基于LabVlEW的通信原理虛擬實驗平臺的設計

劉明珠,劉雨晴,喬季軍,劉 曄

(哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院,黑龍江哈爾濱 150080)

基于LabVlEW的通信原理虛擬實驗平臺的設計

劉明珠,劉雨晴,喬季軍,劉 曄

(哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院,黑龍江哈爾濱 150080)

針對“通信原理”課程課堂教學中實驗教學不充分、實踐資源不豐富等問題,設計了基于Lab VIEW技術的虛擬實驗平臺。以FM頻率調制實驗為例,介紹了該虛擬實驗平臺的具體設計過程與實現(xiàn)方法。測試結果表明,基于Lab VIEW的通信原理虛擬實驗平臺能夠準確、高效地實現(xiàn)在線通信原理仿真實驗,可以增強教學互動性,有利于學生深入理解理論知識,提高實驗技能并激發(fā)學生的學習興趣。

通信原理;虛擬實驗;教學平臺;Lab VIEW

通信原理課程是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)平臺課和骨干課程之一,在電子信息類本科和研究生教學中具有極其重要的地位。長期以來,通信原理課程教學方法仍較為傳統(tǒng),在理論教學、實踐教學和工程設計相結合方面比較欠缺,教學手段也較為單一,易使學生對抽象的理論知識產(chǎn)生畏難心理[1]。筆者將實踐型教學理念引入通信原理課程教學中,設計出通信原理虛擬實驗平臺。該平臺能很好地解決由于實驗課程的學時有限、難以充分利用實驗資源等問題,幫助學生更好地理解知識。

目前,可用于虛擬平臺開發(fā)的軟件主要有Lab-VIEW、Matlab和System View等[2],其中Lab VIEW以流程圖形式編程,不需要預先編譯,可進行語法檢測,具有豐富的函數(shù)、數(shù)值分析、信號處理和設備驅動等功能,并具有擴展性強、節(jié)約時間等特點。Lab-VIEW采用的編程語言——G語言,是一種具有擴展函數(shù)庫的通用編程語言,采用圖形化的編程方式,能夠極大地提高編程效率[3]。本文介紹以Lab VIEW為軟件開發(fā)平臺,基于層次化、模塊化的編程方法的通信原理虛擬實驗平臺的設計及實現(xiàn)。

1 通信原理虛擬實驗平臺總體框架

通信原理虛擬實驗平臺的設計采用模塊化設計思想,根據(jù)所設計系統(tǒng)的功能劃分出不同功能模塊,然后再對各個子模塊進行設計。正確地劃分程序設計模塊,能夠有效地降低系統(tǒng)的復雜程度。圖1為通信原理實驗平臺的總體框架。

圖1 通信原理實驗平臺的總體框架

用戶登錄平臺的用戶主界面后,可以查看自己以往的實驗成績、選擇相關的實驗例程進行學習,或者直接選擇要做的實驗,實驗完成后進行保存、提交實驗報告或參與問題的討論。用戶可以進行相關資料的下載和上傳,可對系統(tǒng)提出意見和建議,這些意見和建議將會上傳到服務器,系統(tǒng)管理員會進行相應的處理。

2 通信原理實驗平臺設計及實現(xiàn)

2.1 虛擬實驗平臺的設計原理

設計通信原理虛擬實驗平臺的目的是在日常教學過程中能夠實現(xiàn)學生的自主虛擬仿真實驗,并與理論教學內容相結合,實現(xiàn)動態(tài)、可操作性強、直觀的實驗教學。圖2為虛擬實驗平臺模擬和數(shù)字調制、解調實驗部分的設計方案[4]。

圖2 通信原理虛擬實驗的設計方案

該平臺設置的虛擬信號發(fā)生器是輸入信號的源端;虛擬示波器是信號顯示的終端。該平臺是根據(jù)通信原理教學大綱的要求設計的,包括模擬與數(shù)字兩部分實驗內容,每個部分又包含若干個虛擬實驗。

