电子信息专业实验仿真平台的设计与实现

2013-08-01刘辛，吴薇

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2013年1期

刘辛，吴薇

(武汉理工大学理学院，湖北武汉 430070)

电子信息科学的专业课程有两大特点，一是比较抽象，如信号与系统、数字信号处理、高频电子电路、通信原理、模拟和数字电子技术等课程，需要通过实验环节来帮助学生理解;实验环节在电子信息实验教学中占有非常重要的地位，是提高学生动手能力、培养创造能力和综合素质的一个有效手段。学生只有通过足够的验证型实验和一定数量的综合设计型实验才能加深理解并掌握所学的理论知识和应用技术，将理论与实践很好地结合起来。二是电子信息技术作为新的支柱产业，发展非常迅速，技术更新快，导致高校的课程特别是实验课程往往落后于技术的进步，无法满足实验教学的需要[1－2]。

目前国内高校电子信息科学专业实验大多采用各门课程的实验箱和传统仪器搭建起来的实验平台，而实验箱和传统仪器的功能固定且单一，通常只能做一些操作性和验证性实验，无法实现功能扩展和资源共享[3]。电子信息科学教学实验常用仪器在实验教学中暴露出功能弱、适用面窄、维护、使用、管理复杂及无实验模拟功能等弊端，导致实验过程费时多、元器件损耗大。滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律，将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对其创新意识的培养和综合能力的提高。这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高[4－5]。

笔者针对电子信息科学专业实验教学中的通用实验仪器仪表，应用LabVIEW强大的环境功能和友好的面板功能，通过建模和编程，对电子信息科学专业实验进行仿真模拟，并构建电子信息科学专业实验仿真平台，实现了实验项目的选取和实验参数的灵活设置，为电子信息科学专业实验教学提供了一个新的途径。

1 仿真平台设计

通过图形用户界面，实现实验项目的选取和实验参数的灵活设置，构建仿真实验平台。电子信息科学专业实验仿真平台的基本构成如图1所示。

图1 电子信息专业实验仿真平台总体设计

其中，信号产生实验可对生成的波形进行频率、幅度、相位等参数的设置和调节;信号的时域分析包括实时显示波形，测量电压、频率、周期等多种参数;频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT变换等;信号滤波处理主要对模拟或数字信号进行滤波分析和处理。

2 实验仿真平台功能实现

电子信息科学专业仿真平台主面板界面如图2所示。由上方选项卡分别选择信号产生模块、信号分析模块和信号处理模块，完成需求分析中的3大实验模块。学生可在3个模块中任意选择需要进行的实验。

2.1 信号产生模块

信号产生模块主要产生4种信号，分别为正弦波、三角波、锯齿波和方波，在原始信号参数设置框中可以对其各种参数进行相应的设置。信号产生模块界面如图3所示。左上信号类型选择处可通过下拉框选择要产生的信号类型，并通过下面的几个参数调节改变其参数。重置信号部分可让连续运行的信号暂停下来便于观察和记录。图3中演示的为正弦波发生器。

图2 电子信息专业实验仿真平台主面板界面图

图3 信号产生模块界面图

2.2 信号分析模块

信号分析模块主要对信号进行时域分析和频域分析[6－7]。系统时域分析需要对信号的电压、周期、频率进行测量，频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT变换。待分析的信号类型及相应参数可自行选择。图4为信号分析模块的主面板界面图。该界面左方为信号的时域分析，对信号产生模块对应输入的信号进行时域分析，其参数结果可与信号产生模块对应参数设置做比对。右方区域为信号频域分析，第一个窗口显示信号的FFT频谱，第二个窗口可通过下拉框选择显示信号的幅值谱、相位谱和功率谱。图4为以正弦波信号作为原始信号的信号分析结果。

图4 信号分析模块主面板界面图

2.3 信号处理模块

信号处理模块包括信号自相关处理、信号滤波处理和信号微积分实验功能[8－9]。信号处理模块主面板如图5所示。信号滤波处理部分包括巴特沃斯滤波、切比雪夫滤波、IIR滤波和FIR滤波，且巴特沃斯滤波和切比雪夫滤波的截止频率和滤波器阶数的参数还可通过左边的拉条进行调节。右边显示窗口可选择显示信号的自相关处理、积分和微分的处理结果。图5为以锯齿波作为原始信号的FIR滤波及自相关处理结果。