虛擬仿真在彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李欣 王帥群 徐志京

關(guān)鍵詞：彩色電視機(jī)原理；全電視信號(hào)；MATLAB；虛擬儀器；云桌面

0 引言

彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課是一門電子工藝與生產(chǎn)實(shí)習(xí)范圍內(nèi)的實(shí)踐課程，已經(jīng)開設(shè)多年。課程主要采用模擬彩色電視實(shí)驗(yàn)箱為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該課程的歷史悠久，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為繁雜。近年來，隨著數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展，模擬電視機(jī)已經(jīng)逐漸退出人們的生活和商業(yè)應(yīng)用?？墒牵瑥募夹g(shù)發(fā)展的角度、課程設(shè)置的傳統(tǒng)和連續(xù)性來看，其包含的基本原理和模擬技術(shù)，如發(fā)射接收、調(diào)制解調(diào)、編解碼等，在許多領(lǐng)域或相關(guān)課程仍有應(yīng)用，因此該課程還需要繼續(xù)進(jìn)行。學(xué)生在此課程可以接觸到大量的儀器設(shè)備，如掃頻儀、示波器、萬用表等，有助于本科學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)；學(xué)生通過對(duì)彩色電視信號(hào)波形的直觀觀測(cè)，能夠較好的理解電磁信號(hào)測(cè)量相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，直觀地了解信號(hào)的發(fā)射接收、調(diào)制解調(diào)和相關(guān)硬件，對(duì)于通信原理、信號(hào)與系統(tǒng)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)有一定的幫助[1-2]。

在該課程的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)占用了大量時(shí)間，主要是彩色實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)箱芯片耐用性較差，接插件在實(shí)驗(yàn)操作中易損。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)每年都是必需的。但是，隨著數(shù)字電視的普及和技術(shù)的進(jìn)步，該實(shí)驗(yàn)箱的維修越來越困難，維修成本逐漸提高。因此，我們考慮主要采用虛擬仿真的教學(xué)方式，將該課程繼續(xù)設(shè)置。

本文主要探討在彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)設(shè)備老化的情況下，利用虛擬仿真技術(shù)，通過改進(jìn)教學(xué)方法，設(shè)計(jì)多種教學(xué)模式，幫助學(xué)生更好地理解專業(yè)知識(shí)，提高綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1 彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課中存在的問題

彩色電視實(shí)驗(yàn)箱（型號(hào)ASTV-1） 如圖1所示，設(shè)備所服務(wù)的彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課程每學(xué)年72個(gè)學(xué)時(shí)，上課學(xué)生為兩個(gè)專業(yè)的四個(gè)班級(jí)約200人。由于時(shí)間年久、實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)制造等原因，近幾年來發(fā)現(xiàn)其老化嚴(yán)重，很多不能正常使用，師生反映問題較多。

每學(xué)期上課之前實(shí)驗(yàn)中心會(huì)請(qǐng)生產(chǎn)廠家進(jìn)行維修調(diào)試。今年廠家調(diào)試后，發(fā)現(xiàn)一些接插件難以修復(fù)，個(gè)別芯片已經(jīng)停供。在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)還有30臺(tái)實(shí)驗(yàn)箱可以正常使用，但是也多少存在一些問題。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，部分實(shí)驗(yàn)箱在開機(jī)約1個(gè)小時(shí)后即不能正常輸出電視信號(hào)，重啟也不行。多個(gè)實(shí)驗(yàn)箱在使用過程中出現(xiàn)芯片異常發(fā)熱，多位同學(xué)報(bào)告芯片燙手，并伴隨有異味。少數(shù)實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行，例如，測(cè)量伴音集成電路芯片TA7243P的引腳電壓無法進(jìn)行，強(qiáng)行測(cè)量容易造成短路；實(shí)驗(yàn)測(cè)量“聲表面濾波器輸出”僅有兩臺(tái)設(shè)備可以正常出現(xiàn)波形；實(shí)驗(yàn)“測(cè)量S曲線特性”也有多臺(tái)設(shè)備不能正常輸出目標(biāo)波形。此外，實(shí)驗(yàn)線纜損壞較多，彩色電視信號(hào)源（型號(hào)AS305E）今年也有一臺(tái)損壞，修復(fù)成本較高。

