李欣 王帥群 徐志京

關(guān)鍵詞：彩色電視機原理；全電視信號；MATLAB；虛擬儀器；云桌面

0 引言

彩色電視機原理實驗課是一門電子工藝與生產(chǎn)實習范圍內(nèi)的實踐課程，已經(jīng)開設(shè)多年。課程主要采用模擬彩色電視實驗箱為主要實驗設(shè)備。該課程的歷史悠久，實驗內(nèi)容較為繁雜。近年來，隨著數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展，模擬電視機已經(jīng)逐漸退出人們的生活和商業(yè)應用?？墒?，從技術(shù)發(fā)展的角度、課程設(shè)置的傳統(tǒng)和連續(xù)性來看，其包含的基本原理和模擬技術(shù)，如發(fā)射接收、調(diào)制解調(diào)、編解碼等，在許多領(lǐng)域或相關(guān)課程仍有應用，因此該課程還需要繼續(xù)進行。學生在此課程可以接觸到大量的儀器設(shè)備，如掃頻儀、示波器、萬用表等，有助于本科學生動手能力的培養(yǎng)；學生通過對彩色電視信號波形的直觀觀測，能夠較好的理解電磁信號測量相關(guān)的基礎(chǔ)知識，直觀地了解信號的發(fā)射接收、調(diào)制解調(diào)和相關(guān)硬件，對于通信原理、信號與系統(tǒng)等專業(yè)課程的學習有一定的幫助[1-2]。

在該課程的教學過程中，實驗設(shè)備的維護占用了大量時間，主要是彩色實驗機實驗箱芯片耐用性較差，接插件在實驗操作中易損。因此，實驗設(shè)備的維護每年都是必需的。但是，隨著數(shù)字電視的普及和技術(shù)的進步，該實驗箱的維修越來越困難，維修成本逐漸提高。因此，我們考慮主要采用虛擬仿真的教學方式，將該課程繼續(xù)設(shè)置。

本文主要探討在彩色電視機原理實驗課教學設(shè)備老化的情況下，利用虛擬仿真技術(shù)，通過改進教學方法，設(shè)計多種教學模式，幫助學生更好地理解專業(yè)知識，提高綜合實驗能力。

1 彩色電視機原理實驗課中存在的問題

彩色電視實驗箱（型號ASTV-1） 如圖1所示，設(shè)備所服務的彩色電視機原理實驗課程每學年72個學時，上課學生為兩個專業(yè)的四個班級約200人。由于時間年久、實驗箱的設(shè)計制造等原因，近幾年來發(fā)現(xiàn)其老化嚴重，很多不能正常使用，師生反映問題較多。

每學期上課之前實驗中心會請生產(chǎn)廠家進行維修調(diào)試。今年廠家調(diào)試后，發(fā)現(xiàn)一些接插件難以修復，個別芯片已經(jīng)停供。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)還有30臺實驗箱可以正常使用，但是也多少存在一些問題。在實驗教學過程中，部分實驗箱在開機約1個小時后即不能正常輸出電視信號，重啟也不行。多個實驗箱在使用過程中出現(xiàn)芯片異常發(fā)熱，多位同學報告芯片燙手，并伴隨有異味。少數(shù)實驗無法正常進行，例如，測量伴音集成電路芯片TA7243P的引腳電壓無法進行，強行測量容易造成短路；實驗測量“聲表面濾波器輸出”僅有兩臺設(shè)備可以正常出現(xiàn)波形；實驗“測量S曲線特性”也有多臺設(shè)備不能正常輸出目標波形。此外，實驗線纜損壞較多，彩色電視信號源（型號AS305E）今年也有一臺損壞，修復成本較高。

出現(xiàn)這些問題有多方面的原因：一是實驗箱本身硬件設(shè)計的問題，電路板芯片都暴露在外面，學生操作時不慎就可能短路損壞；二是年代久遠，目前生產(chǎn)此種模擬電視機實驗箱的廠家已經(jīng)寥寥，實驗箱元器件損壞較難補充；三是由于實驗測量操作任務繁重，大量學生頻繁操作儀器測量，不僅實驗箱有損耗，各種測量儀器和測量線纜的損壞率也較高。

為了解決這些問題，教師們在調(diào)研后認為，根據(jù)業(yè)界發(fā)展的情況，應改進該實驗課程教學方法，采用MATLAB仿真與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方式，解決原有的問題，甚至可以達到更好的教學效果。其主要思路是：在傳統(tǒng)實驗教學的基礎(chǔ)上，實驗內(nèi)容增加MATLAB 編程仿真和NI 公司的myRIO 虛擬儀器測量，基本實驗可以實現(xiàn)1～2位學生為一個小組進行；基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計1～2個大型實驗課題，學生選題進行分組實驗，每組最多3～5位學生，虛擬儀器提供接口可以與實驗室現(xiàn)有儀器設(shè)備對接；并可以為遠程網(wǎng)絡授課提供軟硬件基礎(chǔ)。

