基于LabVlEW的通信原理虚拟实验平台的设计

刘明珠,刘雨晴,乔季军,刘 晔

(哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院,黑龙江哈尔滨 150080)

基于LabVlEW的通信原理虚拟实验平台的设计

刘明珠,刘雨晴,乔季军,刘 晔

(哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院,黑龙江哈尔滨 150080)

针对“通信原理”课程课堂教学中实验教学不充分、实践资源不丰富等问题,设计了基于Lab VIEW技术的虚拟实验平台。以FM频率调制实验为例,介绍了该虚拟实验平台的具体设计过程与实现方法。测试结果表明,基于Lab VIEW的通信原理虚拟实验平台能够准确、高效地实现在线通信原理仿真实验,可以增强教学互动性,有利于学生深入理解理论知识,提高实验技能并激发学生的学习兴趣。

通信原理;虚拟实验;教学平台;Lab VIEW

通信原理课程是电子信息类专业重要的专业平台课和骨干课程之一,在电子信息类本科和研究生教学中具有极其重要的地位。长期以来,通信原理课程教学方法仍较为传统,在理论教学、实践教学和工程设计相结合方面比较欠缺,教学手段也较为单一,易使学生对抽象的理论知识产生畏难心理[1]。笔者将实践型教学理念引入通信原理课程教学中,设计出通信原理虚拟实验平台。该平台能很好地解决由于实验课程的学时有限、难以充分利用实验资源等问题,帮助学生更好地理解知识。

目前,可用于虚拟平台开发的软件主要有Lab-VIEW、Matlab和System View等[2],其中Lab VIEW以流程图形式编程,不需要预先编译,可进行语法检测,具有丰富的函数、数值分析、信号处理和设备驱动等功能,并具有扩展性强、节约时间等特点。Lab-VIEW采用的编程语言——G语言,是一种具有扩展函数库的通用编程语言,采用图形化的编程方式,能够极大地提高编程效率[3]。本文介绍以Lab VIEW为软件开发平台,基于层次化、模块化的编程方法的通信原理虚拟实验平台的设计及实现。

1 通信原理虚拟实验平台总体框架

通信原理虚拟实验平台的设计采用模块化设计思想,根据所设计系统的功能划分出不同功能模块,然后再对各个子模块进行设计。正确地划分程序设计模块,能够有效地降低系统的复杂程度。图1为通信原理实验平台的总体框架。

图1 通信原理实验平台的总体框架

用户登录平台的用户主界面后,可以查看自己以往的实验成绩、选择相关的实验例程进行学习,或者直接选择要做的实验,实验完成后进行保存、提交实验报告或参与问题的讨论。用户可以进行相关资料的下载和上传,可对系统提出意见和建议,这些意见和建议将会上传到服务器,系统管理员会进行相应的处理。

2 通信原理实验平台设计及实现

2.1 虚拟实验平台的设计原理

设计通信原理虚拟实验平台的目的是在日常教学过程中能够实现学生的自主虚拟仿真实验,并与理论教学内容相结合,实现动态、可操作性强、直观的实验教学。图2为虚拟实验平台模拟和数字调制、解调实验部分的设计方案[4]。

图2 通信原理虚拟实验的设计方案

该平台设置的虚拟信号发生器是输入信号的源端;虚拟示波器是信号显示的终端。该平台是根据通信原理教学大纲的要求设计的,包括模拟与数字两部分实验内容,每个部分又包含若干个虚拟实验。

2.2 通信原理虚拟实验平台设计实例

构建完整的Lab VIEW工程需要完成3部分内容,即前面板的设计、框图和程序的设计,以及目标和连接器的配置[5]。在编写程序框图前,首先要确定编程所需要的各个函数功能模块,然后再编写程序,最后根据各个模块的功能要求拟定参数并进行调试和修改。本文以FM调制实验为例,给出虚拟实验系统中实验设计开发的一般过程。

Lab VIEW的程序代码以程序框图表示,需在可执行程序框图中进行编程,以操纵和定义在前面板上的输入和输出功能模块[6]。程序框图包括前面板上控件的连线端子以及函数、结构、连线等。当在后面板程序框图中设置显示和输入控件时,前面板中会自动显示出与之对应的输入窗口和图形显示部件[7]。为了实时动态地显示实验结果,整个板的程序都处在一个while循环中,现的具体方法为:

(1)启动Lab VIEW,新建一个空VI(Lab VIEW的程序文件名),在新建的前面板上创建4个图形显示控件-波形图,分别作为基带信号、载波信号、已调FM信号和已调信号频谱的波形显示图;

