基于MATLAB的虛擬實驗室建設(shè)

【摘 要】本文通過創(chuàng)設(shè)虛擬的實驗環(huán)境，建設(shè)了信號處理虛擬實驗室，結(jié)合教學(xué)實踐，提出科學(xué)合理的虛擬實驗室構(gòu)建方案。首先介紹了虛擬實驗室的特點及功能，其次給出了利用MATLAB軟件創(chuàng)設(shè)虛擬實驗環(huán)境，構(gòu)建信號處理虛擬實驗室的方法，最后說明了虛擬實驗室對實驗室課程建設(shè)的重要性，達(dá)到了良好的實驗效果，值得進一步的研究。

【關(guān)鍵詞】MATLAB 信號處理 虛擬實驗室

虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI將C語言平臺數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測控專業(yè)工具有機結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的的功能面板和庫函數(shù)，為熟悉C語言的開發(fā)人員開發(fā)檢測、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。MATLAB是一種面向科學(xué)和工程的高度集成化的高級語言。使用MATLAB編程運算與人進行科學(xué)計算的表達(dá)方式和思路完全一致，也能使學(xué)員把重點放在對概念和方法的理解上，而不是算法的編程上，從而大大提高實驗效率。

我們采用LabWindows/CVI和MATLAB語言混合編程，通過創(chuàng)設(shè)虛擬的實驗環(huán)境，建設(shè)了信號處理虛擬實驗室。

1 軟件設(shè)計思路

1.1信號處理虛擬實驗室特點

與傳統(tǒng)硬件信號處理實驗比較，虛擬實驗具有以下優(yōu)點：虛擬環(huán)境下的實驗具有較強的引導(dǎo)性；實驗成本低且實驗器材的選擇余地大，易于實現(xiàn)較為復(fù)雜的實驗過程。實驗所需的時間較少，實驗效率高，不必?fù)?dān)心損壞實驗設(shè)備，能輕松的進行邊緣情況的實驗；便于記錄和分析實驗過程和實驗結(jié)果。在實現(xiàn)過程中，該軟件調(diào)用MATLAB的各信號處理函數(shù)、MATLAB自帶的專門完成信號處理任務(wù)的SPTooL、FDATooL工具箱，同時利用MATLAB和CVI語言的混合編程實現(xiàn)整個虛擬實驗室的所有功能。

1.2軟件結(jié)構(gòu)及模塊功能

軟件的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。各模塊所要實現(xiàn)的功能如下：

實驗內(nèi)容。識別學(xué)員所需要的實驗，不僅包括通用教材上的，也包括和日常生活聯(lián)系較為密切的實驗。

實驗?zāi)康暮鸵蟆W(xué)員選擇實驗?zāi)康暮鸵蟮囊?guī)定，要盡可能降低操作者實驗的盲目性。

實驗方法和注意事項。該模塊主要實現(xiàn)對所選實驗的方法的列舉和論述；并在其中選擇最適合學(xué)員的一種作為最后的方法。同時，在敘述過程中，會認(rèn)真的提醒操作者所需要注意的事項。

實驗過程指導(dǎo)。該模塊是整個軟件的核心和關(guān)鍵，它不僅要完成實驗過程指導(dǎo)，而且要對實驗出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進行描述和分析，在此模塊中，還包括參數(shù)處理、信號分析、信號抽樣仿真、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)特性仿真五大模塊。各個模塊的主要功能如下：

參數(shù)處理。完成學(xué)員對自己要做實驗參數(shù)的自行設(shè)定，即使學(xué)員不設(shè)定，每一個參數(shù)都能有默認(rèn)的參數(shù)。

信號分析。由于數(shù)字信號處理的實驗主要是完成對輸入信號的濾波等操作，所以對學(xué)員所輸入信號特性的分析是不可少的，如信號的頻譜、功率譜等。

信號抽樣仿真。數(shù)字信號的處理方式要求將連續(xù)信號進行離散化。

圖1信號處理虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)

