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摘要：针对现有的通信原理实验教学情况的缺点及实验平台的不足，重点研究虚拟仪器技术，设计了基于LabVIEW的虚拟仿真实验平台系统架构，具体分析了实验平台的硬件构成、软件构成及系统执行流程。并从纵横两方向结合构建了“虚实结合、多层次”的实验教学体系，改进实验课堂效率，实现培养综合性、创新性人才的教学目的。
关键词：虚拟仪器；LabVIEW；虚实结合；多层次
本文引用格式：王欣，等.基于LabVIEW的通信原理实验平台设计和教学体系研讨[J].教育现代化,2019,6(96):204-205.
一 引言
通信原理是电子类和通信类的核心课程之一，也是一门理论和实践结合性很强的专业课程。实验能帮助学生理解理论教学中的抽象概念，培养学生的创造性思维和实践能力，是本课程的重要教学部分。传统的通信原理实验教学长期以单一的实体实验为主，基于实验内容基本固定的模块化实验箱，开展验证性实验和综合性实验。而实体实验存在实验设备维护成本高、利用率不足、实验内容可扩展性差、教学效果一般等缺点，难以满足新时代教学探索与改革的需求[1]。
本文重点研究虚拟仪器技术，将虚实结合的教学方法引入通信原理课程，基于LabVIEW设计虚拟仿真实验平台，构建“虚实结合、多层次”的实验教学体系，培养学生的设计能力和创新思维，提升课程学习效果。
二 虚拟仪器技术
1986年，美国NI公司首先提出了虚拟仪器（Virtual Instruments，简称VI）的概念。所谓虚拟仪器，是指通过软件将通用计算机与有关仪器硬件结合起来、具有可视化界面的仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器的实质是以计算机为核心，虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用强大的软件去代替传统仪器的某些硬件功能。与传统仪器相比，虚拟仪器具有开发和维护成本低，技术更新周期短，价格便宜，可移植性强，智能化程度高等优点，使用灵活、开发、便捷，完美地将仪器技术与计算机技术结合在了一起[2]。
软件作为虚拟仪器的灵魂，在整个开发和使用过程中至关重要，因此虚拟仪器开发软件平台的研制也成为近年来世界各大自动测控与仪器公司的必争之地，如美国的HP公司、Tektronix公司、HEM Data公司都推出了虚拟仪器开发环境，但以NI公司的LabVIEW最具代表性[3]。LabVIEW支持图形化编程语言，能够开发出界面美观、功能强大的虚拟仪器，且图形化编程语言更符合人类思维习惯，所以成为人们进行虚拟仪器应用开发的首要选择。
三虚拟仿真实验平台的设计
基于LabVIEW的虚拟仿真实验平台系统架构图如图1所示，用户可通过网络随时随地访问虚拟仿真实验平台，服务器接收并执行用户请求，总的来说可分为硬件和软件两大部分。
（一）虚拟仿真实验平台的硬件构成
虚拟仿真实验平台的硬件主要由计算机和硬件接口装置构成。计算机是整个平台的主体，负责完成实时高效的数据处理。硬件接口装置用于数据的采集与传输，除了实验室的各种传感器、数据采集卡、信号调理器等硬件设备以外，还包括用来连接仪器与计算机的各种通用接口总线，如GPIB总线、USB总线、、VXI总线和PXI总线、LXI总线等[4]。虚拟仪器、实验室电子仪器设备或各种插件等通过接口总线连接组建起来，构成了整个虚拟仿真实验平台的基础。此外，为了实现用户随时随地访问虚拟仿真实验平台，本系统的组网采用C/S模式，客户机和服务器通过广域网或局域网连接，应用TCP/IP协议实现数据的传输。
（二）虚拟仿真实验平台的软件构成
虚拟仿真实验平台通过不同的软件实现不同的功能。其中服务器装有数据库管理软件、教学管理软件、LabVIEW软件等，其中数据库管理软件对与实验相关的数据进行管理，教学管理软件辅助实验教学过程，LabVIEW软件进行实验的设计与实现。