(2)在程序框图的函数选板的子选项板上选择信号处理选板,生成正弦波形,分别作为基带信号和载波信号,并在前面板的控制选板中选择数值控件,让用户自行设置各参数,如载波调制、调制幅值,频率偏移等;

(3)在程序框图的函数选板中,选择数值函数选板的基本加、乘以及数学函数中特殊函数三角函数余弦控件,根据FM的调制原理

式中:A为调频信号振幅,ωc为载波频率,Kf为调频灵敏度,m(τ)为调制信号。将程序面板中的各个控件按照上述公式的顺序,用工具选板中的工具连接,连接后的程序结构如图3所示。

(4)每个实验的设计完成后,将这些VI放到一个大的主程序VI中进行封装,实现系统的综合。

每个VI通过对连接器进行设置来定义输入和输出端口。连接器的设置分为两个步骤:一是要创建连接器端口;二是要定义连接器端口和控件及指示器的关联关系,包括建立连接和定义接线端类型。具体步骤为:(1)在程序框图中用定位工具框定需要创建子VI的程序模块;(2)从编辑选单中选择创建子VI选项,完成后所框定的内容成为一个子VI,被一个默认的图标子VI节点所替换;(3)运行程序,观察结果。图4为FM调制的运行结果,包括载波信号、基带信号、已调信号和调制信号的频谱。

本虚拟实验平台还设置了频率调节旋钮,用户可根据需要设置实验参数。点击运行按钮即可得到一组波形。用户可以像在进行硬件电路实验时那样,一边调试,一边观察运行结果。

2.3 前台用户界面的设计

图3 FM调制的程序结构原理图

图4 FM调制的运行界面

用户界面是实验平台呈现给用户的结构和表现形式,设计内容包括:(1)平台结构,即如何组织系统模块;(2)显示界面,即设计用户界面、显示形式和风格; (3)导航系统,即根据使用习惯和需求进行页面导航; (4)帮助系统,即提供帮助和提示;(5)异常处理,主要是容错和出错提示等。

3 程序包的生成

编辑完虚拟实验程序后,还需将程序生成可执行文件,或者进一步生成安装文件。Lab VIEW运行引擎的安装程序允许用户在未安装Lab VIEW的情况下运行应用程序或使用共享库。Lab VIEW提供了由程序创建软件产品的功能,可从项目浏览器窗口中的“程序生成规范”节点上弹出选单,在“新建”中选择一种编译输出类型,通常有应用程序、安装程序、共享库、源代码发布、Web服务等选项[6]。

独立的应用程序可为其他用户提供VI的可执行文件。独立的应用程序允许用户运行VI,而无需安装Lab VIEW开发系统。Windows应用程序以.exe为扩展名;Mac OS应用程序以.app为扩展名。Windows安装程序用于发布独立应用程序、共享库和通过应用程序生成器创建的源代码等。

4 数据库的访问和远程通信的实现

使Lab VIEW实现网络通信的方法有4种:(1)远程桌面连接;(2)使用DataSocket技术的网络通信; (3)通过网页实时发布测控程序并异地使用浏览器监控;(4)使用TCP、UDP等传输控制协议编程进行网络通信。其中DataSocket是NI公司推出的一项基于TCP/IP协议的新技术,面向测量和网络实时数据交换,在编程时仅存在URL地址的区别。DataSocket能够隐藏网络传输细节,方便地实现测量和实时数据交换[7],目前DataSocket在10 Mbit/s网络中的传输速率可达到640 kbit/s。鉴于DataSocket以上优点,本虚拟实验平台用第二种方法,即用DataSocket技术进行网络通信。

4.1 C/S组网方式

虚拟实验平台的组网模式采用了C/S模式。C/S模式是应用TCP/IP协议来构建的适合大量数据高效、可靠、完整地传输和兼容性强的一种组网模式[8],其原理如图5所示。

整个系统由网络连接的客户机(Client)和服务器(Server)构成。客户端为通信原理虚拟实验平台,学生可以凭用户名和密码进入虚拟实验平台并完成一系列虚拟实验,并将所得的实验数据和实验进度通过TCP/IP协议写入服务器的数据库中。C/S模式主要涉及两个方面的工作:一是客户端采集程序和数据远程发布程序的设计,二是服务器端数据接收程序的设计。