出現(xiàn)這些問題有多方面的原因：一是實(shí)驗(yàn)箱本身硬件設(shè)計(jì)的問題，電路板芯片都暴露在外面，學(xué)生操作時(shí)不慎就可能短路損壞；二是年代久遠(yuǎn)，目前生產(chǎn)此種模擬電視機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的廠家已經(jīng)寥寥，實(shí)驗(yàn)箱元器件損壞較難補(bǔ)充；三是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量操作任務(wù)繁重，大量學(xué)生頻繁操作儀器測(cè)量，不僅實(shí)驗(yàn)箱有損耗，各種測(cè)量?jī)x器和測(cè)量線纜的損壞率也較高。

為了解決這些問題，教師們?cè)谡{(diào)研后認(rèn)為，根據(jù)業(yè)界發(fā)展的情況，應(yīng)改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法，采用MATLAB仿真與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方式，解決原有的問題，甚至可以達(dá)到更好的教學(xué)效果。其主要思路是：在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加MATLAB 編程仿真和NI 公司的myRIO 虛擬儀器測(cè)量，基本實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)1～2位學(xué)生為一個(gè)小組進(jìn)行；基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)1～2個(gè)大型實(shí)驗(yàn)課題，學(xué)生選題進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，每組最多3～5位學(xué)生，虛擬儀器提供接口可以與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備對(duì)接；并可以為遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)授課提供軟硬件基礎(chǔ)。

2 基于MATLAB 的彩色全電視信號(hào)設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)對(duì)彩色全電視信號(hào)進(jìn)行編程仿真。MATLAB 軟件是美國(guó)MathWorks 公司出品的數(shù)學(xué)軟件，在國(guó)內(nèi)高校的教學(xué)和科研中的應(yīng)用最為廣泛[3]。它可以用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算等，是一種高級(jí)計(jì)算語言。同時(shí)它還包括交互式和可視化的環(huán)境。軟件主要由MATLAB和Simulink兩部分組成，基于OpenGL的圖形可視化是它的一個(gè)重要特色[4]。學(xué)生通過MATLAB程序設(shè)計(jì)，獲取直觀的圖形圖像輸出，不僅可以深入理解彩色電視機(jī)信號(hào)的構(gòu)成，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和編程能力。

仿真實(shí)驗(yàn)以常見的電視彩條信號(hào)為例。彩色全電視信號(hào)圖像如圖2所示，這是在電視機(jī)終端直接顯示的；MATLAB編程生成的全電視信號(hào)波形如圖3所示，以波形圖和頻譜圖的方式顯示。在圖3中，一個(gè)掃描行由行同步脈沖、消隱脈沖、色同步脈沖以及圖像信號(hào)波形構(gòu)成。MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在深入學(xué)習(xí)彩色電視機(jī)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程仿真，可以研究亮度信號(hào)與色差信號(hào)；色度信號(hào)形成：正交平衡調(diào)幅；色同步信號(hào)；彩色全電視（FBYS） 及波形等內(nèi)容?；贛ATLAB的SIMULINK功能還可以實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

3 基于虛擬儀器的彩色電視信號(hào)測(cè)量

虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通俗來說，就是將儀器“裝入”計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能[5-6]。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的管理來講，虛擬儀器是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的，大大降低了物理儀器設(shè)備參數(shù)的不確定性，也是是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)的重要基礎(chǔ)。