本实验平台基于LabVIEW软件搭建，它采用图形化的结构框图搭建程序代码，更加易学易用，便于学生及时地掌握和应用。利用LabVIEW设计实验，主要完成前面板和程序框图的设计。前面板，即人机界面（用户界面），提供众多与实体仪器类似的用于显示和输入的控件。程序框图包括前面板上控件的相互关系，其图形化源代码与流程图类似，设计前应先明确所需的各函数功能模块，再进行程序的编写。
应用LabVIEW实现通信原理虚拟仿真实验平台，突破了传统通信原理实验教学的局限性，提供了新的实施途径，可基于此实验平台开展信号调制、信道复用、信道噪声等不同类别的实验项目，有助于学生理解通信原理课程的知识，提升老师的教学质量。
（三）虚拟仿真实验平台的执行流程
具体执行流程如下：
（1）用户在客户端输入用户名、密码登录虚拟实验平台。
（2）用户进入主界面进行功能选择。本系统用户角色分为管理员、老师和学生三类，不同的用户角色具有不同的功能。管理员具有用户管理、课程管理等功能，能对用户账号、密码进行分配和管理，管理实验课程信息；老师除了注册、登录之外，还能通过网络发布资源，进行实验数据查看，批改实验报告，管理实验成绩；学生在登录虚拟仿真实验平台后可选择要做的实验，也可学习实验案例、下载学习资料、提交实验报告、查看实验成绩、进行问题讨论等。
（3）服务器一直处于监听状态，一旦接收客户端的请求即调用相应服务处理程序，同时将处理结果返回客户端。
四 实验教学体系的构建
根据通信原理的大纲，本课程教学实验主要包括数字基带信号、数字调制与解调、信号传输、信道干扰等，教学目标为帮助学生理解通信系统的基本概念及基本理论，熟悉通信系统的架构，培养学生的实际动手能力和创造性思维。基于虚拟仿真实验平台，通信原理的实验课程设计成为“虚实结合、多层次”的纵横结合的教学体系，师生不必在设备的搭建和操作调试上费时，可以侧重在实验结果的分析与总结中，达到了实验教学的要求。
在横向上，通信原理实验可分为软件仿真实验模块、硬件调试实验模块、虚拟实验模块三大部分。在教学过程中，第一步采用软件仿真实验模块进行理论分析研究；第二步基于硬件调试实验模块进行实际测量；第三步基于虚拟实验模块完成自主性和创新性实验。每个实验模块又包含若干子实验，三者虚实结合，相互比较和验证。
在纵向上，通信原理实验划分为验证性、综合性和设计性三个层次结构。验证性实验结合理论课程知识结构，通过软件仿真为主的实验项目加强对通信原理基础知识的理解。基于LabVIEW的虚拟仿真实验平台，让学生突破了实验学时的限制和实验地点的束缚，除了必做实验项目外，学生还可自主选择完成其他实验项目，为综合性和设计性实验的展开奠定基础。综合性实验项目采用虚实结合的方式，考查学生对知识的综合应用能力。具体来说，学生可在课外设计实验方案，利用软件仿真进行方案论证和改进，在课堂上再通过实验仪器对实验方案进行进一步的验证。虚实结合的实验方法大大提高了课堂效率，改善课堂氛围，锻炼了学生解决综合性问题的能力。设计性实验主要进行系统功能扩展或二次开发实验，培养学生的创新思维和实践能力[5]。
五 结语
虚拟仿真实验平台的建设是国家教育现代化的重要组成部分，也是近几年发展的大趋势。本项目基于LabVIEW搭建了虚拟仿真实验平台，设计了系统架构图，并对硬件和软件构成做了具体分析，解决了实验仪器数量少、难以开放、使用复杂等问题，提升了课堂效率。同时，设计了“虚实结合、多层次”的教学体系，通过横向纵向多维度的实验设计帮助学生消化理解通信原理的课堂知识，培养学生的动手能力和创造性思维，克服了理论与实践脱离的弊端。
参考文献
[1]纪艺娟,高凤强,郭一晶等.基于LabVIEW和USRP的通信原理虚实结合实验平台设计[J].实验技术与管理,2019,3(36):155-158.
[2]朱岩,余愚.虚拟仪器技术研究现状与展望[J].现代制造技术与装备,2008,6:12-14.
[3]袁媛,李绍稳,汪伟伟等.基于LabVIEW的虚拟仪器技术研究与应用[J].农业网络信息,2005,4:6-10.
[4]廖开俊,刘志飞.虚拟仪器技术综述[J].国外电子测量技术,2006,2(25):6-8.
[5]杨克虎.虚实结合的分层次通信原理实验教学体系探讨[J].实验技术与管理,2017,7(34):162-165.
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