濾波器設(shè)計及系統(tǒng)分析。包括模擬濾波器設(shè)計和數(shù)字濾波器設(shè)計兩個部分。對于某個實驗系統(tǒng)的分析也是不可少的，這是一般科學(xué)實驗過程不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)，如系統(tǒng)的線性、穩(wěn)定性以及圖形的繪制。

系統(tǒng)特性仿真。主要是在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上進一步完成各種特性的可視化。

實驗結(jié)果分析。主要是在圖形上對輸入輸出信號進行對比，明確該系統(tǒng)的功能。

實驗報告輸出。該模塊是整個軟件的智能核心，它是模擬正常實驗后的實驗報告，將整個實驗過程作記錄，并完成最后的匯總輸出。

2 構(gòu)建實驗環(huán)境

在整個軟件的設(shè)計過程中，由CVI設(shè)計出友好的界面，創(chuàng)設(shè)出虛擬實驗環(huán)境，具有引導(dǎo)和交互功能，并能根據(jù)要求調(diào)用MATLAB。用戶可以很方便地在適當(dāng)?shù)拇翱谶x取和修改數(shù)據(jù)，從而驗證系統(tǒng)參數(shù)的選取對整個系統(tǒng)的影響，進一步加深對信號處理原理的理解和各知識點的對比。除了要完成使用的各個部分的功能外，還可以調(diào)用SPTooL和FDATooL兩個工具箱作為對某一特定的信號和濾波器分析和設(shè)計，更好的發(fā)揮作用。

SPTooL是MATLAB的信號處理工具箱中一個具有交互式圖形用戶界面的信號處理工具，專門用于完成常用的數(shù)字信號處理任務(wù)。這個工具包含了工具箱中許多重要函數(shù)功能，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、濾波器與功率譜的分析、處理和操作。它由信號瀏覽器、濾波器設(shè)計程序、濾波器查看程序和功率譜查看程序四個模塊組成。FDATooL是MATLAB的另一個專門用于濾波器的設(shè)計和分析的工具，它專屬于MATLAB的FDATooL中，它可以較好的實現(xiàn)濾波器的設(shè)計及對濾波器的幅頻、相頻、零極點分析及其階躍響應(yīng)等。

3 系統(tǒng)使用效果

理解原理更加形象準(zhǔn)確。由于信號處理算法中采用了大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)員對算法的理解大多局限在數(shù)學(xué)層面上，比較抽象。而實驗的結(jié)果是，處理前后的信號或系統(tǒng)都是以圖形的形狀出現(xiàn)的，這就加深了學(xué)員對信號處理算法和原理的理解。

利于調(diào)動學(xué)習(xí)積極性?，F(xiàn)在實驗室課的內(nèi)容大多是驗證和理解課堂教學(xué)內(nèi)容，但是，如此單一層次的實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)對能接觸到大量現(xiàn)代化信息和媒體的學(xué)員來說已經(jīng)不能滿足其學(xué)習(xí)的需要，然而虛擬實驗正好可以彌補到實驗室做實驗的不足，可以較好的調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性。

使用方便、價格低廉。學(xué)員拷貝該虛擬實驗系統(tǒng)后，就不需要和教員預(yù)約實驗室，不受時間和地點的限制，很方便地在自己的計算機上做實驗。另外，硬件實驗需要儀器表價格比較昂貴，計算機虛擬實驗則具有投資小，且達(dá)到相同甚至更好實驗效果的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

建設(shè)信號處理虛擬實驗室的關(guān)鍵在于它突破了原先的只用計算機完成實驗的一部分，而不能處理實驗的整個過程的不足，可全程跟蹤實驗，并對其中的每一個步驟進行引導(dǎo)和提醒，直至將實驗報告完整生成。此外，虛擬實驗室為學(xué)員提供了大量的實例，為學(xué)員留下動手實踐的空間，同時學(xué)員也可以從中學(xué)習(xí)到數(shù)字信號處理的一些基本原理。

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作者簡介：霍連利（1958-），男，實驗教學(xué)副教授，主要研究方向：實驗教學(xué)與技術(shù)。