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摘要：本文通过将虚拟仪器技术引入到高职院校电子信息教学平台中，阐述了虚拟仪器的概念、在高职院校中应用的意义，并利用LabVIEW软件编程实现滤波器仿真调试功能，不但能满足电子信息类实验教学的需要，而且降低了实验室建设成本。
关键词：虚拟仪器，LabVIEW，虚拟滤波器，电子信息教学
Abstract: this paper through the virtual instrument technology is introduced into the higher vocational colleges in electronic information teaching platform, this paper expounds the concept of virtual instrument in higher vocational colleges, the significance of application, and using the programming filter LabVIEW software simulation commissioning function, can not only satisfy the electronic information needs of the experiment teaching, and reduce the cost of laboratory construction.
Key words: virtual instrument, LabVIEW, virtual filter, electronic information teaching
中图分类号：P335+.1 文献标识码：A 文章编号
0、引言
传统仪器下的高职院校实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要，难以实现功能扩展和资源共享。虚拟仪器是在计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用强大的图形化编程语言LabVIEW软件实现信号数据的运算、分析、处理，形成即有传统仪器的基本功能，又有特殊功能的新型仪器。本文将虚拟仪器技术引入到高职院校教学中，以低通滤波器为例构建一个电子信息专业试验平台，不但能满足电子信息类实验教学的需要，而且降低了实验室建设成本。
1、虚拟仪器概念
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，配合以相应的输入/输出接口，具有计算机显示器的虚拟面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。自美国国家仪器公司(National Instruments，NI) 在1986年提出虚拟仪器的概念之后，虚拟仪器技术便一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。
虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。目前，最著名的开发软件是LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台)，它是美国NI公司推出的一种基于G语言(Graphics Language,图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。它是一个开放式的虚拟仪器开发系统软件，它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。LabVIEW开发平台的核心是VI(Virtual Instrument)，即为在LabVIEW环境下开发的应用程序。它由一个人机交互的用户界面——前面板(Front Panel)和类似于源代码功能的框图程序——后面板(Diagram)组成。前面板是程序的界面，在这一界面上有控制量和显示量两类对象；后面板又称程序框图或流程图，是VI图形化的源程序。如果把前面板比作传统仪器的面板，上面的控制量是控制仪器的按钮和旋钮，显示量是显示结果的屏幕的话。那么，后面板就是仪器箱中的东西，可以用LabVIEW通过软件的方式来实现，达到“软件就是仪器”的效果[1]。
2、虚拟仪器在高职院校中的应用
随着高职院校的不断扩招，在校生数目与日俱增，同时全社会对毕业需求滞后，这些因素导致高校就业率的下降，就业率的压力使得高校对学生素质教育的要求不断提高。对于工科院校而言，提高理论水平的课堂教学和实践能力的实验教学是提高综合素质的两个主要方面。虚拟仪器技术可以应用在以下两个方面：
（1）在科研和实验教学中的应用
在高校中，科研和实验教学是利用设备最多的两个部分。实验教学在培养学生的实践能力方面充当了重要的角色，特别是对工科学生，其不但可以增强学生对知识的掌握，而且可以同时培养其主动能力和创新思维。随着学生人数的激增和科技的快速发展，实验设备的落后和数量的不足逐渐体现出来。多数普通高校的实验室没有足够的经费进行设备的更新和采购，于是就出现了众多学生围在1台老式设备旁看实验教师的讲授，而没有多少动手机会。于是保证每个学生都有机会完成实验操作是高职院校面临的首要课题。在科研中，也可以通过软件和部分硬件来完成相关的测试平台的搭建，不但能够节约科研资金，而且也减小了由于不同设备之间实验所带来的实验误差。
