虛擬儀器技術在電子與通信專業(yè)教學中的應用

劉海陵 徐志國 陳正宇

摘要：虛擬儀器技術目前廣泛應用于測量與控制領域的工程應用之中。同時，該項技術也可以作為一種有效的教學工具來提高電子與通信類專業(yè)教學質(zhì)量，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神，提高動手能力和工程經(jīng)驗，加深他們對于所學課程的理解。本文介紹了虛擬儀器技術對于金陵科技學院電子與通信類專業(yè)教學的作用與意義。

關鍵詞：虛擬儀器；電子；通信

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）01-0218-02

一、虛擬儀器技術簡介

虛擬儀器（Virtual Instruments，簡稱VI）的概念，最早是由美國國家儀器公司（National Instruments Corp. 簡稱NI）于1986年提出來的，其基本原理是以計算機為硬件平臺，使原來需要硬件實現(xiàn)的各種儀器功能盡可能地軟件化，利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件來完成各種測試、測量和自動化的應用，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能與靈活性。用形象語言來概括虛擬儀器的原理，即“軟件就是儀器”[1]。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術性能方面具有靈活性與經(jīng)濟性，因而特別適應于當代科學技術迅速發(fā)展和科學研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和測量需求。

（一）虛擬儀器技術應用于電子與通信類專業(yè)的背景

電子與通信類專業(yè)在金陵科技學院工程類專業(yè)中占有重要的地位，對我校應用型本科專業(yè)的建設具有示范作用。然而，在這兩個工程類專業(yè)的教學中長期存在一些問題，具體表現(xiàn)為：

1.重視理論知識的學習，輕視動手能力和實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，學生動手能力差，工程實踐經(jīng)驗明顯不足，而這些問題又反過來弱化學生對于理論知識的理解，最終導致學生對所學專業(yè)缺乏興趣與信心[2]。

2.從未或很少將真實的物理信號引入課堂教學中，導致教學過程理論脫離實際，學生對于本專業(yè)的理論知識和應用場景缺乏真實的、直觀的認識。

3.理論學習環(huán)節(jié)與實踐實習環(huán)節(jié)相脫離，實踐實習環(huán)節(jié)往往安排在理論學習結束之后，間隔時間較長，學生無法及時對所學知識進行鞏固與提高，導致實踐實習環(huán)節(jié)效果不理想[3]。本文將介紹虛擬儀器技術在電子與通信類專業(yè)教學中的應用，幫助學生將理論學習、工程實踐和創(chuàng)新能力結合起來，提高學生在工程實踐中獲取知識的能力、綜合分析的能力、解決問題的能力和實踐創(chuàng)新的能力，從而突出我校應用型本科教學的特點。

（二）虛擬儀器技術應用于電子與通信類專業(yè)教學中的指導思想

電子與通信類專業(yè)的特點是工程實踐性強，對學生的動手能力和動手意愿要求較高。這一特點就決定了實踐對于專業(yè)學習至關重要的作用[4]。所以，虛擬儀器技術應用于電子與通信類專業(yè)的教學也主要體現(xiàn)在對于工程實踐教學環(huán)節(jié)的意義，其指導思想如下：

1.在工程導論環(huán)節(jié)，對于剛入學的大一新生，讓他們接觸各種基于虛擬儀器技術的綜合電子系統(tǒng)，如基礎機器人系統(tǒng)，傳感器與驅(qū)動器器系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)等，介紹其中的軟硬件知識和技術，增加學生對于所學專業(yè)的興趣和信心。

2.在專業(yè)課的理論學習環(huán)節(jié)，教師努力將真實的物理信號引入課堂，如傳感器信號、調(diào)理信號、AD/DA信號，模擬通信信號、數(shù)字通信信號、調(diào)制域信號等。真實信號的引入可以增加學生理論聯(lián)系實際的能力，提高其自主學習的興趣和動力。

3.發(fā)揮虛擬儀器作為“口袋實驗室”的作用，鼓勵學生將真實的信號帶回宿舍。宿舍是學生課余活動主要的場所，如果學生能將宿舍時間有效地利用起來進行專業(yè)實踐和創(chuàng)新，無疑將對提高學生專業(yè)能力產(chǎn)生極大的幫助。

（三）虛擬儀器技術創(chuàng)新教學案例

我們將介紹幾個在教學中使用虛擬儀器進行教學創(chuàng)新的案例，來闡述使用虛擬儀器技術的特點。

1.共基極放大電路的教學。共基極電路是一類重要的基本放大電路，如何讓學生掌握電路特征并計算電路參數(shù)，如發(fā)射極電流、集電極電流、電壓增益、輸入/輸出電阻等，一直是教學中的重點。我們在教學中是采用基于虛擬儀器技術的仿真結果和真實電路結果相比較的方法。

電路仿真采用NI Multisim，該軟件主要是為工程師提供先進的電路分析和設計能力。圖1為共基極放大電路在Multisim中的仿真。

可以使用Multisim提供的萬用表測量仿真結果中的電壓和電流。并可以很方便的在軟件中修改電路參數(shù)進行重復實驗，得出不同工作狀態(tài)下電路的參數(shù)。

不同于傳統(tǒng)的電路仿真，我們在NI Elvis面包板上搭建上圖所示的電路原理圖，如圖2。利用NI Elvis自帶的數(shù)字萬用表DMM對電路參數(shù)進行測量，對于交流信號，可使用Elvis自帶的示波器對波形進行測量。

將NI Elvis的測量結果和軟件仿真結果進行比較，可以加深學生對于電路基本特征和參數(shù)的認識。同時，NI Elvis設備可以很方便的在課堂教學中進行演示，可以起到很好的教學效果。

2.無線通信系統(tǒng)教學。射頻和無線通信課程的教學長期以來都基于數(shù)學公式的推導和仿真來進行的，學生在課堂上很少能接觸到真實的通信信號，并且教學的過程中也是分模塊進行教學，學生幾乎沒有設計整條通信鏈路的機會。在教學中，我們采用NI Universal software radio peripheral（USRP）和Labview則可以很好的克服上述問題。利用USRP和Labview，學生可以很輕松的進行諸如信道編碼、信號調(diào)制、隨機碼元產(chǎn)生、信號均衡等現(xiàn)代通信技術。最終學生可以完成從發(fā)射機到接收機中間完整的通信鏈路，這在傳統(tǒng)的射頻和無線通信課程中是很難完成的。利用USRP，可以很輕易地在課堂上演示一個完整的數(shù)字通信系統(tǒng)，學生能夠看見一個數(shù)字調(diào)制域信號，能夠看見真實的850MHz GSM信號上行鏈路，可以分析真實信號的頻譜。甚至可以組建一個FM廣播信號發(fā)射和接收臺，見圖3。

二、結語

虛擬儀器技術結合統(tǒng)一的軟件平臺加上模塊化的硬件平臺，使理論學習和實踐操作能力得以有效結合，使學生能夠?qū)崿F(xiàn)自行設計實驗及實際動手操作，加深其對理論專業(yè)知識的理解，促進其對現(xiàn)場專業(yè)知識的了解，增強其對專業(yè)知識的感性認識，同時提高其實際動手操作能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]朱巖，余愚.虛擬儀器技術研究現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代制造技術與裝備.2008，（6）：12-14

[2]朱敏，張際平，潘侃凱.虛擬儀器技術及其教學應用[J].中國電化教育，2006，（4）：96-98

[3]榮雅君，劉琳，高廣峰，趙朋.虛擬儀器在實驗教學中的應用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報.2009，21（1）：78-82

[4]姜海波.虛擬儀器技術在高校教學中的應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備.2010（15）：53-54