基于LabVIEW 的“通信原理”虛擬實驗平臺設(shè)計

王 芳,于洪泉

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

0 引言

“通信原理”是電子類和通信類的核心課程之一,也是一門理論和實踐結(jié)合很緊密的專業(yè)課程。實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生理解理論教學(xué)中的抽象概念,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實踐能力,是本課程的重要教學(xué)部分[1]。傳統(tǒng)的“通信原理”實驗教學(xué)存在許多弊端,如設(shè)備維修成本較高、設(shè)備數(shù)量及實驗項目有限、開放時間有限、地點固定和操作難度導(dǎo)致結(jié)果存在誤差等。然而虛擬實驗平臺的出現(xiàn)使得這一問題有了解決的方法。“通信原理”虛擬實驗平臺主要依賴于軟件和較少的配套硬件,大大降低了實驗平臺的維護費用和工作量。另外,該平臺最大的優(yōu)點在于不受時間和空間的限制,與傳統(tǒng)實驗教學(xué)時幾個人用一個實驗箱進行實驗相比,虛擬實驗平臺只需要人手一臺電腦就可以隨時隨地進行實驗,最大限度地為學(xué)生提供更多的操作機會。虛擬實驗平臺的要點在于將整個實驗過程以及相關(guān)儀器轉(zhuǎn)移到電腦上,轉(zhuǎn)移涉及仿真這一非常重要的過程。為了解決這一問題,本文引進了LabVIEW 程序開發(fā)環(huán)境。LabVIEW 作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的代表,利用它強大的綜合性功能能夠很好地完成虛擬實驗平臺的搭建。

1 LabVIEW 簡介

實驗室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,LabVIEW)是一種圖形化編程語言,又稱G 語言[2],類似于C 和BASIC 語言,由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的。它的結(jié)構(gòu)十分簡單,大致可以分為3 部分:前面板、程序框圖和圖標/連接器。前面板用來插入輸入控件和顯示控件,它模擬真實儀器的前面板,用戶可以通過輸入控件向VI 中設(shè)置輸入?yún)?shù)等;顯示控件通過指示器向用戶提示狀態(tài)或輸出數(shù)據(jù)等。框圖程序用圖形編程語言編寫,可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。框圖中的每一個部件可都以看成一個程序節(jié)點,每一個節(jié)點都完成一個相應(yīng)的邏輯運算。圖標/連接器主要用來將每個圖形連接起來以及子VI 的設(shè)計。通過LabVIEW 編寫出來的程序通常稱為VI,在一個VI 中可以調(diào)用別的子VI,也可以被別的VI 當作子VI 進行調(diào)用。LabVIEW 在程序界面設(shè)計時采用了與其他編程語言不同的圖形化方式。這是一種全新的編程方式,由于圖形比文字更直觀,更容易讓別人理解每一部分的含義,因此,LabVIEW 比那些需要編寫文本程序代碼的編程語言更適合初學(xué)者進行學(xué)習[3]。

2 人機交互系統(tǒng)