虛擬儀器技術(shù)具有較長(zhǎng)的歷史，它是在PC機(jī)出現(xiàn)以后發(fā)展起來的；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人們需求的拓展，虛擬儀器技術(shù)近十余年來發(fā)展較為迅速。在虛擬儀器領(lǐng)域，采用NI公司生產(chǎn)的軟硬件設(shè)備較多，不但實(shí)現(xiàn)了儀器級(jí)的虛擬仿真，而且逐漸可以用于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。NI公司對(duì)虛擬儀器和LabVIEW長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)至今已經(jīng)形成了較為完善的工業(yè)和教學(xué)產(chǎn)品體系。LabVIEW是一種用于虛擬儀器和圖形化編程的軟件環(huán)境，編程語言主要是G語言，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。圖形化編程是Lab?VIEW的主要特點(diǎn)：基于通用計(jì)算機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)軟硬件平臺(tái)，內(nèi)置許多簡(jiǎn)化編程復(fù)雜度的功能和函數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大且人機(jī)界面友好的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。人們通過在計(jì)算機(jī)上用LabVIEW搭建仿真原型，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，提高了可復(fù)現(xiàn)性，非常的方便和高效。LabVIEW與MATLAB的Simulink的可視化具有異曲同工之處，只是LabVIEW更側(cè)重模擬儀器設(shè)備的功能和界面效果。配合NI公司的通用硬件，可以實(shí)現(xiàn)更為底層的實(shí)驗(yàn)室功能，這比MATLAB在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面更進(jìn)一步。

在高校教學(xué)領(lǐng)域，如果使用LabVIEW進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到與硬件實(shí)驗(yàn)基本相同的效果。在硬件條件不具備或者遠(yuǎn)程教學(xué)的條件下，使學(xué)生不致失去實(shí)踐的機(jī)會(huì)。近年來，LabVIEW的功能不斷豐富，應(yīng)用范圍也在拓展。因此，利用LabVIEW虛擬儀器方法進(jìn)行高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為可能[7-8]。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室與北京普源精電公司（Rigol） 合作，采用基于網(wǎng)絡(luò)儀器設(shè)備和UltraLab軟件的實(shí)驗(yàn)管理解決方案，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。該軟件易于上手使用，引導(dǎo)性的安裝和啟動(dòng)界面可使學(xué)生更快地熟悉操作，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)眾多工程概念，完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目；在線獲取實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)和儀器使用情況數(shù)據(jù)；同時(shí)，確保實(shí)驗(yàn)過程的安全性，適合用于高校的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。

利用NI虛擬儀器軟硬件設(shè)備，結(jié)合教學(xué)大綱和教學(xué)的實(shí)際情況，進(jìn)行彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)，可以提供豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如圖4所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以使用實(shí)驗(yàn)室原有的測(cè)量?jī)x器，如掃頻儀、示波器、萬用表等，對(duì)虛擬儀器信號(hào)輸出接口進(jìn)行測(cè)量，觀察對(duì)應(yīng)的信號(hào)圖形。教師可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)靈活地使用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助于學(xué)生充分理解課程當(dāng)中的一些基本原理和概念，并以此為平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方面，可以構(gòu)建一個(gè)從物理信號(hào)到遠(yuǎn)程桌面訪問的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過Web應(yīng)用技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和發(fā)布，并可以與客戶端的虛擬儀器無縫銜接。如圖5所示，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生和教師采用NI虛擬儀器開發(fā)更為復(fù)雜的電子通信和信號(hào)處理方面的教學(xué)教具、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及實(shí)用設(shè)備等，與UltraLab實(shí)驗(yàn)管理方案相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)[9-10]。

4 教學(xué)管理的改進(jìn)

在具備了虛擬儀器和MATLAB相結(jié)合的彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件之后，我們可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)授課，解決特殊情況下的部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題。

