基于LabVIEW的通信专业远程虚拟实验室

 摘要： 结合虚拟仪器技术和网络技术的远程虚拟实验室，以其诱人的应用前景吸引了大批专家学者的注意力，均在大力开发研究。本文介绍了基于LabVIEW的通信专业远程虚拟实验室的设计与实现。基于LabVIEW开发平台和PCI6111采集卡，设计了通信原理虚拟实验系统，包括5个虚拟实验和3个虚拟仪器，并将整个系统网络化，形成远程虚拟实验室。

关键词： 远程虚拟实验室虚拟仪器虚拟技术Ｗｅｂ应用网络技术

    在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物。八十年代末，美国国家仪器公司（NI）提出了“软件就是仪器”的口号，将日益普及的计算机技术与仪器仪表技术完美结合起来，提出虚拟仪器（Virtual Instruments）的概念。LabVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的缩写。它是NI公司研制的图形化编程软件，是目前最为成功、应用最为广泛的虚拟仪

器软件开发环境。应用虚拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计仪器，方便灵活而且开发周期短。它不仅降低了仪器成本，更提高了工作效率。据统计，在全球500强企业中有85%的企业使用了虚拟仪器技术，足以证明其应用领域的广阔。同样地，虚拟仪器技术在教学上也有着非常好的应用前景。在最近几年里，快速可靠的计算机通信网络获得了惊人的发展，局域网或广域网上的计算机可以进行信息和命令交换，这样网络服务拓展了虚拟仪器的使用范围，给虚拟仪器技术注入了强大的活力，进一步增强了数字化仪器的优势，从而成功地进入了网络化虚拟仪器阶段。LabVIEW具有非常强大的网络功能，其内置Web Server，可以进行网页发布，使客户端仅用Web浏览器便可以进行实验；支持DataSocket远程数据采集技术，可以轻松实现远程的数据采集及数据交换；利用TCP、UDP技术可以实现另一种数据传输方式；同时VI Server作为远程程序的运行控制技术，其功能极其强大。通过将网络技术与虚拟仪器技术相结合，远程虚拟实验室为远程教育的实验课程提供了解决方案。国内部分重点大学在这方面已开始了初步的研究和应用。但是在通信专业教学上的应用还无先例。

    通信原理教学实验包括：数字基带信号、数字调制与解调、模拟信号的波形编码、循环纠错编码等，其主要目的是帮助学生理解通信系统的整体概念及基本理论，对于培养学生的通信系统观念、提高实际动手能力有极其重要的作用。在这些教学实验中，需要的仪器有：数字万用表、任意波形发生器、数字存储示波器、频谱分析仪、失真度仪、频率计（国产全套仪器约20万元人民币）。特别是频谱分析仪作为频域分析仪器在教学实验中有着非常重要的作用，但因频谱分析仪价格的昂贵，至今没有配备。与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。此外，传统的通信原理实验主要通过硬件电路实现各功能模块，由信号发生器产生信号，用示波器观察各点波形。由于实验条件的限制，往往得不到丰富实验结果，而且学生面对复杂的电路板难以从系统的观点去分析各点波形关系。设计出一套与传统实验相配合的虚拟实验软件，采用软件模拟的方法，通过灵活调节各个实验参数，灵活控制实验进程，便可很好的弥补传统通信原理实验的不足。因此，将虚拟仪器技术引入到教学实验中就成为行之有效的解决方案（实现这样的虚拟实验室的每套投资大约4万元人民币）。

    实现远程虚拟实验室有众多意义，但是目前最重要的也是最现实的意义就是应用于教育系统上。随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模扩大方针实施以来，学生规模急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。同时，利用虚拟仪器技术与计算机网络相结合还可以实现对仪器设备的远程、分布式控制，在教育、科研等领域中具有广阔的发展空间和应用前景，是实验教学的一个新的发展方向。

2通信专业远程虚拟实验室的设计与实现

2.1远程虚拟实验室构成

   利用LabVIEW内置Web服务器实现远程虚拟实验室。系统组成框图如图1所示：
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图1远程虚拟实验室系统组成

    其中Web服务器装有Win2000 Advanced Server操作系统，LabVIEW 6.1软件，同时此服务器还作登陆服务器用，装有SQL，也就是需要正确的用户名密码登陆服务器，才可以做虚拟实验。RDA（Remote Device Access远程设备访问）服务器装有NI公司的硬件板卡（PCI6111设备）， RDA技术是把此板卡共享给Web服务器以减小服务器负担。对于用户计算机需要有Web浏览器和LabVIEW的RuntimeEngine插件。

