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1、高等理科教育2009年第3期(总第85期)3数字信号处理课程与虚拟仪器12王海云周淑萍(11新疆大学电气工程学院,新疆乌鲁木齐830046;21石河子大学网络中心,新疆石河子832000)摘要文章分析了数字信号处理课程的特点,介绍了虚拟仪器技术及其用于数字信号处理教学的优势,通过虚拟仪器技术应用于数字处理教学的实例,展示了在教学和实践环节使用虚拟仪器技术的好处,为现代教育提供了新的教学方法和教学思路。关键词数字信号处理虚拟仪器教学环节中图分类号G64210文献标识码A数字信号处理课程是目前越来越多的理工科研究生和本科学生的必修课程之一,但该课程对大学本
2、科生的要求与对研究生的要求有所不同,学生的学习能力不一样,教学目标和教学方法也大不相同。数字信号处理课程的开设前提是学生已具备高等微积分的背景,并在复数、复变函数和随机信号基础方面有较好的掌握,完成了信号与系统课程,有了付利叶变换、拉普拉斯变换的[1]基础,对时域、频域之间的对应关系有一定的了解基础。对于本科学生,各方面的知识体系++尚不健全,相关的工具,比如Matlab、VisualC,也只是一知半解,在学习新知识的同时如果把大量的精力用于辅助工具的学习,反而会事倍功半,因此教学的侧重点在基础知识的掌握和理解。大多数电气和机械工程系大学本科的课程安排
3、中都会有包括拉普拉斯变换和付利叶变换在内[2]的对连续时间信号的线性系统理论内容。而针对研究生,学生的理解能力和动手能力都较强,教学方法就灵活许多,可以采用多种教学手段结合的方式,设计数字信号处理课程的课堂演示程序,加深学生对数字信号处理课程中一些抽象概念的理解,激发学生的学习热情,提高数字信号处理课程的教学质量。如何开拓一个全新的教学平台,使学生能够利用最先进的技术去积极主动的学习,培养学生的创造性思维,提高高等教育的教学质量,是我们主要解决的问题。随着数字化和信息化的迅速发展,数字信号处理的地位和作用越来越突出,新的算法层出不[3,4]穷,有关的器
4、件更是新品迭出,令人目不暇接。计算机和多媒体技术的广泛应用,使得计算机仿真教学成为培养学生工程实践能力的重要内容。虚拟仪器技术引入数字信号处理的理论和实践教学,可以变被动学习为主动探索,丰富老师的教学手段,提高设计效率,激发学生的学习兴趣,培养学生应用新知识的能力。一、虚拟仪器技术及特点(一)虚拟仪器技术虚拟仪器,就是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可3收稿日期2008-03-11作者简介王海云(1973-)女,山东平度人,副教授,主要从
5、事电子学与信息系统研究1—112—©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net高等理科教育数字信号处理课程与虚拟仪器[5]能地用软件代替硬件,即“软件就是仪器”。从构成要素讲,虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。计算机与仪器硬件又称为虚拟仪器(VisualInstrument,简称VI)的通用仪器硬件平台。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件,完成各种测试、测量和自动控制。灵活
6、高效的软件系统可以方便地创建友好、直观的用户界面,模块化的[6]硬件能方便地提供全方位的系统集成,标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。NI公司开发的虚拟仪器软件平台LabVIEW,可以提供图形化的编程语言和开发环境,广泛[7]地应用于工业界、学术界和研究实验室,被公认是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW内置的信号处理包、TCP/IP以及ActiveX控件等库函数,可以方便地组建自己的虚拟仪器。“软件就是仪器”是虚拟仪器技术的主要特点,因此,可以利用LabVIEW图形化软件实现FFT变换、防频谱泄漏和抗混叠等一系列数字信号处理的功能。
7、虚拟仪器具备传统电子仪器的数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。如图1所示,以透明的方式将计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合,实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件(RS-232/485、DAQ等)和可以重复使用的源码库函数等软件结合,实现模块间的通信、定时与触发,源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供基本的软件模块。在进行信号仿真时,也可以选用信号发生器,产生各种基本信号。图1虚拟仪器功能模块显示(二)虚拟仪器技术的特点虚拟仪器技术具有以下特点:(1)VI通过硬件接口和仪器驱动实现了与测控设备的硬件通信,将信号的采集、分析与处理等结合成
8、一体。虚拟仪器体现了“软件就是仪器”的现代仪表发展观念。(2)虚拟仪器具有图形化用户界面,体现
