基于LabVlEW的信號(hào)分析與處理教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

【摘要】針對(duì)《信號(hào)分析與處理》課程的特點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)，將虛擬儀器LabVlEW引入到教學(xué)。利用LabVIEW平臺(tái)易于采集真實(shí)數(shù)據(jù)以及方便易學(xué)的圖形化編程等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的信號(hào)分析與處理教學(xué)平臺(tái)，改進(jìn)了教學(xué)思想和教學(xué)方法，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)探索，全面提高課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】信號(hào)分析與處理;虛擬儀器;教學(xué)改革;教學(xué)平臺(tái)

1.引言

《信號(hào)分析與處理》課程是一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。其內(nèi)容涵蓋連續(xù)時(shí)間信號(hào)的分析與處理、離散信號(hào)的分析與處理和濾波器的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。該課程的特點(diǎn)是：內(nèi)容繁多、理論抽象、數(shù)學(xué)公式計(jì)算復(fù)雜，且函數(shù)波形和曲線較多。因此僅通過單一的課堂教學(xué)方式，在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)很難收到良好的教學(xué)效果[1-3]。在《信號(hào)分析與處理》的傳統(tǒng)教學(xué)中，通常輔以MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，以加強(qiáng)學(xué)生的理解。但是這就需要學(xué)生要事先掌握MATLAB的編程方法。除此之外MATLAB軟件復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場工程信號(hào)比較困難，學(xué)生也不易理解信號(hào)、頻譜、系統(tǒng)、濾波等概念，不容易理解頻域分析的優(yōu)點(diǎn) [4，5]。本文給出了基于虛擬儀器的信號(hào)分析與處理教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)過程。利用LabVIEW方便易學(xué)的圖形化編程環(huán)境，使學(xué)生對(duì)《信號(hào)分析與處理》這門課程的內(nèi)容有更直觀的印象和把握。

2.虛擬儀器技術(shù)在信號(hào)分析與處理中的應(yīng)用

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)融合而產(chǎn)生的新興技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)通過接口技術(shù)采集現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)，應(yīng)用LabVIEW編寫軟件，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)外設(shè)的控制，輸入輸出操作通過虛擬儀器的前面板來完成。也就是說虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器的功能，只不過是將顯示界面使用計(jì)算機(jī)虛擬出來，在計(jì)算機(jī)顯示器上以多種形式輸出結(jié)果。虛擬儀器是靠模塊化的硬件和靈活高效的軟件來完成設(shè)計(jì)工作的，這種工作方式極大的提高的了工作和生產(chǎn)的效率，所以一經(jīng)推出就廣受好評(píng)[6-8]。

LabVIEW的編程語言是虛擬真實(shí)元器件的圖形化編程語言，更加直觀。其自帶的強(qiáng)大函數(shù)庫方便使用者隨時(shí)調(diào)用，大大降低了編程的難度和復(fù)雜度。因?yàn)楦嗳嗽敢膺x擇使用LabVIEW來完成編程工作。

針對(duì)“信號(hào)分析與處理課程”中含大量的信號(hào)和抽象的理論，利用虛擬儀器技術(shù)的上述優(yōu)勢，將其引入到《信號(hào)分析與處理》的教學(xué)中，提高教學(xué)效果，具有重要意義。

3.基于LabVlEW的教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

《信號(hào)分析與處理》是一門基礎(chǔ)理論和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，涉及的內(nèi)容和領(lǐng)域廣泛，要在48學(xué)時(shí)內(nèi)將該門課程講授好，就必須對(duì)授課內(nèi)容、順序、重點(diǎn)做一個(gè)總體的規(guī)劃，我們擬本著先信號(hào)分析再信號(hào)處理，先連續(xù)后離散，先信號(hào)后系統(tǒng)，先基本理論后工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用的順序，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。配合《信號(hào)分析與處理》教學(xué)內(nèi)容的需要，選擇和設(shè)計(jì)有利于學(xué)生理解的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)案例的模擬仿真，幫助學(xué)生更好的理解相關(guān)理論知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和學(xué)習(xí)興趣。

本文設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)主要包括信號(hào)的連續(xù)信號(hào)的分析與處理、離散信號(hào)的分析與處理和信號(hào)的濾波處理三個(gè)方面，完成對(duì)信號(hào)顯示、測量、波形存儲(chǔ)、時(shí)域分析、頻域分析以及信號(hào)的濾波處理功能，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 基于LabVIEW的信號(hào)分析與處理教學(xué)平臺(tái)組成

3.2 教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

本教學(xué)平臺(tái)以LabVIEW作為開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了上述教學(xué)內(nèi)容。LabVIEW環(huán)境包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)連接端口。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），為虛擬儀器的框圖程序提供數(shù)據(jù);輸出量被稱為顯示（Inidicators），顯示虛擬儀器流程圖中獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上。如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。

圖2 時(shí)移定理輔助教學(xué)模塊

本教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)是，學(xué)生可以在運(yùn)行界面輸入和修改相關(guān)參數(shù)，并在結(jié)果窗口看到相應(yīng)結(jié)果的動(dòng)態(tài)效果。學(xué)生可自主的設(shè)計(jì)方案，自主的選擇被測信號(hào)，自主的分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大大激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)參與的積極性。圖2和圖3分別是用LabVIEW實(shí)現(xiàn)的CFFT時(shí)移定理和FIR數(shù)字濾波器的輔助教學(xué)模塊。在該程序界面內(nèi)，學(xué)生可以在運(yùn)行界面輸入和修改信號(hào)波形、頻率、相位等相關(guān)參數(shù)，并在結(jié)果窗口看到相應(yīng)結(jié)果的動(dòng)態(tài)效果。學(xué)生在實(shí)踐過程中通過自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)信號(hào)的各種變換和處理，有利于掌握信號(hào)分析與處理方法的實(shí)質(zhì)，這樣也充分調(diào)動(dòng)教師和學(xué)生雙方的積極性，特別是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)的理解，從而全面提高課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

圖3 FIR數(shù)字濾波器輔助教學(xué)模塊

4.結(jié)論

采用虛擬儀器構(gòu)建的《信號(hào)分析與處理》教學(xué)平臺(tái)，用虛擬的信號(hào)發(fā)生器，虛擬的頻譜分析儀，虛擬的數(shù)字濾波器來模擬仿真信號(hào)采集、分析和處理過程，可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的成本投入。該教學(xué)平臺(tái)具有很好的交互性和可操作性，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上通過軟件對(duì)各種虛擬儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，就如同操作傳統(tǒng)儀器一樣有效，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場試驗(yàn)是一樣的。課堂教學(xué)中抽象的理論，在實(shí)踐環(huán)節(jié)變得形象直觀了，對(duì)課堂理論教學(xué)起到了很好的輔助作用。

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基金項(xiàng)目：防災(zāi)科技學(xué)院《信號(hào)分析與處理》重點(diǎn)建設(shè)課程資助;防災(zāi)科技學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目資助（JT201306）。

作者簡介：楊敬松（1975—），女，吉林人，博士，副教授，研究方向：信號(hào)分析與處理，多傳感器信息融合。