（2）在课堂教学中的应用
传统仪器在高校教学中的应用较为普遍，但随着科技的进步也体现了自身的不足。仪器的更新速度使得传统仪器的更新相对落后；同时仪器自身的不足和误差会对实验或演示结果造成偏差。随着多媒体教学的普及，虚拟仪器也由幕后走到台前，从单纯的实验教学走到课堂教学。其在教学中的优势具有以下几点：所需设备少；物理空间不受限制；虚拟仪器的演示效果逼真，相关维护简单；利用虚拟仪器进行讲解能使课堂教学内容更加生动，形式更加灵活，使学生更易于理解，更易于接受，并牢固掌握最基本的概念。
3、电子信息虚拟试验平台
本文以低通滤波器仿真试验为例，初步构建电子信息虚拟试验平台。
LabVIEW的强大在于它的仿真调试功能，可以在没有硬件的条件下模仿实际环境中的各种干扰信号。它的程序模板里面不但可以仿真正弦波、三角波、方波、锯齿波、直流，而且还提供了九种模拟现实环境的噪声类型[2]:均匀白噪声，高斯白噪声，周期性随机噪声，Gamma噪声，泊松噪声，二项噪声，Bernoulli噪声，MLS序列，逆F噪声。
以一般的工频正弦信号为例，现设定Express仿真信号中正弦信号频率为50Hz，采样率为1000，采样点数为100，幅值为311，相位为60，偏移量为0。而且添加了均匀白噪声，幅值為100，种子值为－1，用来模拟现实环境中的噪声。这些参数是通过双击仿真信号Express VI所弹出的界面进行设定的，
程序通过subFilter从混杂有有白噪声的信号中提取正弦信号，达到去噪的目的，subFilter的端口参数通过前面板上的输入控件设置。现选择滤波器的拓朴为椭圆滤波器，滤波器的类型为通带滤波器，低截止频率为45Hz，高截止频率为55Hz，滤波器的阶数为3。
运行程序后的前面板如图1所示。由图可以看出，滤波前的信号很明显混带有白噪声的信号，模拟了实际采集到的信号情况。通过LabVIEW数字滤波器滤波后获得了光滑的50Hz正弦信号。滤波后的波形很好的去除了噪声干扰，获得了很好的去噪效果。
图1程序前面板
4、结论
虚拟仪器技术在高校教学中已经得到了应用，正在逐步由单纯的科研设备向实验教学设备和课堂教学的方向发展。本文通过虚拟滤波器为例介绍了虚拟仪器在电子信息教学平台中的应用，在此基础上可以加入电路基础、电子技术基础、信号与系统、自动控制理论等电子信息类课程的实验教学例程，完善此电子信息教学平台。实践证明，虚拟仪器在教学中的应用对提高教育技术水平、改革教学模式、强化课堂效果和提高创新能力均有不同程度的提高，具有广阔的应用前景。
[1]王磊,陶梅.精通LabVIEW 8.0.北京：电子工业出版社,2007.1.
[2]零点工作室,刘刚,王立香,等.LabVIEW 8.20中文版编程及应用.北京:电子工业出版社,2008.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
何凤平，单位：福建信息职业技术学院，硕士研究生，研究方向：电子信息教学。
关键词：虚拟仪器，LabVIEW，虚拟滤波器，电子信息教学
Abstract: this paper through the virtual instrument technology is introduced into the higher vocational colleges in electronic information teaching platform, this paper expounds the concept of virtual instrument in higher vocational colleges, the significance of application, and using the programming filter LabVIEW software simulation commissioning function, can not only satisfy the electronic information needs of the experiment teaching, and reduce the cost of laboratory construction.
Key words: virtual instrument, LabVIEW, virtual filter, electronic information teaching
中图分类号：P335+.1 文献标识码：A 文章编号
0、引言
传统仪器下的高职院校实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要，难以实现功能扩展和资源共享。虚拟仪器是在计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用强大的图形化编程语言LabVIEW软件实现信号数据的运算、分析、处理，形成即有传统仪器的基本功能，又有特殊功能的新型仪器。本文将虚拟仪器技术引入到高职院校教学中，以低通滤波器为例构建一个电子信息专业试验平台，不但能满足电子信息类实验教学的需要，而且降低了实验室建设成本。
1、虚拟仪器概念
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，配合以相应的输入/输出接口，具有计算机显示器的虚拟面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。自美国国家仪器公司(National Instruments，NI) 在1986年提出虚拟仪器的概念之后，虚拟仪器技术便一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。
虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。目前，最著名的开发软件是LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台)，它是美国NI公司推出的一种基于G语言(Graphics Language,图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。它是一个开放式的虚拟仪器开发系统软件，它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。LabVIEW开发平台的核心是VI(Virtual Instrument)，即为在LabVIEW环境下开发的应用程序。它由一个人机交互的用户界面——前面板(Front Panel)和类似于源代码功能的框图程序——后面板(Diagram)组成。前面板是程序的界面，在这一界面上有控制量和显示量两类对象；后面板又称程序框图或流程图，是VI图形化的源程序。如果把前面板比作传统仪器的面板，上面的控制量是控制仪器的按钮和旋钮，显示量是显示结果的屏幕的话。那么，后面板就是仪器箱中的东西，可以用LabVIEW通过软件的方式来实现，达到“软件就是仪器”的效果[1]。
2、虚拟仪器在高职院校中的应用
随着高职院校的不断扩招，在校生数目与日俱增，同时全社会对毕业需求滞后，这些因素导致高校就业率的下降，就业率的压力使得高校对学生素质教育的要求不断提高。对于工科院校而言，提高理论水平的课堂教学和实践能力的实验教学是提高综合素质的两个主要方面。虚拟仪器技术可以应用在以下两个方面：
（1）在科研和实验教学中的应用
在高校中，科研和实验教学是利用设备最多的两个部分。实验教学在培养学生的实践能力方面充当了重要的角色，特别是对工科学生，其不但可以增强学生对知识的掌握，而且可以同时培养其主动能力和创新思维。随着学生人数的激增和科技的快速发展，实验设备的落后和数量的不足逐渐体现出来。多数普通高校的实验室没有足够的经费进行设备的更新和采购，于是就出现了众多学生围在1台老式设备旁看实验教师的讲授，而没有多少动手机会。于是保证每个学生都有机会完成实验操作是高职院校面临的首要课题。在科研中，也可以通过软件和部分硬件来完成相关的测试平台的搭建，不但能够节约科研资金，而且也减小了由于不同设备之间实验所带来的实验误差。
（2）在课堂教学中的应用
传统仪器在高校教学中的应用较为普遍，但随着科技的进步也体现了自身的不足。仪器的更新速度使得传统仪器的更新相对落后；同时仪器自身的不足和误差会对实验或演示结果造成偏差。随着多媒体教学的普及，虚拟仪器也由幕后走到台前，从单纯的实验教学走到课堂教学。其在教学中的优势具有以下几点：所需设备少；物理空间不受限制；虚拟仪器的演示效果逼真，相关维护简单；利用虚拟仪器进行讲解能使课堂教学内容更加生动，形式更加灵活，使学生更易于理解，更易于接受，并牢固掌握最基本的概念。
3、电子信息虚拟试验平台
本文以低通滤波器仿真试验为例，初步构建电子信息虚拟试验平台。
LabVIEW的强大在于它的仿真调试功能，可以在没有硬件的条件下模仿实际环境中的各种干扰信号。它的程序模板里面不但可以仿真正弦波、三角波、方波、锯齿波、直流，而且还提供了九种模拟现实环境的噪声类型[2]:均匀白噪声，高斯白噪声，周期性随机噪声，Gamma噪声，泊松噪声，二项噪声，Bernoulli噪声，MLS序列，逆F噪声。
以一般的工频正弦信号为例，现设定Express仿真信号中正弦信号频率为50Hz，采样率为1000，采样点数为100，幅值为311，相位为60，偏移量为0。而且添加了均匀白噪声，幅值為100，种子值为－1，用来模拟现实环境中的噪声。这些参数是通过双击仿真信号Express VI所弹出的界面进行设定的，
程序通过subFilter从混杂有有白噪声的信号中提取正弦信号，达到去噪的目的，subFilter的端口参数通过前面板上的输入控件设置。现选择滤波器的拓朴为椭圆滤波器，滤波器的类型为通带滤波器，低截止频率为45Hz，高截止频率为55Hz，滤波器的阶数为3。
运行程序后的前面板如图1所示。由图可以看出，滤波前的信号很明显混带有白噪声的信号，模拟了实际采集到的信号情况。通过LabVIEW数字滤波器滤波后获得了光滑的50Hz正弦信号。滤波后的波形很好的去除了噪声干扰，获得了很好的去噪效果。
图1程序前面板
4、结论
虚拟仪器技术在高校教学中已经得到了应用，正在逐步由单纯的科研设备向实验教学设备和课堂教学的方向发展。本文通过虚拟滤波器为例介绍了虚拟仪器在电子信息教学平台中的应用，在此基础上可以加入电路基础、电子技术基础、信号与系统、自动控制理论等电子信息类课程的实验教学例程，完善此电子信息教学平台。实践证明，虚拟仪器在教学中的应用对提高教育技术水平、改革教学模式、强化课堂效果和提高创新能力均有不同程度的提高，具有广阔的应用前景。
[1]王磊,陶梅.精通LabVIEW 8.0.北京：电子工业出版社,2007.1.
[2]零点工作室,刘刚,王立香,等.LabVIEW 8.20中文版编程及应用.北京:电子工业出版社,2008.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
何凤平，单位：福建信息职业技术学院，硕士研究生，研究方向：电子信息教学。