2.2 通信原理虛擬實驗平臺設計實例

構建完整的Lab VIEW工程需要完成3部分內容,即前面板的設計、框圖和程序的設計,以及目標和連接器的配置[5]。在編寫程序框圖前,首先要確定編程所需要的各個函數(shù)功能模塊,然后再編寫程序,最后根據(jù)各個模塊的功能要求擬定參數(shù)并進行調試和修改。本文以FM調制實驗為例,給出虛擬實驗系統(tǒng)中實驗設計開發(fā)的一般過程。

Lab VIEW的程序代碼以程序框圖表示,需在可執(zhí)行程序框圖中進行編程,以操縱和定義在前面板上的輸入和輸出功能模塊[6]。程序框圖包括前面板上控件的連線端子以及函數(shù)、結構、連線等。當在后面板程序框圖中設置顯示和輸入控件時,前面板中會自動顯示出與之對應的輸入窗口和圖形顯示部件[7]。為了實時動態(tài)地顯示實驗結果,整個板的程序都處在一個while循環(huán)中,現(xiàn)的具體方法為:

(1)啟動Lab VIEW,新建一個空VI(Lab VIEW的程序文件名),在新建的前面板上創(chuàng)建4個圖形顯示控件-波形圖,分別作為基帶信號、載波信號、已調FM信號和已調信號頻譜的波形顯示圖;

(2)在程序框圖的函數(shù)選板的子選項板上選擇信號處理選板,生成正弦波形,分別作為基帶信號和載波信號,并在前面板的控制選板中選擇數(shù)值控件,讓用戶自行設置各參數(shù),如載波調制、調制幅值,頻率偏移等;

(3)在程序框圖的函數(shù)選板中,選擇數(shù)值函數(shù)選板的基本加、乘以及數(shù)學函數(shù)中特殊函數(shù)三角函數(shù)余弦控件,根據(jù)FM的調制原理

式中:A為調頻信號振幅,ωc為載波頻率,Kf為調頻靈敏度,m(τ)為調制信號。將程序面板中的各個控件按照上述公式的順序,用工具選板中的工具連接,連接后的程序結構如圖3所示。

(4)每個實驗的設計完成后,將這些VI放到一個大的主程序VI中進行封裝,實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合。

每個VI通過對連接器進行設置來定義輸入和輸出端口。連接器的設置分為兩個步驟:一是要創(chuàng)建連接器端口;二是要定義連接器端口和控件及指示器的關聯(lián)關系,包括建立連接和定義接線端類型。具體步驟為:(1)在程序框圖中用定位工具框定需要創(chuàng)建子VI的程序模塊;(2)從編輯選單中選擇創(chuàng)建子VI選項,完成后所框定的內容成為一個子VI,被一個默認的圖標子VI節(jié)點所替換;(3)運行程序,觀察結果。圖4為FM調制的運行結果,包括載波信號、基帶信號、已調信號和調制信號的頻譜。

本虛擬實驗平臺還設置了頻率調節(jié)旋鈕,用戶可根據(jù)需要設置實驗參數(shù)。點擊運行按鈕即可得到一組波形。用戶可以像在進行硬件電路實驗時那樣,一邊調試,一邊觀察運行結果。

2.3 前臺用戶界面的設計

圖3 FM調制的程序結構原理圖

圖4 FM調制的運行界面

用戶界面是實驗平臺呈現(xiàn)給用戶的結構和表現(xiàn)形式,設計內容包括:(1)平臺結構,即如何組織系統(tǒng)模塊;(2)顯示界面,即設計用戶界面、顯示形式和風格; (3)導航系統(tǒng),即根據(jù)使用習慣和需求進行頁面導航; (4)幫助系統(tǒng),即提供幫助和提示;(5)異常處理,主要是容錯和出錯提示等。

