劉 辛，吳 薇

(武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

電子信息科學(xué)的專業(yè)課程有兩大特點(diǎn)，一是比較抽象，如信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、高頻電子電路、通信原理、模擬和數(shù)字電子技術(shù)等課程，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來(lái)幫助學(xué)生理解;實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在電子信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有非常重要的地位，是提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一個(gè)有效手段。學(xué)生只有通過(guò)足夠的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)才能加深理解并掌握所學(xué)的理論知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合起來(lái)。二是電子信息技術(shù)作為新的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展非常迅速，技術(shù)更新快，導(dǎo)致高校的課程特別是實(shí)驗(yàn)課程往往落后于技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要[1－2]。

目前國(guó)內(nèi)高校電子信息科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)大多采用各門課程的實(shí)驗(yàn)箱和傳統(tǒng)儀器搭建起來(lái)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而實(shí)驗(yàn)箱和傳統(tǒng)儀器的功能固定且單一，通常只能做一些操作性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和資源共享[3]。電子信息科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中暴露出功能弱、適用面窄、維護(hù)、使用、管理復(fù)雜及無(wú)實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能等弊端，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程費(fèi)時(shí)多、元器件損耗大。滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和死板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容側(cè)重于理論的驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練，每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容千篇一律，將學(xué)生的思維限定在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)，缺乏對(duì)其創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合能力的提高。這些在很大程度上制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高[4－5]。

筆者針對(duì)電子信息科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的通用實(shí)驗(yàn)儀器儀表，應(yīng)用LabVIEW強(qiáng)大的環(huán)境功能和友好的面板功能，通過(guò)建模和編程，對(duì)電子信息科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，并構(gòu)建電子信息科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選取和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的靈活設(shè)置，為電子信息科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)新的途徑。

1 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選取和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的靈活設(shè)置，構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電子信息科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

其中，信號(hào)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)可對(duì)生成的波形進(jìn)行頻率、幅度、相位等參數(shù)的設(shè)置和調(diào)節(jié);信號(hào)的時(shí)域分析包括實(shí)時(shí)顯示波形，測(cè)量電壓、頻率、周期等多種參數(shù);頻域分析包括幅值譜、相位譜、功率譜和FFT變換等;信號(hào)濾波處理主要對(duì)模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波分析和處理。

2 實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

電子信息科學(xué)專業(yè)仿真平臺(tái)主面板界面如圖2所示。由上方選項(xiàng)卡分別選擇信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)分析模塊和信號(hào)處理模塊，完成需求分析中的3大實(shí)驗(yàn)?zāi)K。學(xué)生可在3個(gè)模塊中任意選擇需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

2.1 信號(hào)產(chǎn)生模塊

信號(hào)產(chǎn)生模塊主要產(chǎn)生4種信號(hào)，分別為正弦波、三角波、鋸齒波和方波，在原始信號(hào)參數(shù)設(shè)置框中可以對(duì)其各種參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。信號(hào)產(chǎn)生模塊界面如圖3所示。左上信號(hào)類型選擇處可通過(guò)下拉框選擇要產(chǎn)生的信號(hào)類型，并通過(guò)下面的幾個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)改變其參數(shù)。重置信號(hào)部分可讓連續(xù)運(yùn)行的信號(hào)暫停下來(lái)便于觀察和記錄。圖3中演示的為正弦波發(fā)生器。

圖2 電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)主面板界面圖

圖3 信號(hào)產(chǎn)生模塊界面圖

2.2 信號(hào)分析模塊

信號(hào)分析模塊主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析[6－7]。系統(tǒng)時(shí)域分析需要對(duì)信號(hào)的電壓、周期、頻率進(jìn)行測(cè)量，頻域分析包括幅值譜、相位譜、功率譜和FFT變換。待分析的信號(hào)類型及相應(yīng)參數(shù)可自行選擇。圖4為信號(hào)分析模塊的主面板界面圖。該界面左方為信號(hào)的時(shí)域分析，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生模塊對(duì)應(yīng)輸入的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，其參數(shù)結(jié)果可與信號(hào)產(chǎn)生模塊對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)置做比對(duì)。右方區(qū)域?yàn)樾盘?hào)頻域分析，第一個(gè)窗口顯示信號(hào)的FFT頻譜，第二個(gè)窗口可通過(guò)下拉框選擇顯示信號(hào)的幅值譜、相位譜和功率譜。圖4為以正弦波信號(hào)作為原始信號(hào)的信號(hào)分析結(jié)果。

圖4 信號(hào)分析模塊主面板界面圖

2.3 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊包括信號(hào)自相關(guān)處理、信號(hào)濾波處理和信號(hào)微積分實(shí)驗(yàn)功能[8－9]。信號(hào)處理模塊主面板如圖5所示。信號(hào)濾波處理部分包括巴特沃斯濾波、切比雪夫?yàn)V波、IIR濾波和FIR濾波，且巴特沃斯濾波和切比雪夫?yàn)V波的截止頻率和濾波器階數(shù)的參數(shù)還可通過(guò)左邊的拉條進(jìn)行調(diào)節(jié)。右邊顯示窗口可選擇顯示信號(hào)的自相關(guān)處理、積分和微分的處理結(jié)果。圖5為以鋸齒波作為原始信號(hào)的FIR濾波及自相關(guān)處理結(jié)果。

圖5 信號(hào)處理模塊主面板界面圖

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的電子信息科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)分析和信號(hào)處理3大功能，完成信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)時(shí)域分析、信號(hào)頻域分析、信號(hào)自相關(guān)處理、信號(hào)濾波處理、信號(hào)積分與微分等實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)中參數(shù)靈活可調(diào)并可實(shí)時(shí)顯示，為電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的途徑。

[1] 王莉，楊鵬.基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(1):62－64.

[2] 李繼芳，王路跖，王哲，等.學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)用虛擬頻譜分析儀方案設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(3):47－49.

[3] 楊宏，李國(guó)輝，常淑娟.基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(7):155－158.

[4] 李海芳，張民，陳俊杰，等.LabVIEW下遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41(2):147－149.

[5] 何成平.虛擬儀器技術(shù)在輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(1):23－29.

[6] 胡容，范壽康，曲麗容.虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與研究[J].測(cè)試測(cè)量技術(shù)，2009(3):28－30.

[7] 張黎，蔡亮.LabVIEW下虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)控技術(shù)，2011，30(1):25－29.

[8] 黃金林.基于LabVIEW 的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，21(6):47－49.

[9] 吉淑嬌，邢笑雪.基于LabVIEW的信號(hào)分析與處理平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J]. 長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(2):157－159.