基于虛擬儀器的信號處理實驗室建設路徑

于效宇 劉艷

摘 ? ?要：電子信息專業的核心內容是信號處理技術，而實驗是熟悉信號處理知識、了解信號處理概念的重要手段。文章從傳統實驗室建設存在的問題出發，提出了基于虛擬儀器的信號處理實驗室建設方案，并舉例說明相關課程的教改方案。

關鍵詞：信號處理實驗室;虛擬儀器;教學改革

中圖分類號：G642.3 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2016）03-0042-02

一、傳統實驗室建設現狀與問題

傳統實驗室建設是按照單獨課程設立的，例如傳感器實驗室只會負責“傳感器原理”課程，高頻實驗室又只會負責“高頻電子線路”[1-2]。近年來可以發現，類似“基礎實驗室”、“綜合實驗室”甚至“創新實驗室”成為了各大高校興建實驗室的主流，在這樣一個實驗室中，教師希望能夠涵蓋盡可能多的課程實驗內容。所以，相對于針對單獨課程的傳統教學實驗室而言，能夠建設一個綜合性的工程實驗平臺顯然具有優勢，在統一平臺上能夠做多門課程的實驗（例如傳感器、數據采集與處理、信號與系統、數字信號處理等），也能夠完成多門課程的交叉實驗。一方面便于統一管理與協調，提高效率，另一方面也節省了實驗室建設成本[3]。

誠然，隨著電子信息專業技術的突飛猛進，每年開設的全新課程甚至專業都層出不窮，想利用一個實驗室涵蓋所有技術內容并不現實，希望實驗室永不過時的想法也不可能實現。但是能夠提高實驗室的包容性和靈活性卻意義重大。

針對這個迫切需要解決的問題，提出了基于虛擬儀器的信號處理實驗室建設方案。此實驗室采用模塊化的設計理念，可以通過添加相應模塊（自行設計或外購）面向多門課程。此實驗室的最大特點就是靈活可配與可擴展性。通過各種實驗模塊和功能模塊，教師們可以按照自己課程的需要自行選擇和設計相應的實驗;模塊種類的不斷增添表明實驗平臺具備了長期的可擴展性，不會過早過時甚至報廢。最值得一提的是，由于具備模塊化的特點，學生還可以按照自己的創意將多個模塊一起放在實驗平臺上搭建自己的系統，在更高層次上做各種綜合實驗，增強學生的學習興趣，也契合普通高校應用型人才的培養模式[4-5]。

二、信號處理實驗室建設方案

對信號的處理方法多種多樣，因此也衍生了多種信號采集處理儀器，如幾乎是實驗室標配的示波器、萬用表，高端實驗室要配備的頻譜儀、邏輯分析儀等。上述設備性能自然毋庸置疑，但主要面對學生的教學類實驗且成本較高，存在資源浪費的問題。因此設計了基于虛擬儀器的信號處理實驗室方案，選擇多通道數據采集卡作為實驗室的核心設備，采集各類信號，信號產生及調理由外圍器件（傳感器、信號發生器、其他電路）提供，而信號處理的任務則交給LabVIEW或類似的虛擬儀器軟件。信號經處理后可輸出控制外部器件，此方案只有數據采集卡和計算機必須購置，其他模塊都可以自行設計和根據情況擴展購買，具有較強的靈活性和擴展性，在保證教學任務的同時，也極大降低了建設成本。

與傳統實驗室相比，在虛擬儀器平臺上可以實現更多的功能，比如通過軟件即可以完成示波器、萬用表、頻譜分析等信號處理的基本功能。軟件提供的測量功能可以隨時升級，與傳統儀器相比具有較強的靈活性，通過開發軟件又可以實現復雜的信號處理和數據計算。在具體實驗教學中，教師設計基礎程序供學生參考學習，學生通過修改程序參數、增加程序功能，加強對實驗內容的理解。實驗室可以承擔電子信息專業大多數課程的實驗，幾乎無所不能，其主要原因在于電子信息專業的核心是信號處理，而此方案把信號處理的任務交與軟件實現，因此可升級能力及靈活性是無可比擬的。實驗室可以完成的相關課程和實驗內容如下所示：（1）數據采集與處理;（2）傳感器及其應用;（3）信號與系統;（4）數字信號處理;（5）數字圖像處理;（6）語音信號處理;（7）電子電路、模擬電路、數字電路：通過增設調理電路，如面包板、PCB板等方式進行課程設計;（8）綜合類實驗或開放性實驗;（9）畢業設計。

三、信息工程專業相關課程教改示例

（一）數據采集與處理

數據采集與處理的教學內容包括模擬信號的數字化處理、模擬多路開關、測量放大器、采樣保持器、A/D及D/A轉換器等內容，是以信號的測量與處理、微型計算機等先進技術為基礎而形成的一門綜合應用技術，實用性很強。作為獲取信息的技術，數據采集廣泛地應用在國民經濟的各個領域，因此課程特點是知識點與專業各課程都有關系，知識點很分散，理論與實踐聯系不密切，學生不容易理解。因此只能在課堂上通過實際項目介紹、學生查閱資料并演講等方式提高教學效果。