图5 C/S组网模式原理图

4.2 DataSocket网络通信的实现方法

DataSocket包含DataSocket API和DataSocket Server两部分。

DataSocket API是一个协议编程语言,Lab VIEW为每一个前面板控件都设定一个与系统无关的应用程序接口,通过ActiveX控件来实现并支持多种数据类型,数据类型包括字符串、标量、布尔变量和波形等[9]。它自动把用户测得的数据转化为网络上传输的字节流,适用于一般编程环境[10]。

DataSocket Server是一个必须运行在服务器端的程序,负责监督Manager中所设定的具有各种权限的用户组与客户服务器之间的数据交换。DataSocket Server通过内部数据自描述格式对TCP/IP进行优化和管理,简化Internet通信方式,提供自由的数据传输,可以直接传送虚拟仪器所采集到的布尔型、数字型、字符串型、数组型和波形等类型的数据。DataSocket Server支持多种数据传输协议,VI与DataSocket Server连接,用户必须为数据提供一个附加到URL的标识Tag,DataSocket利用Tag在DataSocket Server上为数据项目指定地址和权限,负责监管Manager中所设定的DataSocket Connection属性,利用它可以实现不同计算机上相对应的2个甚至多个同类型控件之间的通信[11]。通过规定URL和控件连接方式,可以在本地和远程进行实时无误差的数据发布和读取。

在Lab VIEW中运用DataSocket技术实现网络通信有2种途径:(1)前面板控件属性直接连接;(2)利用DataSocket VI编程。其中控件属性直接连接使数据传输无需编程,简单易用,可缩短该软件平台开发的周期,提高平台的工作效率。本设计采用了属性控件直接连接的方法来实现网络通信,程序运行后会自动查找计算机中的网络硬件,局域网上的计算机通过网卡、设置过Internet的计算机通过调制解调器连接到网络服务器上。图6为采用此种编程的部分源程序。

图6 用DataSocket实现网络通信的源程序

4.3 数据库的访问

在Lab VIEW中可以使用ActiveX功能、调用Microsoft ADO控件、用SQL语言实现对数据库的访问[11]。SQL语言支持关系数据库三级模式结构,其中外模式对应于视图和部分基本表,模式对应于基本表,内模式对应于存储文件[12]。基本表和视图的操作都可以通过SQL来实现,可以将学生的实验数据和实验进度存储到服务器的数据库中,方便管理。

5 结束语

基于Lab VIEW技术的通信原理虚拟仿真实验平台不但提供了典型的通信原理虚拟实验内容,且实现了各功能子模块的可移植性,支持用户对各功能子模块的搭建。同时,该平台还可实现网络化功能,适用范围广,有利于学生提高学习兴趣、增强学生的实践能力,是课堂教学的重要补充。

References)

[1]孙云山,张立毅,耿艳香,等.通信原理虚拟实验仿真系统研究[J].实验室科学,2010,13(6):101-103.

[2]凌霖,苏胤杰,晋春.软件仿真在通信原理实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(4):83-85.

[3]张兰勇.Lab VIEW程序设计基础与提高[M].北京:机械工业出版社,2012.

[4]张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[5]任峻,张红燕.运用虚拟仿真实验改革通信原理实验教学[J].实验技术与管理,2014,31(3):95-97,104.

[6]林静,林振宇,郑福仁.Lab VIEW虚拟仪器程序从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[7]孙秋野,柳昂,王云爽.Lab VIEW8.5快速入门与提高[M].西安:西安交通大学出版社,2009.

[8]张茜,雷勇.基于虚拟仪器技术的网络化远程实验室系统[J].实验室研究与探索,2013,32(9):90-93.

[9]何玉钧,高会生.Lab VIEW虚拟仪器设计教程[M].北京:人民邮电出版社,2012.

[10]朱勇,刘庆玲,陈述超.通信原理实验网络教学研究[J].实验室研究与探索,2005,24(3):49-51.

[11]唐亚鹏,侯媛斌.基于Lab VIEW的实践教学平台与Access数据库的开发[J].计算机技术与发展,2011,21(5):220-222.

[12]Morton K,Osborne K,Sands R,et al.Oracle SQL高级编程[M].朱浩波,译.北京:人民邮电出版社,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

哈尔滨理工大学教育教学研究专项基金项目(Z201300004);哈尔滨理工大学创新创业训练计划项目

刘明珠(1973—),女,黑龙江哈尔滨,博士,副教授,主要研究方向为通信信号处理和认知无线电.

E-mail:lmz＠hrbust.edu.cn