基于虚拟仪器的信号处理实验室建设路径

摘 要：电子信息专业的核心内容是信号处理技术，而实验是熟悉信号处理知识、了解信号处理概念的重要手段。文章从传统实验室建设存在的问题出发，提出了基于虚拟仪器的信号处理实验室建设方案，并举例说明相关课程的教改方案。

关键词：信号处理实验室;虚拟仪器;教学改革

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2016）03-0042-02

一、传统实验室建设现状与问题

传统实验室建设是按照单独课程设立的，例如传感器实验室只会负责“传感器原理”课程，高频实验室又只会负责“高频电子线路”[1-2]。近年来可以发现，类似“基础实验室”、“综合实验室”甚至“创新实验室”成为了各大高校兴建实验室的主流，在这样一个实验室中，教师希望能够涵盖尽可能多的课程实验内容。所以，相对于针对单独课程的传统教学实验室而言，能够建设一个综合性的工程实验平台显然具有优势，在统一平台上能够做多门课程的实验（例如传感器、数据采集与处理、信号与系统、数字信号处理等），也能够完成多门课程的交叉实验。一方面便于统一管理与协调，提高效率，另一方面也节省了实验室建设成本[3]。

诚然，随着电子信息专业技术的突飞猛进，每年开设的全新课程甚至专业都层出不穷，想利用一个实验室涵盖所有技术内容并不现实，希望实验室永不过时的想法也不可能实现。但是能够提高实验室的包容性和灵活性却意义重大。

针对这个迫切需要解决的问题，提出了基于虚拟仪器的信号处理实验室建设方案。此实验室采用模块化的设计理念，可以通过添加相应模块（自行设计或外购）面向多门课程。此实验室的最大特点就是灵活可配与可扩展性。通过各种实验模块和功能模块，教师们可以按照自己课程的需要自行选择和设计相应的实验;模块种类的不断增添表明实验平台具备了长期的可扩展性，不会过早过时甚至报废。最值得一提的是，由于具备模块化的特点，学生还可以按照自己的创意将多个模块一起放在实验平台上搭建自己的系统，在更高层次上做各种综合实验，增强学生的学习兴趣，也契合普通高校应用型人才的培养模式[4-5]。

二、信号处理实验室建设方案

对信号的处理方法多种多样，因此也衍生了多种信号采集处理仪器，如几乎是实验室标配的示波器、万用表，高端实验室要配备的频谱仪、逻辑分析仪等。上述设备性能自然毋庸置疑，但主要面对学生的教学类实验且成本较高，存在资源浪费的问题。因此设计了基于虚拟仪器的信号处理实验室方案，选择多通道数据采集卡作为实验室的核心设备，采集各类信号，信号产生及调理由器件（传感器、信号发生器、其他电路）提供，而信号处理的任务则交给LabVIEW或类似的虚拟仪器软件。信号经处理后可输出控制外部器件，此方案只有数据采集卡和计算机必须购置，其他模块都可以自行设计和根据情况扩展购买，具有较强的灵活性和扩展性，在保证教学任务的同时，也极大降低了建设成本。

与传统实验室相比，在虚拟仪器平台上可以实现更多的功能，比如通过软件即可以完成示波器、万用表、频谱分析等信号处理的基本功能。软件提供的测量功能可以随时升级，与传统仪器相比具有较强的灵活性，通过开发软件又可以实现复杂的信号处理和数据计算。在具体实验教学中，教师设计基础程序供学生参考学习，学生通过修改程序参数、增加程序功能，加强对实验内容的理解。实验室可以承担电子信息专业大多数课程的实验，几乎无所不能，其主要原因在于电子信息专业的核心是信号处理，而此方案把信号处理的任务交与软件实现，因此可升级能力及灵活性是无可比拟的。实验室可以完成的相关课程和实验内容如下所示：（1）数据采集与处理;（2）传感器及其应用;（3）信号与系统;（4）数字信号处理;（5）数字图像处理;（6）语音信号处理;（7）电子电路、模拟电路、数字电路：通过增设调理电路，如面包板、PCB板等方式进行课程设计;（8）综合类实验或开放性实验;（9）毕业设计。

三、信息工程专业相关课程教改示例

（一）数据采集与处理

数据采集与处理的教学内容包括模拟信号的数字化处理、模拟多路开关、测量放大器、采样保持器、A/D及D/A转换器等内容，是以信号的测量与处理、微型计算机等先进技术为基础而形成的一门综合应用技术，实用性很强。作为获取信息的技术，数据采集广泛地应用在国民经济的各个领域，因此课程特点是知识点与专业各课程都有关系，知识点很分散，理论与实践联系不密切，学生不容易理解。因此只能在课堂上通过实际项目介绍、学生查阅资料并演讲等方式提高教学效果。

