基于MATLAB的虛擬實驗室建設

【摘 要】本文通過創設虛擬的實驗環境，建設了信號處理虛擬實驗室，結合教學實踐，提出科學合理的虛擬實驗室構建方案。首先介紹了虛擬實驗室的特點及功能，其次給出了利用MATLAB軟件創設虛擬實驗環境，構建信號處理虛擬實驗室的方法，最后說明了虛擬實驗室對實驗室課程建設的重要性，達到了良好的實驗效果，值得進一步的研究。

【關鍵詞】MATLAB 信號處理 虛擬實驗室

虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI將C語言平臺數據采集、分析和表達等測控專業工具有機結合起來。它的集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的的功能面板和庫函數，為熟悉C語言的開發人員開發檢測、數據采集、過程監控等提供了一個理想的軟件開發環境。MATLAB是一種面向科學和工程的高度集成化的高級語言。使用MATLAB編程運算與人進行科學計算的表達方式和思路完全一致，也能使學員把重點放在對概念和方法的理解上，而不是算法的編程上，從而大大提高實驗效率。

我們采用LabWindows/CVI和MATLAB語言混合編程，通過創設虛擬的實驗環境，建設了信號處理虛擬實驗室。

1 軟件設計思路

1.1信號處理虛擬實驗室特點

與傳統硬件信號處理實驗比較，虛擬實驗具有以下優點：虛擬環境下的實驗具有較強的引導性；實驗成本低且實驗器材的選擇余地大，易于實現較為復雜的實驗過程。實驗所需的時間較少，實驗效率高，不必擔心損壞實驗設備，能輕松的進行邊緣情況的實驗；便于記錄和分析實驗過程和實驗結果。在實現過程中，該軟件調用MATLAB的各信號處理函數、MATLAB自帶的專門完成信號處理任務的SPTooL、FDATooL工具箱，同時利用MATLAB和CVI語言的混合編程實現整個虛擬實驗室的所有功能。

1.2軟件結構及模塊功能

軟件的具體結構如圖1所示。各模塊所要實現的功能如下：

實驗內容。識別學員所需要的實驗，不僅包括通用教材上的，也包括和日常生活聯系較為密切的實驗。

實驗目的和要求。對學員選擇實驗目的和要求的規定，要盡可能降低操作者實驗的盲目性。

實驗方法和注意事項。該模塊主要實現對所選實驗的方法的列舉和論述；并在其中選擇最適合學員的一種作為最后的方法。同時，在敘述過程中，會認真的提醒操作者所需要注意的事項。

實驗過程指導。該模塊是整個軟件的核心和關鍵，它不僅要完成實驗過程指導，而且要對實驗出現的各種現象進行描述和分析，在此模塊中，還包括參數處理、信號分析、信號抽樣仿真、系統分析、系統特性仿真五大模塊。各個模塊的主要功能如下：

參數處理。完成學員對自己要做實驗參數的自行設定，即使學員不設定，每一個參數都能有默認的參數。

信號分析。由于數字信號處理的實驗主要是完成對輸入信號的濾波等操作，所以對學員所輸入信號特性的分析是不可少的，如信號的頻譜、功率譜等。

信號抽樣仿真。數字信號的處理方式要求將連續信號進行離散化。

圖1信號處理虛擬實驗室的結構

濾波器設計及系統分析。包括模擬濾波器設計和數字濾波器設計兩個部分。對于某個實驗系統的分析也是不可少的，這是一般科學實驗過程不可或缺的一個重要環節，如系統的線性、穩定性以及圖形的繪制。

系統特性仿真。主要是在系統分析的基礎上進一步完成各種特性的可視化。

實驗結果分析。主要是在圖形上對輸入輸出信號進行對比，明確該系統的功能。

實驗報告輸出。該模塊是整個軟件的智能核心，它是模擬正常實驗后的實驗報告，將整個實驗過程作記錄，并完成最后的匯總輸出。

2 構建實驗環境

在整個軟件的設計過程中，由CVI設計出友好的界面，創設出虛擬實驗環境，具有引導和交互功能，并能根據要求調用MATLAB。用戶可以很方便地在適當的窗口選取和修改數據，從而驗證系統參數的選取對整個系統的影響，進一步加深對信號處理原理的理解和各知識點的對比。除了要完成使用的各個部分的功能外，還可以調用SPTooL和FDATooL兩個工具箱作為對某一特定的信號和濾波器分析和設計，更好的發揮作用。

SPTooL是MATLAB的信號處理工具箱中一個具有交互式圖形用戶界面的信號處理工具，專門用于完成常用的數字信號處理任務。這個工具包含了工具箱中許多重要函數功能，可以實現對數據、濾波器與功率譜的分析、處理和操作。它由信號瀏覽器、濾波器設計程序、濾波器查看程序和功率譜查看程序四個模塊組成。FDATooL是MATLAB的另一個專門用于濾波器的設計和分析的工具，它專屬于MATLAB的FDATooL中，它可以較好的實現濾波器的設計及對濾波器的幅頻、相頻、零極點分析及其階躍響應等。

3 系統使用效果

理解原理更加形象準確。由于信號處理算法中采用了大量的數學推導，學員對算法的理解大多局限在數學層面上，比較抽象。而實驗的結果是，處理前后的信號或系統都是以圖形的形狀出現的，這就加深了學員對信號處理算法和原理的理解。

利于調動學習積極性。現在實驗室課的內容大多是驗證和理解課堂教學內容，但是，如此單一層次的實驗內容結構對能接觸到大量現代化信息和媒體的學員來說已經不能滿足其學習的需要，然而虛擬實驗正好可以彌補到實驗室做實驗的不足，可以較好的調動學員的學習積極性。

使用方便、價格低廉。學員拷貝該虛擬實驗系統后，就不需要和教員預約實驗室，不受時間和地點的限制，很方便地在自己的計算機上做實驗。另外，硬件實驗需要儀器表價格比較昂貴，計算機虛擬實驗則具有投資小，且達到相同甚至更好實驗效果的優越性。

4 結語

建設信號處理虛擬實驗室的關鍵在于它突破了原先的只用計算機完成實驗的一部分，而不能處理實驗的整個過程的不足，可全程跟蹤實驗，并對其中的每一個步驟進行引導和提醒，直至將實驗報告完整生成。此外，虛擬實驗室為學員提供了大量的實例，為學員留下動手實踐的空間，同時學員也可以從中學習到數字信號處理的一些基本原理。

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作者簡介：霍連利（1958-），男，實驗教學副教授，主要研究方向：實驗教學與技術。