基于LabVIEW的虚拟教学实验平台的构建与实现
2011-09-19张猛
张猛
(长春大学 电子信息工程学院,长春 130022)
基于LabVIEW的虚拟教学实验平台的构建与实现
张猛
(长春大学 电子信息工程学院,长春 130022)
虚拟技术的发展使数字信号处理实验的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。本文介绍了基于LabVIEW的数字信号处理实验系统。此系统具有参数调节方便、易实现、可靠度高等优点。
LabVIEW;数字信号处理;虚拟实验
0引言
随着微电子技术、计算机技术、网络通信技术和软件技术的高速发展,传统的仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器(VI)概念的产生正是基于这样一种技术背景。虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算仪器。它利用软件在微机屏幕上构成虚拟仪器面板,在硬件的支持下对信号进行采样,既可以进行实时的信号分析、显示,又可以在离线条件下对存储的采集结果进行各种软件处理。通过软件编写及硬件配置,虚拟仪器可以实现完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。虚拟仪器技术在国内正处于蓬勃发展之中,在测试、测控、教学、科研等领域获得了广泛的应用。其优越性主要体现在以下几方面:
(1)可以根据不同单位各种特殊的要求,量身定做各种测量、测试仪器,以提高工作效率;
(2)可自行开发软件来升级各种测量、测试仪器,以适应不断发展的需求;
(3)仪器的核心是软件,虚拟仪器升级周期短,费用低廉;
(4)其开放、灵活的架构可随计算机同步发展,与周边设备、网络互联容易;
(5)依托计算机强大的资源,虚拟仪器具有很强的数据处理、存储和分析能力。
1 工具LabVIEW
1.1 LabVIEW开发平台简介
LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件,利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等编程语言不同,后者采用的是基于文本语言的程序代码(Code),而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G(Graphic),用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致,这使得编程过程和思维过程非常的相似。
1.2 LabVlEW程序设计的一般过程
LabVIEW程序设计主要包括前面板的设计、框图程序的设计和程序的调试。
(1)首先创建前面板前面板中主要由输入控制器和输出显示器组成。利用工具模板来添加输入控制器和输出显示器(添加后会在框图程序中出现对应的指示器和控制器框图)。控制器允许用户输入数据到程序,指示器用来显示程序运行的结果。
(2)框图程序设计相当于源代码的设计。对框图程序设计主要是对节点、数据端口和连线的设计。节点是LabVIEW程序运行的要素,包括4种类型:函数、LabVIEW子程序、结构和代码。
(3)程序的调试当前面板和框图程序设计好以后,程序的执行过程中可能会遇到很多的错误。如果程序不能执行,运行按钮会出现一个折断的箭头。点击断箭的运行按钮会出现错误清单。调试的主要方法有:设置执行程序为高亮方式、单步执行和探针。
2 方案论证
2.1 可行性研究
在虚拟仪器系统中,信号的获取与采集是由以计算机为核心的硬件平台来完成的。在此硬件平台基础上,调用测试软件来完成某种功能的测试任务,便可构成该种功能的虚拟测量仪器。在同一硬件平台上,调用不同的测试软件的可构成不同功能的虚拟仪器。因此,出现了‘软件就是仪器’的概念。如对采集的数据通过测试软件进行标定和数据点的显示就构成了一台数字示波器;如对采集的数据利用软件进行FFT变换,则构成了一台频谱分析仪……信号分析与处理要求取的特征值,如峰值,真有效值,均值,均方值,方差,标准差,以及频谱,相关函数,概率密度函数等,如用硬件电路来获取,其电路是复杂的,昂贵的,甚至是不易实现的,然而用软件编程来获取是很容易实现的。这是虚拟仪器比传统仪器具有的绝对优势所在。
LabVIEW提供了各种常用的包括信号时域分析,相关分析,曲线拟合,微分,积分等信号分析、处理所需的图标。这些图标各自对应一段软件子程序,可在流程图编辑窗口中的‘function’功能模板上的‘signal processing’子模板上方便的调出,供用户编辑流程图使用。
2.2 系统的功能作用