3 程序包的生成

編輯完虛擬實驗程序后,還需將程序生成可執(zhí)行文件,或者進一步生成安裝文件。Lab VIEW運行引擎的安裝程序允許用戶在未安裝Lab VIEW的情況下運行應用程序或使用共享庫。Lab VIEW提供了由程序創(chuàng)建軟件產(chǎn)品的功能,可從項目瀏覽器窗口中的“程序生成規(guī)范”節(jié)點上彈出選單,在“新建”中選擇一種編譯輸出類型,通常有應用程序、安裝程序、共享庫、源代碼發(fā)布、Web服務等選項[6]。

獨立的應用程序可為其他用戶提供VI的可執(zhí)行文件。獨立的應用程序允許用戶運行VI,而無需安裝Lab VIEW開發(fā)系統(tǒng)。Windows應用程序以.exe為擴展名;Mac OS應用程序以.app為擴展名。Windows安裝程序用于發(fā)布獨立應用程序、共享庫和通過應用程序生成器創(chuàng)建的源代碼等。

4 數(shù)據(jù)庫的訪問和遠程通信的實現(xiàn)

使Lab VIEW實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的方法有4種:(1)遠程桌面連接;(2)使用DataSocket技術的網(wǎng)絡通信; (3)通過網(wǎng)頁實時發(fā)布測控程序并異地使用瀏覽器監(jiān)控;(4)使用TCP、UDP等傳輸控制協(xié)議編程進行網(wǎng)絡通信。其中DataSocket是NI公司推出的一項基于TCP/IP協(xié)議的新技術,面向測量和網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)交換,在編程時僅存在URL地址的區(qū)別。DataSocket能夠隱藏網(wǎng)絡傳輸細節(jié),方便地實現(xiàn)測量和實時數(shù)據(jù)交換[7],目前DataSocket在10 Mbit/s網(wǎng)絡中的傳輸速率可達到640 kbit/s。鑒于DataSocket以上優(yōu)點,本虛擬實驗平臺用第二種方法,即用DataSocket技術進行網(wǎng)絡通信。

4.1 C/S組網(wǎng)方式

虛擬實驗平臺的組網(wǎng)模式采用了C/S模式。C/S模式是應用TCP/IP協(xié)議來構建的適合大量數(shù)據(jù)高效、可靠、完整地傳輸和兼容性強的一種組網(wǎng)模式[8],其原理如圖5所示。

整個系統(tǒng)由網(wǎng)絡連接的客戶機(Client)和服務器(Server)構成。客戶端為通信原理虛擬實驗平臺,學生可以憑用戶名和密碼進入虛擬實驗平臺并完成一系列虛擬實驗,并將所得的實驗數(shù)據(jù)和實驗進度通過TCP/IP協(xié)議寫入服務器的數(shù)據(jù)庫中。C/S模式主要涉及兩個方面的工作:一是客戶端采集程序和數(shù)據(jù)遠程發(fā)布程序的設計,二是服務器端數(shù)據(jù)接收程序的設計。

圖5 C/S組網(wǎng)模式原理圖

4.2 DataSocket網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)方法

DataSocket包含DataSocket API和DataSocket Server兩部分。

DataSocket API是一個協(xié)議編程語言,Lab VIEW為每一個前面板控件都設定一個與系統(tǒng)無關的應用程序接口,通過ActiveX控件來實現(xiàn)并支持多種數(shù)據(jù)類型,數(shù)據(jù)類型包括字符串、標量、布爾變量和波形等[9]。它自動把用戶測得的數(shù)據(jù)轉化為網(wǎng)絡上傳輸?shù)淖止?jié)流,適用于一般編程環(huán)境[10]。