2 基于MATLAB 的彩色全電視信號設(shè)計

軟件平臺對彩色全電視信號進行編程仿真。MATLAB 軟件是美國MathWorks 公司出品的數(shù)學軟件，在國內(nèi)高校的教學和科研中的應用最為廣泛[3]。它可以用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計算等，是一種高級計算語言。同時它還包括交互式和可視化的環(huán)境。軟件主要由MATLAB和Simulink兩部分組成，基于OpenGL的圖形可視化是它的一個重要特色[4]。學生通過MATLAB程序設(shè)計，獲取直觀的圖形圖像輸出，不僅可以深入理解彩色電視機信號的構(gòu)成，還能提高學生的學習興趣和編程能力。

仿真實驗以常見的電視彩條信號為例。彩色全電視信號圖像如圖2所示，這是在電視機終端直接顯示的；MATLAB編程生成的全電視信號波形如圖3所示，以波形圖和頻譜圖的方式顯示。在圖3中，一個掃描行由行同步脈沖、消隱脈沖、色同步脈沖以及圖像信號波形構(gòu)成。MATLAB仿真實驗是學生在深入學習彩色電視機原理的基礎(chǔ)上進行編程仿真，可以研究亮度信號與色差信號；色度信號形成：正交平衡調(diào)幅；色同步信號；彩色全電視（FBYS） 及波形等內(nèi)容?；贛ATLAB的SIMULINK功能還可以實現(xiàn)更多更復雜的相關(guān)實驗。

3 基于虛擬儀器的彩色電視信號測量

虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通俗來說，就是將儀器“裝入”計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能[5-6]。對于實驗室的管理來講，虛擬儀器是統(tǒng)一標準的，大大降低了物理儀器設(shè)備參數(shù)的不確定性，也是是網(wǎng)絡遠程教學的重要基礎(chǔ)。

虛擬儀器技術(shù)具有較長的歷史，它是在PC機出現(xiàn)以后發(fā)展起來的；隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和人們需求的拓展，虛擬儀器技術(shù)近十余年來發(fā)展較為迅速。在虛擬儀器領(lǐng)域，采用NI公司生產(chǎn)的軟硬件設(shè)備較多，不但實現(xiàn)了儀器級的虛擬仿真，而且逐漸可以用于遠程實驗。NI公司對虛擬儀器和LabVIEW長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)至今已經(jīng)形成了較為完善的工業(yè)和教學產(chǎn)品體系。LabVIEW是一種用于虛擬儀器和圖形化編程的軟件環(huán)境，編程語言主要是G語言，廣泛應用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。圖形化編程是Lab?VIEW的主要特點：基于通用計算機等標準軟硬件平臺，內(nèi)置許多簡化編程復雜度的功能和函數(shù)，從而可以實現(xiàn)功能強大且人機界面友好的仿真實驗系統(tǒng)。人們通過在計算機上用LabVIEW搭建仿真原型，來驗證設(shè)計的合理性，提高了可復現(xiàn)性，非常的方便和高效。LabVIEW與MATLAB的Simulink的可視化具有異曲同工之處，只是LabVIEW更側(cè)重模擬儀器設(shè)備的功能和界面效果。配合NI公司的通用硬件，可以實現(xiàn)更為底層的實驗室功能，這比MATLAB在實驗教學方面更進一步。

在高校教學領(lǐng)域，如果使用LabVIEW進行實驗設(shè)計，可以達到與硬件實驗基本相同的效果。在硬件條件不具備或者遠程教學的條件下，使學生不致失去實踐的機會。近年來，LabVIEW的功能不斷豐富，應用范圍也在拓展。因此，利用LabVIEW虛擬儀器方法進行高校實驗教學成為可能[7-8]。學校實驗室與北京普源精電公司（Rigol） 合作，采用基于網(wǎng)絡儀器設(shè)備和UltraLab軟件的實驗管理解決方案，實現(xiàn)遠程在線實驗教學管理。該軟件易于上手使用，引導性的安裝和啟動界面可使學生更快地熟悉操作，幫助學生學習眾多工程概念，完成設(shè)計項目；在線獲取實驗報告數(shù)據(jù)和儀器使用情況數(shù)據(jù)；同時，確保實驗過程的安全性，適合用于高校的實驗課教學。

利用NI虛擬儀器軟硬件設(shè)備，結(jié)合教學大綱和教學的實際情況，進行彩色電視機原理實驗，可以提供豐富的實驗項目，如圖4所示。在實驗過程中，學生可以使用實驗室原有的測量儀器，如掃頻儀、示波器、萬用表等，對虛擬儀器信號輸出接口進行測量，觀察對應的信號圖形。教師可以讓學生學會靈活地使用該實驗平臺，有助于學生充分理解課程當中的一些基本原理和概念，并以此為平臺培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在遠程實驗方面，可以構(gòu)建一個從物理信號到遠程桌面訪問的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過Web應用技術(shù)將數(shù)據(jù)實時顯示和發(fā)布，并可以與客戶端的虛擬儀器無縫銜接。如圖5所示，在此基礎(chǔ)上，學生和教師采用NI虛擬儀器開發(fā)更為復雜的電子通信和信號處理方面的教學教具、實驗平臺以及實用設(shè)備等，與UltraLab實驗管理方案相結(jié)合，實現(xiàn)校園網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)的虛擬儀器實驗教學[9-10]。