為了提高學生的學習興趣，培養應用型人才，可以利用信號處理實驗室實現任務式的教學方法。通過具體任務將理論和實踐緊密結合起來，從而將抽象知識具體化，枯燥知識生動化，充分發揮學生的主觀能動性。而此實驗室可以完成多項數據采集與處理的具體任務，既可以緊密聯系課程內容，又具有一定的擴展性。

（二）傳感器及其應用

傳感器及其應用課程也是一門知識點分散的課程，其課程實質是探討物理信號轉電信號的原理、過程及技術指標。如果能夠在信號處理實驗室中增加傳感器模塊，通過教學內容設計，可以將此課程和電子信息專業內容有機地結合起來，甚至是合并相關知識點。比如可以完成溫度、壓力、應變測量和分析實驗、生物醫電生理信號測量和分析實驗，磁場傳感器測量和分析實驗等。

受成本所限，傳統的傳感器實驗室一般只能完成驗證性實驗，而信號處理實驗室不僅可以完成傳感器的物理量采集，更可以完成數據量的處理、分析和存儲。比如可以利用實驗平臺設計多點溫度采集系統。學生通過實驗不僅可以了解溫度傳感器的原理和特點，也可以學習多點溫度數據的分析方法，并且在系統設計中掌握虛擬儀器軟件的編程方法、用戶界面的設計。

（三）虛擬儀器課程設置

增設虛擬儀器課程，以學習和掌握LabVIEW的軟件功能為主。通過引入自定義的虛擬儀器，學習虛擬儀器軟件的仿真和分析能力，可以把其用于演示難以理解的理論知識或復雜的專業概念。利用實驗室硬件采集設備可以獲得實際的測量數據，利用軟件又可以生成仿真數據，通過虛擬儀器技術可以將兩種數據進行比較和關聯，分析信號誤差、信號變化等實際問題，有助于學生理解電子信息專業內容。

（四）電子信息專業綜合實驗課程設計

信號處理實驗室可用于虛擬儀器設計、數字電路、模擬電路、通信工程、電子信息、信號與系統等課程實驗以及虛擬儀器專題實驗、通信工程設計訓練、電子信息工程綜合課程設計等，同時其可作為學生科技創新競賽平臺。此實驗室的硬件平臺和虛擬儀器軟件，特別適合設計綜合性強的實驗（各專業教師發揮所長，分別設計），與大一的專業導論相呼應，力圖通過專業實驗“一錘定音”，徹底解決學生專業思想淡薄、奮斗方向迷失、學習興趣缺失的本質問題。設計的家電類電腦板功能測量綜合性實驗如下。

電腦板測試系統是指在傳感器的測試和計算機的控制下，能自動完成激勵、測量、數據處理、顯示或輸出測試結果的一類系統的統稱。電腦板測試用于完成對被測電腦板的性能測試，根據對電腦板測試結果的分析、對故障的診斷與定位也可將其擴展成為診斷系統。參考電腦板檢測的結果，研發人員可以在設計中防止出現重復性問題，減少產品返修率，提高效率，以更快的速度研發出更合格可靠的產品。

學生需要對實測家電類電腦板進行功能分析，根據電腦板的數據類型，分別對其進行信號調理，對模擬量進行濾波處理，對數字量和脈沖數據進行光耦隔離，開關量通過繼電器隔離和控制。調理后的信號分別與數據采集模塊的相應通道對接。電腦板需要觀測和控制的數據送入PC機內部進行相應的處理和分析。在實際實驗中，需要利用LabVIEW軟件設計操作檢測程序，從而控制和觀測電腦板，完成電腦板功能檢測實驗。

除了家電類電腦板功能測量綜合性實驗以外，依托任課教師科研項目，還設計了數據采集與濾波處理實驗，實驗知識點包括數字信號處理原理、濾波器原理、濾波器設計方法、信號采集、DA輸出等;射頻無線通信實驗，實驗知識點包括發送機及接收機設計、發送機及接收機測試、室內通信實驗、通信編碼設計等;模擬十字路口交通信號燈設計，實驗知識點包括LED驅動及電路構建、交通信號燈控制策略、實驗方案設計等。

綜上所述，基于虛擬儀器的信號處理實驗室實際上是教師發揮能力的一個平臺，是學生提升能力的一個平臺。通過實驗室的建設，可以帶動一批相關課程進行教學改革，利用教學內容設計和整合的機會，可以帶動精品課程建設及相關教材出版。而通過實驗提高學生學習興趣，完善專業認識則是此實驗室建設的核心價值。

參考文獻：

[1]劉艷，于效宇.“高頻電子線路”實驗課程教學方法研究

[J].中國電力教育，2012，（23）.

[2]于效宇，劉艷，楊會志.基于頻譜分析的高頻電子實驗教

學研究[J].中國電力教育，2013，（19）.

[3]全曉莉，周南權.基于虛擬儀器技術的數字電路實驗系

統研究[J].實驗技術與管理，2014，（4）.

[4]呂井勇，孫勝春，董興泰.基于NI ELVIS的串聯諧振電

路實驗設計[J].實驗室研究與探索，2014，（2）.

[5]陳學軍，徐明銘.基于虛擬儀器的綜合實驗室平臺探索

[J].實驗室研究與探索，2014，（10）.