   远程虚拟实验室网络平台由5个部分组成，分别是预约系统，交流讨论系统，上传专区，下载专区，虚拟实验系统的无缝连接系统。其中虚拟实验系统的无缝连接系统是远程虚拟实验室的重要组成部分，分为虚拟实验和虚拟仪器两个部分，为学生提供远程实验链接。主页（图2）是虚

拟实验室的入口，任何人都可以访问主页。而进行虚拟实验及使用虚拟仪器则需要验证身份后才能登陆相关链接。图3所示为网络化虚拟信号发生器，当获得控制权时可以对仪器操作。
                                 

 

图2远程虚拟实验室主页

图3IE中的信号发生器

2.2虚拟实验部分

    作为虚拟实验系统的无缝连接系统中的重要组成部分，共包括数字基带信号、数字调制与解调、PCM编译码与时分复用、增量调制、循环纠错编码5个虚拟实验，涵盖了通信专业基础实验，并比传统硬件实验箱提供了更丰富的实验内容，提高了实验效率，改进了学生的学习方式。采用虚拟实验软件模拟的方法迅速、准确地实现通信原理教学的抽样量化、码型变换、基带传输、PCM编译码等实验。由于信号通过程序精确产生，各功能模块也由程序精确实现，有助于学生理解通信系统的整体概念及基本理论。与以往注重费时的采集数据的过程不同，在虚拟实验室中，师生可以集中精力分析实验结果，总结规律，得出结论。而不必花费大量精力在实验设备的搭建和各种设备的操作调试上，突出了训练的重点，增强了学生学习的积极性。

    以数字调制实验中的2DPSK相干解调（图4）为例，采用虚拟实验方式可在同一界面上显示出解调过程中所有关键点的波形，比以往示波器观察更具有完整性，有助于学生对解调原理的理解。又如在数字基带信号实验中的HDB3编码（图5），HDB3编码概念非常重要，以往实验中让学生观察四连零取代节常常会花费大量时间，利用虚拟实验可以将取代节明确标出，简单明了，并且与NRZ码和AMI码比对学习，利于知识点的掌握。

图42DPSK相干解调

图5HDB3编码

2.3虚拟仪器部分

    基于LabVIEW开发平台，使用NI公司PCI6111采集卡，设计了频谱仪、双路信号发生器和数字示波器3个虚拟仪器。在虚拟仪器设计中遵循涵盖实验中所需传统仪器功能的同时丰富仪器的分析、显示与结果记录功能的原则。例如以传统频谱仪和失真度仪为参考，设计虚拟频谱仪（图6）并综合失真度测量功能，这样弥补了无频谱仪和失真度仪的不足。同时频谱仪的Mark功能，可以快速读取峰值，方便测量。双路信号发生器可以同时输出两路模拟信号并可完成波形的运算。示波器可双路显示并具有硬件触发功能和存储或打印实验结果的功能。其波形快照功能（图7），可记录某一时刻的测量值与波形，并利用显示手段可以清楚地分析实验中的特定现象如相位翻转点等。
                                        

  

图6调幅波的频谱测量

图7示波器的波形快照功能

    用一台计算机（虚拟仪器）同时取代多台功能固定的传统台式仪器，真正体现了虚拟仪器技术“软件就是仪器”，同时虚拟仪器的测量、分析、存储与输出功能可随用户需求而改变。这样，完成众多内容的教学实验，只需要为每组配备一台计算机及数据采集卡，既节省了空间，同时也大大节约了仪器的维修保养费用，降低了实验成本。

    通过上述介绍，可以看到通信专业远程虚拟实验室的主要特点有以下几个方面：1)实验内容更丰富，更生动，更易于理解。2)实验设备投资可显著的降低。3)利用网络技术，实现教学手段的现代化。

3结束语

    事实证明将虚拟仪器技术引入到教学实验中是行之有效的解决方案。应用虚拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计实验与仪器，方便灵活而且开发周期短。它可以提高实验效率、降低实验成本、增强学生学习的积极性，取得较好的教学效果，其具有传统实验所无可比拟的优势。在通信原理实

验教学中，利用通信专业远程虚拟实验室完成相关实验、以虚拟仪器替代传统实现仪器、利用网络实现远程应用是完全可行的。基于LabVIEW的远程虚拟实验室无疑是实验室建设的新思路，也是实验教学的一个新的发展方向。