIEW構(gòu)建虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想和圖形編程方式可高效，直觀的仿真出結(jié)果。同時(shí)可以看出，LabVIEW圖形化語(yǔ)言在處理較復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這樣不僅可以幫助學(xué)生理解抽象的理論知識(shí)，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量，起到了積極的作用。

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

［2］ 聶春燕，張猛，張萬(wàn)里.MATLAB和LabVIEW仿真技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008，11.

［3］ 侯國(guó)屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)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(yǔ)言LabVIEW教程［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［5］ 劉剛，王立香，張連俊.LabVIEW8.20中文版編程及應(yīng)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

責(zé)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(hào)處理等方面的研究。