“通信原理”虛擬實驗平臺若要發(fā)揮作用,就必須通過某種方法使學(xué)生可以隨心所欲地對實驗加以控制,這樣才能充分展現(xiàn)實驗教學(xué)水平,學(xué)生在操作的同時也可以更好地了解實驗過程以及實驗原理。所以人機交互界面應(yīng)運而生,LabVIEW 一個非常突出的功能就是按鈕功能,學(xué)生可以通過按鈕功能設(shè)計程序完成頁面的跳轉(zhuǎn)和相應(yīng)操作的控制。為了保障“通信原理”虛擬實驗平臺的安全性,程序開發(fā)人員在主界面設(shè)置了賬號及密碼,學(xué)生需正確輸入密碼后方可從開始界面跳轉(zhuǎn)到主界面。如果輸入的任何一項存在錯誤,系統(tǒng)便會彈出對話框“賬號或密碼錯誤,請重試”。正確輸入設(shè)定的賬號和密碼后,點擊開始界面中的“登錄”按鈕,跳轉(zhuǎn)到主界面。主界面包含了“模擬調(diào)制”“數(shù)字調(diào)制”和“返回”按鈕,3 個按鈕對應(yīng)不同的指令,跳轉(zhuǎn)到不同的界面。點擊“模擬調(diào)制”或“數(shù)字調(diào)制”,界面便跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的模擬調(diào)制實驗界面或數(shù)字調(diào)制實驗界面,兩個界面分別包含了對應(yīng)類別的幾個具有代表性的實驗。點擊其中的任意一個按鈕便可以跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的實驗理論界面,該界面主要使學(xué)生在開始實驗之前對所要進行的實驗有所了解,方便學(xué)生在做實驗時知道整個實驗的流程以及每一流程存在的原因。每一個實驗理論界面下方會有“開始”和“返回”按鈕,“返回”按鈕幫助學(xué)生返回到模擬調(diào)制實驗界面或數(shù)字調(diào)制實驗界面。當點擊開始按鈕的時候,界面便會跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的實驗前面板,在前面板中可以輸入相應(yīng)的參數(shù),輸入完成后點擊“運行”便可以得到不同時間節(jié)點的波形圖以及解調(diào)后的二進制序列。如果學(xué)生想了解整個實驗過程也可以通過快捷鍵查看仿真實驗的整個程序框圖,將實物變成一個個連接在一起的方框圖,每個模塊之間的關(guān)系便一目了然。除了完成整個實驗需要的功能外,平臺優(yōu)化也必不可少,LabVIEW 中提供了很多自定義的功能,通過平臺美化能很好地激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣。

3 2FSK 調(diào)制與解調(diào)

本文以2FSK 調(diào)制與解調(diào)為例簡單介紹該實驗的仿真過程,展示及分析最后的仿真結(jié)果。

3.1 2FSK 調(diào)制與解調(diào)原理

2FSK 是利用載波的頻率變化傳遞數(shù)字信息,其信號的產(chǎn)生方式大致可以分為兩種[4]。一種是采用模擬調(diào)頻電路來實現(xiàn);另一種是采用鍵控法來實現(xiàn)。這兩種方法產(chǎn)生2FSK 信號的差異在于:由調(diào)頻法產(chǎn)生的2FSK 信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的;而鍵控法產(chǎn)生的2FSK 信號是由電子開關(guān)在兩個獨立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成,故相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)[5]。2FSK 信號的常用解調(diào)方法是非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波)和相干解調(diào)。其解調(diào)原理是將2FSK 信號分解為上下兩路2ASK 信號分別進行解調(diào),然后進行抽樣判決。除此之外,2FSK 信號還有其他解調(diào)方法,比如鑒頻法、差分檢測法、過零檢測法等,本文主要采用相干解調(diào)進行仿真。

3.2 2FSK 調(diào)制與解調(diào)仿真

按照2FSK 調(diào)制與解調(diào)的原理將所設(shè)計的子模塊與LabVIEW 中現(xiàn)有的函數(shù)及模塊相結(jié)合,通過連接器或圖標將對應(yīng)的引腳連接起來形成完整的實驗過程,并可以根據(jù)不同的輸入序列,展現(xiàn)出不同的實驗過程和實驗結(jié)果。程序框圖完成后,可以利用LabVIEW 中的美化功能對圖標進行修改與整理,使得整個程序框圖美觀且工整。同樣,前面板上的各個波形圖也需要進行整理,將輸入控件歸整到一起,使整個面板具有邏輯性,這樣就完成了整個實驗的仿真。2FSK 調(diào)制與解調(diào)的前面板與程序如圖1—2 所示。

圖1 前面板

圖2 程序框

4 結(jié)語

在LabVIEW 的支持下建立起一套簡單的人機交互系統(tǒng),實現(xiàn)了傳統(tǒng)實驗室與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,達到了“通信原理”實驗虛擬化,生動的界面更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣,整套系統(tǒng)操作簡單,不存在由于操作難度導(dǎo)致無法實驗的可能。本文所設(shè)計的系統(tǒng)能夠很好地完成實驗的全部過程,并且學(xué)生可以自行輸入序列,可以更好地讓學(xué)生了解實驗的要點。LabVIEW 最大的特點就是可以按照自己的喜好進行美化,所有的圖標樣式都可以自行修改。從長遠看,傳統(tǒng)實驗徹底轉(zhuǎn)移到虛擬平臺上將指日可待。