为了提高学生的学习兴趣，培养应用型人才，可以利用信号处理实验室实现任务式的教学方法。通过具体任务将理论和实践紧密结合起来，从而将抽象知识具体化，枯燥知识生动化，充分发挥学生的主观能动性。而此实验室可以完成多项数据采集与处理的具体任务，既可以紧密联系课程内容，又具有一定的扩展性。

（二）传感器及其应用

传感器及其应用课程也是一门知识点分散的课程，其课程实质是探讨物理信号转电信号的原理、过程及技术指标。如果能够在信号处理实验室中增加传感器模块，通过教学内容设计，可以将此课程和电子信息专业内容有机地结合起来，甚至是合并相关知识点。比如可以完成温度、压力、应变测量和分析实验、生物医电生理信号测量和分析实验，磁场传感器测量和分析实验等。

受成本所限，传统的传感器实验室一般只能完成验证性实验，而信号处理实验室不仅可以完成传感器的物理量采集，更可以完成数据量的处理、分析和存储。比如可以利用实验平台设计多点温度采集系统。学生通过实验不仅可以了解温度传感器的原理和特点，也可以学习多点温度数据的分析方法，并且在系统设计中掌握虚拟仪器软件的编程方法、用户界面的设计。

（三）虚拟仪器课程设置

增设虚拟仪器课程，以学习和掌握LabVIEW的软件功能为主。通过引入自定义的虚拟仪器，学习虚拟仪器软件的仿真和分析能力，可以把其用于演示难以理解的理论知识或复杂的专业概念。利用实验室硬件采集设备可以获得实际的测量数据，利用软件又可以生成仿真数据，通过虚拟仪器技术可以将两种数据进行比较和关联，分析信号误差、信号变化等实际问题，有助于学生理解电子信息专业内容。

（四）电子信息专业综合实验课程设计

信号处理实验室可用于虚拟仪器设计、数字电路、模拟电路、通信工程、电子信息、信号与系统等课程实验以及虚拟仪器专题实验、通信工程设计训练、电子信息工程综合课程设计等，同时其可作为学生科技创新竞赛平台。此实验室的硬件平台和虚拟仪器软件，特别适合设计综合性强的实验（各专业教师发挥所长，分别设计），与大一的专业导论相呼应，力图通过专业实验“一锤定音”，彻底解决学生专业思想淡薄、奋斗方向迷失、学习兴趣缺失的本质问题。设计的家电类电脑板功能测量综合性实验如下。

电脑板测试系统是指在传感器的测试和计算机的控制下，能自动完成激励、测量、数据处理、显示或输出测试结果的一类系统的统称。电脑板测试用于完成对被测电脑板的性能测试，根据对电脑板测试结果的分析、对故障的诊断与定位也可将其扩展成为诊断系统。参考电脑板检测的结果，研发人员可以在设计中防止出现重复性问题，减少产品返修率，提高效率，以更快的速度研发出更合格可靠的产品。

学生需要对实测家电类电脑板进行功能分析，根据电脑板的数据类型，分别对其进行信号调理，对模拟量进行滤波处理，对数字量和脉冲数据进行光耦隔离，开关量通过继电器隔离和控制。调理后的信号分别与数据采集模块的相应通道对接。电脑板需要观测和控制的数据送入PC机内部进行相应的处理和分析。在实际实验中，需要利用LabVIEW软件设计操作检测程序，从而控制和观测电脑板，完成电脑板功能检测实验。

除了家电类电脑板功能测量综合性实验以外，依托任课教师科研项目，还设计了数据采集与滤波处理实验，实验知识点包括数字信号处理原理、滤波器原理、滤波器设计方法、信号采集、DA输出等;射频无线通信实验，实验知识点包括发送机及接收机设计、发送机及接收机测试、室内通信实验、通信编码设计等;模拟十字路通信号灯设计，实验知识点包括LED驱动及电路构建、交通信号灯控制策略、实验方案设计等。

综上所述，基于虚拟仪器的信号处理实验室实际上是教师发挥能力的一个平台，是学生提升能力的一个平台。通过实验室的建设，可以带动一批相关课程进行教学改革，利用教学内容设计和整合的机会，可以带动精品课程建设及相关教材出版。而通过实验提高学生学习兴趣，完善专业认识则是此实验室建设的核心价值。

参考文献：

[1]刘艳，于效宇.“高频电子线路”实验课程教学方法研究

[J].中国电力教育，2012，（23）.

[2]于效宇，刘艳，杨会志.基于频谱分析的高频电子实验教

学研究[J].中国电力教育，2013，（19）.

[3]全晓莉，周南权.基于虚拟仪器技术的数字电路实验系

统研究[J].实验技术与管理，2014，（4）.

[4]吕井勇，孙胜春，董兴泰.基于NI ELVIS的串联谐振电

路实验设计[J].实验室研究与探索，2014，（2）.

[5]陈学军，徐明铭.基于虚拟仪器的综合实验室平台探索

[J].实验室研究与探索，2014，（10）.