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基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室
冯高1，吴云2，b卢尚琼3
1浙江农林科技大学现代教育技术中心，临安311300
2浙江传媒大学，杭州310018
3浙江农林科技大学图书馆，临安311300
a gaofeng@zafu.edu.cm，b zjcmxy@163.com，c lusq@zafu.edu.cn
关键词：LabVIEW，数字信号处理，虚拟实验室，时域分析，频域分析
摘要：基于National Instruments LabVIEW 2009，已经开发了一个用于数字信号处理（DSP）的网络版虚拟实验室。 它由三个功能模块组成，即虚拟实验表，信息管理和网络通信。其中虚拟实验表由两个子模块组成，即资源与文档和仿真实验; 信息管理模块由四个子模块组成，即数据库，用户注册，安全验证和系统管理; 网络通信模块由LabVIEW Web Server实现。 DSP虚拟实验室适用于数字信号处理，信号和系统等一系列课题的实验教学，设计的虚拟实验室可为用户提供远程虚拟实验平台，无需时间和空间限制。
介绍
数字信号处理（DSP）是电子信息工程专业和通信工程专业专业的重要专业基础课程。结合理论与实践，主要采用培养学生掌握信号处理系统分析与设计方法的能力。在课程教学过程中，实践教学环节非常重要，如课程实验，综合实践，课程设计等。通过这些方法，可以深化学生对基础理论的认识，提高执行能力，提高学习成绩以及培养他们使用电脑解决问题的能力。
高中重视相关实验室建设， 然而，由于缺乏资金，传统实验室存在许多常见问题，如下：
- 实验室规模相对较小，实验设备不足;
- 实验设备老化严重;
- 不支持远程实验，实验者受时间和空间限制。
这些问题严重影响了实践教学环节的质量。
虚拟实验室是信息技术快速发展的产物，经济，开放，相关和安全，可以有效克服传统实验室的固有缺陷。因此，许多学者对虚拟实验室进行了大量研究，取得了很多成果。 Cao开发了基于MATLAB Web Server的信号分析教学平台[1]。Shen提出了基于Matlab的数字信号处理综合实验设计方案[2]。Shen设计DSP系统基于Matlab和VC 复杂编程[3]。 Que开发了基于VC 和Matlab的数字信号处理实验系统[4]。 Kehtarnavaz向信号和系统实验室提出了一种交互式混合编程方法[5]。 Huang在LabVIEW实验教学系统中设计了数字信号处理[6]。陈开发基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室[7]。霍恩提出了基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验系统[8]。张设计了一个用于数字信号处理实验的网络虚拟实验室系统[9]。Wu开发了基于LabVIEW的远程数据采集和信号处理系统[10]。
本文以NI LabVIEW 2009为基础设计开发了一款网络版DSP虚拟实验室（DSPVL），目前已有研究。
DSP虚拟实验室设计
网络拓扑和基本功能。 DSP虚拟实验室（DSPVL）的网络拓扑结构如图1所示。 系统使用浏览器/服务器（B / S）通信模式。 在应用服务器上运行虚拟实验室，负责组织和管理资源和文件和试点项目，并提交，展示和保存实验结果。 数据库服务器上的操作信息管理子系统主要负责用户权限设置，用户注册，用户信息和行为记录，系统维护和管理。
图 1：DSP虚拟实验室拓扑
DSPVL具有以下基本功能：
1）远程访问和远程操作。 DSPVL支持实验者在本地进行仿真实验。 实验者还应访问DSPVL，通过互联网或内联网进行仿真实验。
2）用户身份认证。 访问DSPVL时，用户需要输入登录信息（“用户名 密码”）。 虚拟实验表将登录信息与信息管理子系统中存储的信息进行比较，如果用户将被允许访问虚拟实验室，否则用户将被拒绝。 这是DSPVL在安全性方面的基本要求。
3）虚拟实验室信息化组织管理。 DSPVL可以有效地组织和管理相关的资源文件。 通过信息管理子系统，DSPVL还可以有序地组织和管理所有试点项目，用户信息，实验结果和数据。
功能模块的结构与分析。 DSPVL的基本功能模块包括：虚拟实验表，信息管理模块（或信息管理子系统），网络通信模块（或网络通信子系统）等。
