霍連利

(75660部隊,廣西桂林 541002)

基于MATLAB的虛擬實驗室建設

霍連利

(75660部隊,廣西桂林 541002)

本文通過創(chuàng)設虛擬的實驗環(huán)境,建設了信號處理虛擬實驗室,結合教學實踐,提出科學合理的虛擬實驗室構建方案。首先介紹了虛擬實驗室的特點及功能,其次給出了利用MATLAB軟件創(chuàng)設虛擬實驗環(huán)境,構建信號處理虛擬實驗室的方法,最后說明了虛擬實驗室對實驗室課程建設的重要性,達到了良好的實驗效果,值得進一步的研究。

MATLAB 信號處理 虛擬實驗室

虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI將C語言平臺數(shù)據(jù)采集、分析和表達等測控專業(yè)工具有機結合起來。它的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的的功能面板和庫函數(shù)，為熟悉C語言的開發(fā)人員開發(fā)檢測、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。MATLAB是一種面向科學和工程的高度集成化的高級語言。使用MATLAB編程運算與人進行科學計算的表達方式和思路完全一致，也能使學員把重點放在對概念和方法的理解上，而不是算法的編程上，從而大大提高實驗效率。

我們采用LabWindows/CVI和MATLAB語言混合編程，通過創(chuàng)設虛擬的實驗環(huán)境，建設了信號處理虛擬實驗室。

1 軟件設計思路

1.1 信號處理虛擬實驗室特點

與傳統(tǒng)硬件信號處理實驗比較，虛擬實驗具有以下優(yōu)點：虛擬環(huán)境下的實驗具有較強的引導性；實驗成本低且實驗器材的選擇余地大，易于實現(xiàn)較為復雜的實驗過程。實驗所需的時間較少，實驗效率高，不必擔心損壞實驗設備，能輕松的進行邊緣情況的實驗；便于記錄和分析實驗過程和實驗結果。在實現(xiàn)過程中，該軟件調用MATLAB的各信號處理函數(shù)、MATLAB自帶的專門完成信號處理任務的SPTooL、FDATooL工具箱，同時利用MATLAB和CVI語言的混合編程實現(xiàn)整個虛擬實驗室的所有功能。

1.2 軟件結構及模塊功能

軟件的具體結構如圖1所示。各模塊所要實現(xiàn)的功能如下：

實驗內容。識別學員所需要的實驗，不僅包括通用教材上的，也包括和日常生活聯(lián)系較為密切的實驗。

實驗目的和要求。對學員選擇實驗目的和要求的規(guī)定，要盡可能降低操作者實驗的盲目性。

實驗方法和注意事項。該模塊主要實現(xiàn)對所選實驗的方法的列舉和論述；并在其中選擇最適合學員的一種作為最后的方法。同時，在敘述過程中，會認真的提醒操作者所需要注意的事項。

實驗過程指導。該模塊是整個軟件的核心和關鍵，它不僅要完成實驗過程指導，而且要對實驗出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進行描述和分析，在此模塊中，還包括參數(shù)處理、信號分析、信號抽樣仿真、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)特性仿真五大模塊。各個模塊的主要功能如下：

參數(shù)處理。完成學員對自己要做實驗參數(shù)的自行設定，即使學員不設定，每一個參數(shù)都能有默認的參數(shù)。

信號分析。由于數(shù)字信號處理的實驗主要是完成對輸入信號的濾波等操作，所以對學員所輸入信號特性的分析是不可少的，如信號的頻譜、功率譜等。

信號抽樣仿真。數(shù)字信號的處理方式要求將連續(xù)信號進行離散化。

濾波器設計及系統(tǒng)分析。包括模擬濾波器設計和數(shù)字濾波器設計兩個部分。對于某個實驗系統(tǒng)的分析也是不可少的，這是一般科學實驗過程不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)，如系統(tǒng)的線性、穩(wěn)定性以及圖形的繪制。

系統(tǒng)特性仿真。主要是在系統(tǒng)分析的基礎上進一步完成各種特性的可視化。

實驗結果分析。主要是在圖形上對輸入輸出信號進行對比，明確該系統(tǒng)的功能。

實驗報告輸出。該模塊是整個軟件的智能核心，它是模擬正常實驗后的實驗報告，將整個實驗過程作記錄，并完成最后的匯總輸出。

2 構建實驗環(huán)境

在整個軟件的設計過程中，由CVI設計出友好的界面，創(chuàng)設出虛擬實驗環(huán)境，具有引導和交互功能，并能根據(jù)要求調用MATLAB。用戶可以很方便地在適當?shù)拇翱谶x取和修改數(shù)據(jù)，從而驗證系統(tǒng)參數(shù)的選取對整個系統(tǒng)的影響，進一步加深對信號處理原理的理解和各知識點的對比。除了要完成使用的各個部分的功能外，還可以調用SPTooL和FDATooL兩個工具箱作為對某一特定的信號和濾波器分析和設計，更好的發(fā)揮作用。

SPTooL是MATLAB的信號處理工具箱中一個具有交互式圖形用戶界面的信號處理工具，專門用于完成常用的數(shù)字信號處理任務。這個工具包含了工具箱中許多重要函數(shù)功能，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、濾波器與功率譜的分析、處理和操作。它由信號瀏覽器、濾波器設計程序、濾波器查看程序和功率譜查看程序四個模塊組成。FDATooL 是MATLAB的另一個專門用于濾波器的設計和分析的工具，它專屬于MATLAB的FDATooL中，它可以較好的實現(xiàn)濾波器的設計及對濾波器的幅頻、相頻、零極點分析及其階躍響應等。

3 系統(tǒng)使用效果

理解原理更加形象準確。由于信號處理算法中采用了大量的數(shù)學推導，學員對算法的理解大多局限在數(shù)學層面上，比較抽象。而實驗的結果是，處理前后的信號或系統(tǒng)都是以圖形的形狀出現(xiàn)的，這就加深了學員對信號處理算法和原理的理解。

利于調動學習積極性?，F(xiàn)在實驗室課的內容大多是驗證和理解課堂教學內容，但是，如此單一層次的實驗內容結構對能接觸到大量現(xiàn)代化信息和媒體的學員來說已經(jīng)不能滿足其學習的需要，然而虛擬實驗正好可以彌補到實驗室做實驗的不足，可以較好的調動學員的學習積極性。

使用方便、價格低廉。學員拷貝該虛擬實驗系統(tǒng)后，就不需要和教員預約實驗室，不受時間和地點的限制，很方便地在自己的計算機上做實驗。另外，硬件實驗需要儀器表價格比較昂貴，計算機虛擬實驗則具有投資小，且達到相同甚至更好實驗效果的優(yōu)越性。

4 結語

建設信號處理虛擬實驗室的關鍵在于它突破了原先的只用計算機完成實驗的一部分，而不能處理實驗的整個過程的不足，可全程跟蹤實驗，并對其中的每一個步驟進行引導和提醒，直至將實驗報告完整生成。此外，虛擬實驗室為學員提供了大量的實例，為學員留下動手實踐的空間，同時學員也可以從中學習到數(shù)字信號處理的一些基本原理。

[1]鄒鯤,等.MATLAB信號處理[M].北京:清華大學出版社,2002.

[2]丁玉美,等.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學出版社, 2003.

[3]劉君華,等.虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI教程[M].北京:北京工業(yè)出版社,2001.

[4]黃國慶,李家良,等.仿真控制系統(tǒng)設計[J].電子測量技術,2005(3): 85-86.

霍連利(1958—),男,實驗教學副教授,主要研究方向:實驗教學與技術。