传统的模数字信号处理教学往往是理论教学和实验部分分开进行。教师在教室内用粉笔、黑板传授抽象的理论知识,在黑板上画电路图,给学生分析电路特性,分析电路随着某一元件的变化而变化的情况。教师讲得辛苦,却得不到理想的效果;学生听课吃力,往往不得要领,很难对有关理论留下深刻的印象。进行实验,其主要目的就是为了检验课堂上传授的理论知识,加深对理论的理解和记忆。但是我们很难将一个实验搬到课堂中来,倘若有虚拟实验室,便可以很方便地利用其在课堂上进行演示,让抽象的理论及时得到检验,给予学生感官上的认识,达到从感性认识到理性认识的有机过渡。
辅助实验教学的开展,为学习者提供一个检验数字信号处理理论知识的环境。充分利用计算机快速准确将繁琐的计算公式通过编制程序计算出结果,画出精确仿真图线,帮助学生理解和分析复杂的电路。学生可以独立使用自己计算机中构建的虚拟实验室,主动设疑、实验,不断地得到实验结果;并且可以修改参数,在不必担心损坏仪器的情况下,迅速进行实验仿真,检验自己对所学知识的掌握情况,这对提高学生的学习积极性,提高教学水平是有益处的。
实验虚拟化,把实验室搬到了网络,更加完善了数字信号处理这门课的远程教学。
3 程序设计举例
设计举例虚拟调制解调器。用该调幅波解调器可观察调幅波,以及经过巴特沃斯滤波器后的解调信号波形。
3.1 调制解调原理
(1)调幅波的数字表达式及其特性
在u(t)=Em*z(t)*sinω0t式中。Em—常量,(—高频载波角频率,z(t)—低频缓变信号,其上限角频率为Ω。该式就是调幅波的一般数字表达式,它反映了低频缓变信号z(t)对一高频ω振荡信号sinω0t的控制。通常一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号,载送缓变信号的高频ω0振荡信号sinω0t称为载波。利用信号z(t)来控制或改变高频振荡的幅值称为调制过程。
(2)调幅波的解调
调幅波u(t)的幅值反映调制信号数值的变化,在调制器之后加解调器,可将被测的调制信号z(t)与调幅波u(t)分离,并最后提取出来。解调器由乘法器和低通滤波器组成,其原理框图如图1所示:
图1 解调器原理框图
解调器中的乘法器有两个输入信号,一个是待解调的调幅波u(t)=Em*z(t)*sin(ω0t)式中,乘法器的另一个输入信号ur(t)称为参考信号,它应是与载波频率ω0相同频率的高频信号,考虑到实际情况中,载波信号sinω0t会有一个相位差θ,则ur(t)为:ur(t)=Ur*sin(ω0t+θ),于是,乘法器的输出y(t)为
令A=Em*Ur,并根据三角函数关系,上式可写为
y(t)=A*z(t)* sin(ω0t)*sin(ω0t+θ)当乘法器后接的低通滤波器的截止频率远远小于频率2ω0,并大于信号z(t)的最高频率Ω时,上式中的频率分量cos(2ω0t+θ)项将被低通滤波器大大衰减,而只有差频信号项0.5*A*z(t)*cosθ输出,于是解调器的输出为f(t)为:
f(t)=0.5*A*z(t)*cosθ=k*z(t)
式中,k=0.5*A*cosθ为比例常量,可由实际标定得到。
3.2 前面板设计
在上例虚拟正弦信号发生器发的基础上再增加一个正弦波发生器,为两个正弦波发生器一个做载波,一个做调制信号。前面板设计同上例。需添加参数输入型数字控件,用以设置低通滤波器的低截止频率。增加三个输出显示型控件,分别用以显示载波,调制波,解调波的波形。
设计完毕的前面板如图2所示。
3.3 后面板程序框图设计
在设计举例虚拟正弦信号发生器的流程图基础上再增加一个正弦波发生器图另外执functions>>analyze>>signal processing>>filter>>butterwoeth filter.vi操作,调入巴特沃斯滤波器图标。程序框图如图3所示。
3.4 运行检验
设置低频调制信号的频率为4Hz,幅值为1V,初始相位30,设置载波高频信号的频率为100Hz,幅值为1V,初始相位为60,设置巴特沃斯滤波器的低截止频率为10Hz,设置对调制和载波信号的采样频率均为1000Hz,采样点数均为512点。
运行结果如图2所示:
图2 虚拟调幅波解调器前面板
图3 虚拟调幅波解调器后面板程序框图
4 结语
通过使用LabVIEW构建虚拟教学实验系统,采用模块化的设计思想和图形编程方式可高效,直观的仿真出结果。同时可以看出,LabVIEW图形化语言在处理较复杂的数字信号处理算法方面具有明显的优势。这样不仅可以帮助学生理解抽象的理论知识,对调动学生的学习积极性,激发学生的实验兴趣,提高实验课的教学质量,起到了积极的作用。
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责任编辑:吴旭云
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
张猛(1972-),男,吉林双辽人,讲师,硕士,从事电子信息、信号处理等方面的研究。