虚拟实验表设计。 虚拟实验表是DSPVL的核心，主要包括资源和文档子模块和仿真子模块。 资源和文件子模块负责相关虚拟实验室资源和文件的组织和管理，包括虚拟实验室的介绍，实验指导和测试报告。 模拟子模块负责组织管理试点项目。 DSPVL的试点项目列于表1，仿真子模块的人机界面如图1所示。 另外，仿真子模块需要实现显示，保存和提交仿真结果。
信息管理子系统设计。 信息管理子系统是DSPVL的链接。 它由数据库模块，注册模块，安全验证模块和系统管理模块组成。
数据库模块组织和管理实验者的相关信息。 数据库采用学生ID作为主要关键，因为DSPVL是为学生进行实际教学设计的，学生ID是学生身份的唯一性表征。 此外，还设置了用户名，登录密码，大学（部门），专业（专业），电子邮件和注册时间等数据表的多个字段。
表格1 DSP虚拟实验室试点项目清单
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班级 |
试点项目（内容或名称） |
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波形和信号生成 |
基本功能发生器，音调和噪声波形发生器，基本多音信号发生器，带幅度的基本多音信号发生器，多音信号发生器，均匀白噪声波形发生器，高斯白噪声波形发生器，周期随机噪声波形发生器，逆f噪声波形发生器， 伽马噪声波形发生器，泊松噪声波形发生器，二项式噪声波形发生器，伯努利噪声波形发生器，MLS序列波形发生器，公式波形发生器等。 |
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信号时域分析 |
直流分量和均方根（RMS）值的测量，周期平均值和RMS的测量，过渡测量（包括上升时间，下降时间，过冲等），周期信号的时域特性测量（包括周期，脉冲持续时间 ，占空比，振幅，高状态，低状态等），提取单音信息（包括频率，幅度，相位等），卷积（计算两个输入信号X和Y的卷积），去卷积（计算 两个输入信号X和Y的解卷积等）。 |
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信号频域 分析 |
FFT幅度谱和相位谱分析（包括FFT谱（幅度相位），FFT谱（实数）等），FFT功率谱分析，FFT功率谱密度分析，实时幅度谱和相位谱分析，实时谐波失真分析仪，幅度谱和相位 频率响应函数（包括频率响应函数（幅度相位）和频率响应函数（实数））的频谱分析，交叉频谱（幅度相位）分析，交叉谱（Real-Imaginary）分析等 |
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数字滤波器 设计 |
数字滤波器特性分析（包括巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器，反切比雪夫滤波器，贝塞尔滤波器，椭圆滤波器，等波纹低通滤波器，等波纹高通滤波器，等波纹带通滤波器，等波段 -SSP滤波器等），FIR滤波器设计，IIR滤波器设计，带通滤波器设计等 |
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信号转换 |
FFT和逆FFT，快Hilbert变换和反向Hilbert变换，Fast Hartley变换（FHT）和逆FHT，小波变换Daubechies4和小波变换Daubechies4反向，真实拉普拉斯变换，啁啾Z变换和反向啁啾Z变换，离散余弦变换 DCT）和逆DCT，离散正弦变换（DST）和逆DST，通过希尔伯特变换提取信号包络，通过小波变换检测回波等 |
图 2：虚拟实验台人机界面（模拟项目）
在DSPVL系统首次使用之前，实验人员首先需要完成注册。 注册界面如图3所示，用户注册模块负责注册申请注册的学生的基本信息，成功注册学生被分配虚拟实验室的初始登录密码。
图3：DSP虚拟实验室注册界面
安全验证模块（即系统登录模块）使用通用的“用户名 密码”验证模式。 用户名是学生ID，密码是系统设置的初始密码。 学生可以在第一次登录后更改密码。 验证后，学生可以进入虚拟实验室进行模拟实验。
系统管理模块有助于系统管理员管理数据库，包括学生的基本信息管理，实验结果和老师在线评分。 系统管理模块还提供系统管理员查询，添加和删除用户的基本信息。
