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基于LabVIEW的通信專業遠程虛擬實驗室

 摘要: 結合虛擬儀器技術和網絡技術的遠程虛擬實驗室,以其誘人的應用前景吸引了大批專家學者的注意力,均在大力開發研究。本文介紹了基于labview的通信專業遠程虛擬實驗室的設計與實現。基于labview開發平臺和PC6111采集卡,設計了通信原理虛擬實驗系統,包括5個虛擬實驗和3個虛擬儀器,并將整個系統網絡化,形成遠程虛擬實驗室。

關鍵詞: 遠程虛擬實驗室、虛擬儀器、虛擬技術、Web應用、網絡技術

 

Communication Specialty Long distance Virtual  Lab Based on LabVIEW

Jiao RuiliNan LipingLi Xuehua

 

Abstract Long distance virtual lab, which combines network technology and virtual instrumentation technology, attracted a lot of specialists and scholars to research and develop it energetically. This paper has a discussion on design and realization of communication specialty long distance virtual lab. Based on the development platform of LabVIEW and the PCI6111 DAQ board, the design of 5 virtual experiments and 3 virtual instruments are implemented. A long distance virtual laboratory is implemented with the strong network ability of LabVIEW. 

Keywords Long distance virtual lab, virtual instrumentation, virtual technology, Web applicationnetwork technology.

 

1引言

在這個計算機和網絡時代,利用計算機和網絡技術對傳統的產業進行改造,已是大勢所趨,而虛擬儀器系統正是計算機和網絡技術與傳統的儀器技術進行融合的產物。八十年代末,美國國家儀器公司(NI)提出了軟件就是儀器的口號,將日益普及的計算機技術與儀器儀表技術完美結合起來,提出虛擬儀器(Virtual Instruments)的概念。LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫。它是NI公司研制的圖形化編程軟件,是目前最為成功、應用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發環境。應用虛擬儀器技術,使我們能夠在計算機上按照自己的需求來設計儀器,方便靈活而且開發周期短。它不僅降低了儀器成本,更提高了工作效率。據統計,在全球500強企業中有85%的企業使用了虛擬儀器技術,足以證明其應用領域的廣闊。同樣地,虛擬儀器技術在教學上也有著非常好的應用前景。在最近幾年里,快速可靠的計算機通信網絡獲得了驚人的發展,局域網或廣域網上的計算機可以進行信息和命令交換,這樣網絡服務拓展了虛擬儀器的使用范圍,給虛擬儀器技術注入了強大的活力,進一步增強了數字化儀器的優勢,從而成功地進入了網絡化虛擬儀器階段。LabVIEW具有非常強大的網絡功能,其內置Web Server,可以進行網頁發布,使客戶端僅用Web瀏覽器便可以進行實驗;支持DataSocket遠程數據采集技術,可以輕松實現遠程的數據采集及數據交換;利用TCPUDP技術可以實現另一種數據傳輸方式;同時VI Server作為遠程程序的運行控制技術,其功能極其強大。通過將網絡技術與虛擬儀器技術相結合,遠程虛擬實驗室為遠程教育的實驗課程提供了解決方案。國內部分重點大學在這方面已開始了初步的研究和應用。但是在通信專業教學上的應用還無先例。

通信原理教學實驗包括:數字基帶信號、數字調制與解調、模擬信號的波形編碼、循環糾錯編碼等,其主要目的是幫助學生理解通信系統的整體概念及基本理論,對于培養學生的通信系統觀念、提高實際動手能力有極其重要的作用。在這些教學實驗中,需要的儀器有:數字萬用表、任意波形發生器、數字存儲示波器、頻譜分析儀、失真度儀、頻率計(國產全套儀器約20萬元人民幣)。特別是頻譜分析儀作為頻域分析儀器在教學實驗中有著非常重要的作用,但因頻譜分析儀價格的昂貴,至今沒有配備。與傳統儀器相比,虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優點外,在工程應用和社會經濟效益方面也具有突出優勢。此外,傳統的通信原理實驗主要通過硬件電路實現各功能模塊,由信號發生器產生信號,用示波器觀察各點波形。由于實驗條件的限制,往往得不到豐富實驗結果,而且學生面對復雜的電路板難以從系統的觀點去分析各點波形關系。設計出一套與傳統實驗相配合的虛擬實驗軟件,采用軟件模擬的方法,通過靈活調節各個實驗參數,靈活控制實驗進程,便可很好的彌補傳統通信原理實驗的不足。因此,將虛擬儀器技術引入到教學實驗中就成為行之有效的解決方案(實現這樣的虛擬實驗室的每套投資大約4萬元人民幣)。

實現遠程虛擬實驗室有眾多意義,但是目前最重要的也是最現實的意義就是應用于教育系統上。隨著我國高等教育體制的深化改革以及招生規模擴大方針實施以來,學生規模急劇膨脹的普通高等院校普遍陷入了實驗教學的困境。從現實的意義上來說,在高等工程教育中采用虛擬實驗室,可以從根本上解決實驗與實習經費嚴重短缺問題。同時,利用虛擬儀器技術與計算機網絡相結合還可以實現對儀器設備的遠程、分布式控制,在教育、科研等領域中具有廣闊的發展空間和應用前景,是實驗教學的一個新的發展方向。

