基于LabVIEW 的“通信原理”虚拟实验平台设计

王 芳,于洪泉

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

0 引言

“通信原理”是电子类和通信类的核心课程之一,也是一门理论和实践结合很紧密的专业课程。实验能帮助学生理解理论教学中的抽象概念,培养学生的创造性思维和实践能力,是本课程的重要教学部分[1]。传统的“通信原理”实验教学存在许多弊端,如设备维修成本较高、设备数量及实验项目有限、开放时间有限、地点固定和操作难度导致结果存在误差等。然而虚拟实验平台的出现使得这一问题有了解决的方法。“通信原理”虚拟实验平台主要依赖于软件和较少的配套硬件,大大降低了实验平台的维护费用和工作量。另外,该平台最大的优点在于不受时间和空间的限制,与传统实验教学时几个人用一个实验箱进行实验相比,虚拟实验平台只需要人手一台电脑就可以随时随地进行实验,最大限度地为学生提供更多的操作机会。虚拟实验平台的要点在于将整个实验过程以及相关仪器转移到电脑上,转移涉及仿真这一非常重要的过程。为了解决这一问题,本文引进了LabVIEW 程序开发环境。LabVIEW 作为虚拟仪器开发系统的代表,利用它强大的综合性功能能够很好地完成虚拟实验平台的搭建。

1 LabVIEW 简介

实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,LabVIEW)是一种图形化编程语言,又称G 语言[2],类似于C 和BASIC 语言,由美国国家仪器(NI)公司研制开发的。它的结构十分简单,大致可以分为3 部分:前面板、程序框图和图标/连接器。前面板用来插入输入控件和显示控件,它模拟真实仪器的前面板,用户可以通过输入控件向VI 中设置输入参数等;显示控件通过指示器向用户提示状态或输出数据等。框图程序用图形编程语言编写,可以把它理解成传统程序的源代码。框图中的每一个部件可都以看成一个程序节点,每一个节点都完成一个相应的逻辑运算。图标/连接器主要用来将每个图形连接起来以及子VI 的设计。通过LabVIEW 编写出来的程序通常称为VI,在一个VI 中可以调用别的子VI,也可以被别的VI 当作子VI 进行调用。LabVIEW 在程序界面设计时采用了与其他编程语言不同的图形化方式。这是一种全新的编程方式,由于图形比文字更直观,更容易让别人理解每一部分的含义,因此,LabVIEW 比那些需要编写文本程序代码的编程语言更适合初学者进行学习[3]。

2 人机交互系统

“通信原理”虚拟实验平台若要发挥作用,就必须通过某种方法使学生可以随心所欲地对实验加以控制,这样才能充分展现实验教学水平,学生在操作的同时也可以更好地了解实验过程以及实验原理。所以人机交互界面应运而生,LabVIEW 一个非常突出的功能就是按钮功能,学生可以通过按钮功能设计程序完成页面的跳转和相应操作的控制。为了保障“通信原理”虚拟实验平台的安全性,程序开发人员在主界面设置了账号及密码,学生需正确输入密码后方可从开始界面跳转到主界面。如果输入的任何一项存在错误,系统便会弹出对话框“账号或密码错误,请重试”。正确输入设定的账号和密码后,点击开始界面中的“登录”按钮,跳转到主界面。主界面包含了“模拟调制”“数字调制”和“返回”按钮,3 个按钮对应不同的指令,跳转到不同的界面。点击“模拟调制”或“数字调制”,界面便跳转到相应的模拟调制实验界面或数字调制实验界面,两个界面分别包含了对应类别的几个具有代表性的实验。点击其中的任意一个按钮便可以跳转到相应的实验理论界面,该界面主要使学生在开始实验之前对所要进行的实验有所了解,方便学生在做实验时知道整个实验的流程以及每一流程存在的原因。每一个实验理论界面下方会有“开始”和“返回”按钮,“返回”按钮帮助学生返回到模拟调制实验界面或数字调制实验界面。当点击开始按钮的时候,界面便会跳转到对应的实验前面板,在前面板中可以输入相应的参数,输入完成后点击“运行”便可以得到不同时间节点的波形图以及解调后的二进制序列。如果学生想了解整个实验过程也可以通过快捷键查看仿真实验的整个程序框图,将实物变成一个个连接在一起的方框图,每个模块之间的关系便一目了然。除了完成整个实验需要的功能外,平台优化也必不可少,LabVIEW 中提供了很多自定义的功能,通过平台美化能很好地激发学生对实验的兴趣。

3 2FSK 调制与解调

本文以2FSK 调制与解调为例简单介绍该实验的仿真过程,展示及分析最后的仿真结果。

3.1 2FSK 调制与解调原理

2FSK 是利用载波的频率变化传递数字信息,其信号的产生方式大致可以分为两种[4]。一种是采用模拟调频电路来实现;另一种是采用键控法来实现。这两种方法产生2FSK 信号的差异在于:由调频法产生的2FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续变化的;而键控法产生的2FSK 信号是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成,故相邻码元之间的相位不一定连续[5]。2FSK 信号的常用解调方法是非相干解调(包络检波)和相干解调。其解调原理是将2FSK 信号分解为上下两路2ASK 信号分别进行解调,然后进行抽样判决。除此之外,2FSK 信号还有其他解调方法,比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等,本文主要采用相干解调进行仿真。

3.2 2FSK 调制与解调仿真

按照2FSK 调制与解调的原理将所设计的子模块与LabVIEW 中现有的函数及模块相结合,通过连接器或图标将对应的引脚连接起来形成完整的实验过程,并可以根据不同的输入序列,展现出不同的实验过程和实验结果。程序框图完成后,可以利用LabVIEW 中的美化功能对图标进行修改与整理,使得整个程序框图美观且工整。同样,前面板上的各个波形图也需要进行整理,将输入控件归整到一起,使整个面板具有逻辑性,这样就完成了整个实验的仿真。2FSK 调制与解调的前面板与程序如图1—2 所示。

图1 前面板

图2 程序框

4 结语

在LabVIEW 的支持下建立起一套简单的人机交互系统,实现了传统实验室与网络的结合,达到了“通信原理”实验虚拟化,生动的界面更容易激发学生的学习兴趣,整套系统操作简单,不存在由于操作难度导致无法实验的可能。本文所设计的系统能够很好地完成实验的全部过程,并且学生可以自行输入序列,可以更好地让学生了解实验的要点。LabVIEW 最大的特点就是可以按照自己的喜好进行美化,所有的图标样式都可以自行修改。从长远看,传统实验彻底转移到虚拟平台上将指日可待。