网络通信模块设计。DSPVL的通信模式为B / S。 当笔记本电脑访问Internet或Intranet时，用户可以使用浏览器访问应用服务器的数据或VI（例如Internet Explorer）。 同时，用户可以远程控制VI（数据和事件回声）。 因此，用户可以在Internet或Intranet上进行仿真实验。 在本文中，这些功能由LabVIEW Web服务器实现。
软件结构和数据流程图。 DSPVL包括大量功能模块。 为了使软件具有良好的可重用性，灵活性和可扩展性，引入了层次结构（图4）。 当用户访问“第三层程序”功能模块时，界面将进入仿真实验，用户可以进行具体的仿真实验。
图4：DSP虚拟实验室的软件结构
在图 4，负责用户笔记本电脑与应用服务器之间通信的网络通信模块相对独立。 该模块的功能是通过LabVIEW Web服务器实现的。 其他模块以紧密耦合的关系运行。 虚拟实验室功能模块之间的数据流图如图5所示。
图5：虚拟实验室功能模块之间的数据流图
DSP虚拟实验室实施
开发DSPVL的关键技术如下：使用事件驱动机制来控制程序运行; LabVIEW内置“使用事件顶级应用”的使用模式，实现顶层程序和虚拟实验表; 使用“基于ADO数据库的访问技术”来实现LabVIEW和数据库之间的通信; 使用“LabVIEW Web Server Tools”实现网络通信模块; 使用“动态调用”来节省系统资源，提高软件性能。
顶层程序实现。如图4和图5所示，DSPVL软件包括多个功能模块，由实验人员根据具体内容和实验要求选择。对于特定的仿真，并非所有的功能模块都被同时使用。因此，DSPVL的顶层程序由LabVIEW内置的“使用事件顶级应用程序”实现。在顶层程序图中，VI使用与每个功能模块相关联的控件的事件结构。每个事件分支都是响应“价值变化”事件。程序由“事件驱动机制”运行，由“事件结构与循环”模式实现。通过点击“停止”按钮结束程序执行。每个实验只使用部分软件功能模块，无需将所有模块放入内存中，因此使用“动态调用”来节省系统资源，提高软件性能。为了保持统一的界面风格，子VI技术用于动态加载子VI。
功能模块实现。
虚拟实验表的实现。 虚拟实验表是DSPVL的核心模块。 它包括资源和文档子模块和模拟实验子模块。 两个模块的实现思路相似。 以仿真实验子模块为例，讨论虚拟实验表的实现。
模拟实验子模块负责模拟项目的组织和管理。 其人机界面如图2所示， DSPVL提供46个实验，分为五个类别，如表1所示。每个实验都与按钮控件相关联，因此需要46个按钮控件。 每个按钮控件的编号从1-46从右到左，从上到下的顺序。 类似于顶层程序的实现思想，仿真实验子模块由LabVIEW内置的“使用事件顶层应用”实现。
在仿真实验子模块图中，VI使用包含47个事件源的事件结构，对应于46个按钮控件和一个“停止”按钮，分别从1到47编号。 事件分支0-45响应按钮控件1-46的值变化事件，事件分支46响应于“停止”按钮的值改变事件。 事件驱动机制是通过“具有while循环的事件结构”模式实现的。 通过点击“停止”按钮来结束程序执行。
信息管理子系统的实施。 以下关键技术用于实现信息管理子系统：LabVIEW和数据库之间的数据库技术和通信接口技术。 DSPVL中使用的数据库是MySQL Server 5.0。 LabVIEW与数据库之间的通讯接口由基于ADO的数据库访问技术实现。 这要求服务器根据标准ODBC或OLE DB正确安装数据库驱动程序。 实施信息管理子系统的基本步骤有：
[步骤1]配置开发环境。 如果National Instruments LabVIEW 2009安装在服务器中，服务器仍然需要安装以下软件：MySQL Server 5.0，LabSQL工具包和安装MySQL的ODBC驱动程序。
[步骤2]使用LabVIEW内建的数据库Toolkit的相关功能建立与数据库的连接。 主要操作如下：创建ADO接口，打开数据源，执行SQL语句并关闭ADO接口等。程序源代码如图6所示。
图6：LabVIEW与数据库之间的通讯接口源代码
网络通信的实现。 网络通信模块由LabVIEW内置的Web Server实现。步骤如下：
[步骤1]打开Web服务器。
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