 

2通信專業遠程虛擬實驗室的設計與實現

2.1遠程虛擬實驗室構成

利用LabVIEW內置Web服務器實現遠程虛擬實驗室。其中Web服務器裝有Win2000 Advanced Server操作系統,LabVIEW 6.1軟件,同時此服務器還作登陸服務器用,裝有SQL,也就是需要正確的用戶名密碼登陸服務器,才可以做虛擬實驗。RDARemote Device Access遠程設備訪問)服務器裝有NI公司的硬件板卡(PCI6111設備), RDA技術是把此板卡共享給Web服務器以減小服務器負擔。對于用戶計算機需要有Web瀏覽器和LabVIEWRuntimeEngine插件。

遠程虛擬實驗室網絡平臺由5個部分組成,分別是預約系統,交流討論系統,上傳專區,下載專區,虛擬實驗系統的無縫連接系統。其中虛擬實驗系統的無縫連接系統是遠程虛擬實驗室的重要組成部分,分為虛擬實驗和虛擬儀器兩個部分,為學生提供遠程實驗鏈接。主頁是虛擬實驗室的入口,任何人都可以訪問主頁。而進行虛擬實驗及使用虛擬儀器則需要驗證身份后才能登陸相關鏈接。通過網絡化虛擬信號發生器,當獲得控制權時可以對儀器操作。

2.2虛擬實驗部分

作為虛擬實驗系統的無縫連接系統中的重要組成部分,共包括數字基帶信號、數字調制與解調、PCM編譯碼與時分復用、增量調制、循環糾錯編碼5個虛擬實驗,涵蓋了通信專業基礎實驗,并比傳統硬件實驗箱提供了更豐富的實驗內容,提高了實驗效率,改進了學生的學習方式。采用虛擬實驗軟件模擬的方法迅速、準確地實現通信原理教學的抽樣量化、碼型變換、基帶傳輸、PCM編譯碼等實驗。由于信號通過程序精確產生,各功能模塊也由程序精確實現,有助于學生理解通信系統的整體概念及基本理論。與以往注重費時的采集數據的過程不同,在虛擬實驗室中,師生可以集中精力分析實驗結果,總結規律,得出結論。而不必花費大量精力在實驗設備的搭建和各種設備的操作調試上,突出了訓練的重點,增強了學生學習的積極性。

以數字調制實驗中的2DPSK相干解調為例,采用虛擬實驗方式可在同一界面上顯示出解調過程中所有關鍵點的波形,比以往示波器觀察更具有完整性,有助于學生對解調原理的理解。又如在數字基帶信號實驗中的HDB3編碼,HDB3編碼概念非常重要,以往實驗中讓學生觀察四連零取代節常常會花費大量時間,利用虛擬實驗可以將取代節明確標出,簡單明了,并且與NRZ碼和AMI碼比對學習,利于知識點的掌握。

2.3虛擬儀器部分

基于LabVIEW開發平臺,使用NI公司PCI6111采集卡,設計了頻譜儀、雙路信號發生器和數字示波器3個虛擬儀器。在虛擬儀器設計中遵循涵蓋實驗中所需傳統儀器功能的同時豐富儀器的分析、顯示與結果記錄功能的原則。例如以傳統頻譜儀和失真度儀為參考,設計虛擬頻譜儀并綜合失真度測量功能,這樣彌補了無頻譜儀和失真度儀的不足。同時頻譜儀的Mark功能,可以快速讀取峰值,方便測量。雙路信號發生器可以同時輸出兩路模擬信號并可完成波形的運算。示波器可雙路顯示并具有硬件觸發功能和存儲或打印實驗結果的功能。其波形快照功能,可記錄某一時刻的測量值與波形,并利用顯示手段可以清楚地分析實驗中的特定現象如相位翻轉點等。

用一臺計算機(虛擬儀器)同時取代多臺功能固定的傳統臺式儀器,真正體現了虛擬儀器技術軟件就是儀器,同時虛擬儀器的測量、分析、存儲與輸出功能可隨用戶需求而改變。這樣,完成眾多內容的教學實驗,只需要為每組配備一臺計算機及數據采集卡,既節省了空間,同時也大大節約了儀器的維修保養費用,降低了實驗成本。

通過上述介紹,可以看到通信專業遠程虛擬實驗室的主要特點有以下幾個方面:1)實驗內容更豐富,更生動,更易于理解。2)實驗設備投資可顯著的降低。3)利用網絡技術,實現教學手段的現代化。

 

3結束語

事實證明將虛擬儀器技術引入到教學實驗中是行之有效的解決方案。應用虛擬儀器技術,使我們能夠在計算機上按照自己的需求來設計實驗與儀器,方便靈活而且開發周期短。它可以提高實驗效率、降低實驗成本、增強學生學習的積極性,取得較好的教學效果,其具有傳統實驗所無可比擬的優勢。在通信原理實驗教學中,利用通信專業遠程虛擬實驗室完成相關實驗、以虛擬儀器替代傳統實現儀器、利用網絡實現遠程應用是完全可行的。基于LabVIEW的遠程虛擬實驗室無疑是實驗室建設的新思路,也是實驗教學的一個新的發展方向。

 

參考文獻

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