DataSocket Server是一個必須運行在服務器端的程序,負責監(jiān)督Manager中所設定的具有各種權限的用戶組與客戶服務器之間的數(shù)據(jù)交換。DataSocket Server通過內部數(shù)據(jù)自描述格式對TCP/IP進行優(yōu)化和管理,簡化Internet通信方式,提供自由的數(shù)據(jù)傳輸,可以直接傳送虛擬儀器所采集到的布爾型、數(shù)字型、字符串型、數(shù)組型和波形等類型的數(shù)據(jù)。DataSocket Server支持多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,VI與DataSocket Server連接,用戶必須為數(shù)據(jù)提供一個附加到URL的標識Tag,DataSocket利用Tag在DataSocket Server上為數(shù)據(jù)項目指定地址和權限,負責監(jiān)管Manager中所設定的DataSocket Connection屬性,利用它可以實現(xiàn)不同計算機上相對應的2個甚至多個同類型控件之間的通信[11]。通過規(guī)定URL和控件連接方式,可以在本地和遠程進行實時無誤差的數(shù)據(jù)發(fā)布和讀取。

在Lab VIEW中運用DataSocket技術實現(xiàn)網(wǎng)絡通信有2種途徑:(1)前面板控件屬性直接連接;(2)利用DataSocket VI編程。其中控件屬性直接連接使數(shù)據(jù)傳輸無需編程,簡單易用,可縮短該軟件平臺開發(fā)的周期,提高平臺的工作效率。本設計采用了屬性控件直接連接的方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信,程序運行后會自動查找計算機中的網(wǎng)絡硬件,局域網(wǎng)上的計算機通過網(wǎng)卡、設置過Internet的計算機通過調制解調器連接到網(wǎng)絡服務器上。圖6為采用此種編程的部分源程序。

圖6 用DataSocket實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的源程序

4.3 數(shù)據(jù)庫的訪問

在Lab VIEW中可以使用ActiveX功能、調用Microsoft ADO控件、用SQL語言實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問[11]。SQL語言支持關系數(shù)據(jù)庫三級模式結構,其中外模式對應于視圖和部分基本表,模式對應于基本表,內模式對應于存儲文件[12]。基本表和視圖的操作都可以通過SQL來實現(xiàn),可以將學生的實驗數(shù)據(jù)和實驗進度存儲到服務器的數(shù)據(jù)庫中,方便管理。

5 結束語

基于Lab VIEW技術的通信原理虛擬仿真實驗平臺不但提供了典型的通信原理虛擬實驗內容,且實現(xiàn)了各功能子模塊的可移植性,支持用戶對各功能子模塊的搭建。同時,該平臺還可實現(xiàn)網(wǎng)絡化功能,適用范圍廣,有利于學生提高學習興趣、增強學生的實踐能力,是課堂教學的重要補充。

References)

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[12]Morton K,Osborne K,Sands R,et al.Oracle SQL高級編程[M].朱浩波,譯.北京:人民郵電出版社,2011.

Design on virtual experimental platform for Communication Principle course based on LabVIEW

Liu Mingzhu,Liu Yuqing,Qiao Jijun,Liu Ye
(School of Measurement-Control Technology and Communications Engineering, Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

To solve the problem that the classroom teaching of Communication Principle course has insufficient experiments and inadequate experiment resource,this article has studied the Communication Principle practical teaching method based on the technology of Lab VIEW.The virtual experimental platform of Communication Principle course has been designed and developed,and as an example the experiment of FM frequency modulation has been introduced to illustrate the specific design and realization process of the virtual experimental platform.The experimental results have shown that the virtual experimental platform based on Lab VIEW can realize online simulation experiments of Communication Principle accurately and efficiently.Using this platform can enhance the teaching interaction,help students to understand the theoretical knowledge,enhance their experimental skills and reach to the objective of stimulating students’interest in learning process.

communication principle;virtual experiment;teaching platform;Lab VIEW

G642.0

A

1002-4956(2015)4-0123-04

2014-08-26

哈爾濱理工大學教育教學研究專項基金項目(Z201300004);哈爾濱理工大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目

劉明珠(1973—),女,黑龍江哈爾濱,博士,副教授,主要研究方向為通信信號處理和認知無線電.

E-mail:lmz＠hrbust.edu.cn