基于LabVIEW的通信原理實驗平臺設計和教學體系研討〔〕:

摘要：針對現有的通信原理實驗教學情況的缺點及實驗平臺的缺乏，重點研究虛擬儀器技術，設計了基于LabVIEW的虛擬仿真實驗平臺系統架構，詳細分析了實驗平臺的硬件構成、軟件構成及系統執行流程。并從縱橫兩方向結合構建了"虛實結合、多層次";的實驗教學體系，改良實驗課堂效率，實現培養綜合性、創新性人才的教學目的。

關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；虛實結合；多層次

本文引用格式：王欣，等.基于LabVIEW的通信原理實驗平臺設計和教學體系研討[J].教育現代化,2022,6(96):204-205.

一引言

通信原理是電子類和通信類的核心課程之一，也是一門理論和理論結合性很強的專業課程。實驗能幫助學生理解理論教學中的抽象概念，培養學生的創造性思維和理論才能，是本課程的重要教學局部。傳統的通信原理實驗教學長期以單一的實體實驗為主，基于實驗內容根本固定的模塊化實驗箱，開展驗證性實驗和綜合性實驗。而實體實驗存在實驗設備維護本錢高、利用率缺乏、實驗內容可擴展性差、教學效果一般等缺點，難以滿足新時代教學探究與改革的需求【1】。

本文重點研究虛擬儀器技術，將虛實結合的教學方法引入通信原理課程，基于LabVIEW設計虛擬仿真實驗平臺，構建"虛實結合、多層次";的實驗教學體系，培養學生的設計才能和創新思維，提升課程學習效果。

二虛擬儀器技術

1986年，美國NI公司首先提出了虛擬儀器〔VirtualInstruments，簡稱VI〕的概念。所謂虛擬儀器，是指通過軟件將通用計算機與有關儀器硬件結合起來、具有可視化界面的儀器。與傳統儀器相比，虛擬儀器的本質是以計算機為核心，虛擬出與傳統儀器相似的顯示面板，用強大的軟件去代替傳統儀器的某些硬件功能。與傳統儀器相比，虛擬儀器具有開發和維護本錢低，技術更新周期短，價格廉價，可移植性強，智能化程度高等優點，使用靈敏、開發、便捷，完美地將儀器技術與計算機技術結合在了一起【2】。

軟件作為虛擬儀器的靈魂，在整個開發和使用過程中至關重要，因此虛擬儀器開發軟件平臺的研制也成為近年來世界各大自動測控與儀器公司的必爭之地，如美國的HP公司、Tektronix公司、HEMData公司都推出了虛擬儀器開發環境，但以NI公司的LabVIEW最具代表性【3】。LabVIEW支持圖形化編程語言，可以開發出界面美觀、功能強大的虛擬儀器，且圖形化編程語言更符合人類思維習慣，所以成為人們進展虛擬儀器應用開發的首要選擇。

三虛擬仿真實驗平臺的設計

基于LabVIEW的虛擬仿真實驗平臺系統架構圖如圖1所示，用戶可通過網絡隨時隨地訪問虛擬仿真實驗平臺，效勞器接收并執行用戶懇求，總的來說可分為硬件和軟件兩大局部。

〔一〕虛擬仿真實驗平臺的硬件構成

虛擬仿真實驗平臺的硬件主要由計算機和硬件接口裝置構成。計算機是整個平臺的主體，負責完成實時高效的數據處理。硬件接口裝置用于數據的采集與傳輸，除了實驗室的各種傳感器、數據采集卡、信號調理器等硬件設備以外，還包括用來連接儀器與計算機的各種通用接口總線，如GPIB總線、USB總線、、VXI總線和PXI總線、LXI總線等【4】。虛擬儀器、實驗室電子儀器設備或各種插件等通過接口總線連接組建起來，構成了整個虛擬仿真實驗平臺的根底。此外，為了實現用戶隨時隨地訪問虛擬仿真實驗平臺，本系統的組網采用C/S形式，客戶機和效勞器通過廣域網或局域網連接，應用TCP/IP協議實現數據的傳輸。

〔二〕虛擬仿真實驗平臺的軟件構成

虛擬仿真實驗平臺通過不同的軟件實現不同的功能。其中效勞器裝有數據庫管理軟件、教學管理軟件、LabVIEW軟件等，其中數據庫管理軟件對與實驗相關的數據進展管理，教學管理軟件輔助實驗教學過程，LabVIEW軟件進展實驗的設計與實現。