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)授課已經(jīng)成為高校教學(xué)的重要組成部分。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有一些優(yōu)點(diǎn)。例如，打破了傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)空上的局限，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行；享有豐富的網(wǎng)絡(luò)多媒體互動(dòng)材料，易于拓寬大學(xué)生知識(shí)面；分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、共同探討問題、互相協(xié)作變得更加方便，等[11-12]。

但是，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說，網(wǎng)絡(luò)授課尚不能在物理上實(shí)現(xiàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作。對(duì)于彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課，我們?cè)噲D進(jìn)行一些初步的嘗試。首先，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了云桌面系統(tǒng)（Cloud Virtual Desktop，CVD） 。通過云桌面技術(shù)，將MATLAB軟件和虛擬儀器軟件安裝到云桌面模板虛擬機(jī)上。學(xué)生在遠(yuǎn)程通過瀏覽器或者專用的客戶端軟件，連接指定的云桌面服務(wù)器，獲取配置好的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。教師通過云桌面管理系統(tǒng)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程授課、遠(yuǎn)程桌面監(jiān)控、教學(xué)和考核等。通過虛擬儀器軟件和云桌面的授課，學(xué)生可以獲取與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室授課相同的信息；甚至一些實(shí)驗(yàn)室不具備的儀器，虛擬儀器軟件也可以提供；期望能夠達(dá)到該實(shí)驗(yàn)課程要求的教學(xué)效果。

在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)院前期已經(jīng)建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施，采用基于Xenserver硬件服務(wù)器資源的云桌面系統(tǒng)資源分配，針對(duì)不同桌面場(chǎng)景，可同時(shí)分配的40～80個(gè)虛擬桌面供學(xué)生客戶端使用。因此，在Xenserver模板虛擬機(jī)基礎(chǔ)上，分別基于Windows 10和Ubuntu 18.04配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)交換機(jī)直連的環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)無延遲虛擬桌面實(shí)驗(yàn)；在遠(yuǎn)程云桌面環(huán)境下，學(xué)生客戶端提前緩存數(shù)據(jù)后，也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的初步實(shí)踐，既可以應(yīng)對(duì)當(dāng)前疫情下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，也為以后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一種解決方案。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果期望

在實(shí)際教學(xué)過程中，先讓學(xué)生進(jìn)行MATLAB和虛擬儀器編程實(shí)驗(yàn)，了解要做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)操訓(xùn)練，可以提高實(shí)驗(yàn)效率，減少硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗，避免一些潛在的錯(cuò)誤。同時(shí)，學(xué)生通過軟硬件結(jié)合的方式，加深了對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，提高了應(yīng)用能力。

例如，圖6是彩色電視機(jī)的集成彩色解碼電路的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生用示波器檢測(cè)R-Y，B-Y，G-Y三路信號(hào)，并通過實(shí)驗(yàn)箱上的可調(diào)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使波形盡量接近理想狀態(tài)。但是，由于對(duì)于彩色電視機(jī)解碼原理的不熟悉，不少學(xué)生分不清楚這三路信號(hào)，因此耗費(fèi)大量時(shí)間，對(duì)示波器和實(shí)驗(yàn)箱都造成較大損耗甚至損壞。在課程進(jìn)行虛擬仿真改革之后，學(xué)生可以通過虛擬儀器軟件預(yù)先觀察到所需波形，然后再進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，既培養(yǎng)了編程技術(shù)，又提高了實(shí)驗(yàn)效果。

在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的條件下，教師通過云桌面向?qū)W生分發(fā)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并進(jìn)行遠(yuǎn)程授課和課堂管理，學(xué)生在各自的終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，基本可以達(dá)到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相同的效果。

6 結(jié)束語

本文提出的基于MATLAB編程仿真和虛擬儀器技術(shù)的彩色電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，可以彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)施的不足，提升教學(xué)效果的同時(shí)又幫助學(xué)生進(jìn)一步理解該課程中的理論問題。MATLAB軟件和NI虛擬儀器軟硬件設(shè)備均具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使其與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器結(jié)合應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更加有利于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。