4 教學管理的改進

在具備了虛擬儀器和MATLAB相結(jié)合的彩色電視機原理實驗教學條件之后，我們可以進行網(wǎng)絡遠程實驗授課，解決特殊情況下的部分實驗教學問題。

當前，網(wǎng)絡授課已經(jīng)成為高校教學的重要組成部分。網(wǎng)絡教學有一些優(yōu)點。例如，打破了傳統(tǒng)教學在時空上的局限，可以隨時隨地進行；享有豐富的網(wǎng)絡多媒體互動材料，易于拓寬大學生知識面；分享學習經(jīng)驗、共同探討問題、互相協(xié)作變得更加方便，等[11-12]。

但是，對于實驗教學來說，網(wǎng)絡授課尚不能在物理上實現(xiàn)對于實驗設(shè)備的操作。對于彩色電視機原理實驗課，我們試圖進行一些初步的嘗試。首先，在實驗室建設(shè)了云桌面系統(tǒng)（Cloud Virtual Desktop，CVD） 。通過云桌面技術(shù)，將MATLAB軟件和虛擬儀器軟件安裝到云桌面模板虛擬機上。學生在遠程通過瀏覽器或者專用的客戶端軟件，連接指定的云桌面服務器，獲取配置好的虛擬儀器實驗系統(tǒng)。教師通過云桌面管理系統(tǒng)，可以進行遠程授課、遠程桌面監(jiān)控、教學和考核等。通過虛擬儀器軟件和云桌面的授課，學生可以獲取與實際實驗室授課相同的信息；甚至一些實驗室不具備的儀器，虛擬儀器軟件也可以提供；期望能夠達到該實驗課程要求的教學效果。

在本實驗教學中，學院前期已經(jīng)建設(shè)了虛擬仿真實驗基礎(chǔ)設(shè)施，采用基于Xenserver硬件服務器資源的云桌面系統(tǒng)資源分配，針對不同桌面場景，可同時分配的40～80個虛擬桌面供學生客戶端使用。因此，在Xenserver模板虛擬機基礎(chǔ)上，分別基于Windows 10和Ubuntu 18.04配置實驗環(huán)境。在實驗室內(nèi)交換機直連的環(huán)境下，可以實現(xiàn)無延遲虛擬桌面實驗；在遠程云桌面環(huán)境下，學生客戶端提前緩存數(shù)據(jù)后，也可以實現(xiàn)實時的實驗操作。遠程網(wǎng)絡實驗課教學的初步實踐，既可以應對當前疫情下實驗教學的不足，也為以后的實驗教學提供一種解決方案。

5 實驗教學效果期望

在實際教學過程中，先讓學生進行MATLAB和虛擬儀器編程實驗，了解要做的實驗內(nèi)容和預期的實驗結(jié)果，然后再進行實驗箱的實操訓練，可以提高實驗效率，減少硬件實驗設(shè)備的損耗，避免一些潛在的錯誤。同時，學生通過軟硬件結(jié)合的方式，加深了對所學內(nèi)容的理解，提高了應用能力。

例如，圖6是彩色電視機的集成彩色解碼電路的調(diào)試實驗，需要學生用示波器檢測R-Y，B-Y，G-Y三路信號，并通過實驗箱上的可調(diào)電位器進行調(diào)節(jié)，使波形盡量接近理想狀態(tài)。但是，由于對于彩色電視機解碼原理的不熟悉，不少學生分不清楚這三路信號，因此耗費大量時間，對示波器和實驗箱都造成較大損耗甚至損壞。在課程進行虛擬仿真改革之后，學生可以通過虛擬儀器軟件預先觀察到所需波形，然后再進行硬件實驗，既培養(yǎng)了編程技術(shù)，又提高了實驗效果。

在遠程網(wǎng)絡教學的條件下，教師通過云桌面向?qū)W生分發(fā)虛擬儀器實驗環(huán)境，并進行遠程授課和課堂管理，學生在各自的終端進行實驗，基本可以達到與實際實驗室教學相同的效果。

6 結(jié)束語

本文提出的基于MATLAB編程仿真和虛擬儀器技術(shù)的彩色電視機原理實驗教學方法，可以彌補硬件實驗設(shè)施的不足，提升教學效果的同時又幫助學生進一步理解該課程中的理論問題。MATLAB軟件和NI虛擬儀器軟硬件設(shè)備均具有較強的工程實用性，在實驗教學中使其與傳統(tǒng)實驗箱和實驗測量儀器結(jié)合應用，可以激發(fā)學生的學習興趣，更加有利于學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。