本實驗平臺基于LabVIEW軟件搭建，它采用圖形化的構造框圖搭建程序代碼，更加易學易用，便于學生及時地掌握和應用。利用LabVIEW設計實驗，主要完成前面板和程序框圖的設計。前面板，即人機界面〔用戶界面〕，提供眾多與實體儀器類似的用于顯示和輸入的控件。程序框圖包括前面板上控件的互相關系，其圖形化源代碼與流程圖類似，設計前應先明確所需的各函數功能模塊，再進展程序的編寫。

應用LabVIEW實現通信原理虛擬仿真實驗平臺，打破了傳統通信原理實驗教學的局限性，提供了新的施行途徑，可基于此實驗平臺開展信號調制、信道復用、信道噪聲等不同類別的實驗工程，有助于學生理解通信原理課程的知識，提升老師的教學質量。

〔三〕虛擬仿真實驗平臺的執行流程

詳細執行流程如下：

〔1〕用戶在客戶端輸入用戶名、密碼登錄虛擬實驗平臺。

〔2〕用戶進入主界面進展功能選擇。本系統用戶角色分為管理員、老師和學生三類，不同的用戶角色具有不同的功能。管理員具有用戶管理、課程管理等功能，能對用戶賬號、密碼進展分配和管理，管理實驗課程信息；老師除了注冊、登錄之外，還能通過網絡發布資源，進展實驗數據查看，修改實驗報告，管理實驗成績；學生在登錄虛擬仿真實驗平臺后可選擇要做的實驗，也可學習實驗案例、下載學習資料、提交實驗報告、查看實驗成績、進展問題討論等。

〔3〕效勞器一直處于監聽狀態，一旦接收客戶端的懇求即調用相應效勞處理程序，同時將處理結果返回客戶端。

四實驗教學體系的構建

根據通信原理的大綱，本課程教學實驗主要包括數字基帶信號、數字調制與解調、信號傳輸、信道干擾等，教學目的為幫助學生理解通信系統的根本概念及根本理論，熟悉通信系統的架構，培養學生的實際動手才能和創造性思維。基于虛擬仿真實驗平臺，通信原理的實驗課程設計成為"虛實結合、多層次";的縱橫結合的教學體系，師生不必在設備的搭建和操作調試上費時，可以側重在實驗結果的分析與總結中，到達了實驗教學的要求。

在橫向上，通信原理實驗可分為軟件仿真實驗模塊、硬件調試實驗模塊、虛擬實驗模塊三大局部。在教學過程中，第一步采用軟件仿真實驗模塊進展理論分析研究；第二步基于硬件調試實驗模塊進展實際測量；第三步基于虛擬實驗模塊完成自主性和創新性實驗。每個實驗模塊又包含假設干子實驗，三者虛實結合，互相比擬和驗證。

在縱向上，通信原理實驗劃分為驗證性、綜合性和設計性三個層次構造。驗證性實驗結合理論課程知識構造，通過軟件仿真為主的實驗工程加強對通信原理根底知識的理解。基于LabVIEW的虛擬仿真實驗平臺，讓學生打破了實驗學時的限制和實驗地點的束縛，除了必做實驗工程外，學生還可自主選擇完成其他實驗工程，為綜合性和設計性實驗的展開奠定根底。綜合性實驗工程采用虛實結合的方式，考察學生對知識的綜合應用才能。詳細來說，學生可在課外設計實驗方案，利用軟件仿真進展方案論證和改良，在課堂上再通過實驗儀器對實驗方案進展進一步的驗證。虛實結合的實驗方法大大進步了課堂效率，改善課堂氣氛，鍛煉了學生解決綜合性問題的才能。設計性實驗主要進展系統功能擴展或二次開發實驗，培養學生的創新思維和理論才能【5】。

五結語

虛擬仿真實驗平臺的建立是國家教育現代化的重要組成局部，也是近幾年開展的大趨勢。本工程基于LabVIEW搭建了虛擬仿真實驗平臺，設計了系統架構圖，并對硬件和軟件構成做了詳細分析，解決了實驗儀器數量少、難以開放、使用復雜等問題，提升了課堂效率。同時，設計了"虛實結合、多層次";的教學體系，通過橫向縱向多維度的實驗設計幫助學生消化理解通信原理的課堂知識，培養學生的動手才能和創造性思維，抑制了理論與理論脫離的弊端。

參考文獻

【1】紀藝娟,高鳳強,郭一晶等.基于LabVIEW和USRP的通信原理虛實結合實驗平臺設計[J].實驗技術與管理,2022,3(36):155-158.

【2】朱巖,余愚.虛擬儀器技術研究現狀與展望[J].現代制造技術與裝備,2022,6:12-14.

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