CN109994028A - 一种虚拟硬件实验室教学设备 - Google Patents

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傅海鹏
张新
马凯学
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Abstract

本发明公开一种虚拟硬件实验室教学设备，包括：信号处理单元，用于内部运行有相应的实验软件模块，根据外部指令运行的相应的实验软件模块进行相应的实验，发送对应的实验信号波形；操作控制终端，与所述信号处理单元通信连接，安装有用户控制界面程序，用于选择不同实验，在实验前将相应实验软件程序下载到所述信号处理单元中，以及实验时向信号处理单元输出实验指令，使信号处理单元运行，接收信号处理单元传送来的实验信号波形处理并显示在显示界面上。本发明使用户可选择不同实验项目，实验时能够在平操作控制终端显示实验信号波形。

Description

一种虚拟硬件实验室教学设备
技术领域
本发明涉及智能型电子信息科学教学仪器技术领域，特别是涉及一种虚拟硬件实验室教学设备。
背景技术
当前在高校进行的信息技术课程，如通信原理、数字信号处理课程实验，大多采用厂家生产的实验箱。不同的实验项目需要更换不同的电路板和实验箱，硬件成本高且维护任务大。若使用系统仿真软件则直观性好，但不是一个真实的实验环境。由于数字技术的进步，传统的由元器件构成的电子通信设备逐渐被嵌入式可编程的数字信号处理器系统取代。各种通信方式可由信号处理算法在嵌入式数字信号处理器上实现。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种用于通信原理和数字信号处理的虚拟硬件实验室教学设备，是一种基于嵌入式可编程数字信号处理器的课程实验设备。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种虚拟硬件实验室教学设备，包括：
信号处理单元，用于内部通过运行相应的实验软件模块，根据外部指令运行的相应的实验软件模块进行相应的实验，发送对应的实验信号波形；
操作控制终端，与所述信号处理单元通信连接，安装有用户控制界面程序，用于选择不同实验，在实验前将相应实验软件程序下载到所述信号处理单元中，以及实验时向信号处理单元输出实验指令，使信号处理单元运行，接收信号处理单元传送来的实验信号波形处理并显示在显示界面上。
所述信号处理单元包括Microchip Explorer 16数字信号处理开发板以及一个音频输入输出子板，所述的Microchip Explorer 16数字信号处理开发板上的数字信号处理器运行用C语言写成的实验软件模块的实验程序。
所述信号处理单元中运行的实验软件模块是取样定理实验模块、频移键控FSK传输实验模块、双音多频DTMF发生和识别实验模块、时域频域分析实验模块、FIR数字滤波器实验模块、IIR数字滤波器实验模块的一种。
所述操作控制终端为具有显示终端的计算机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过使用数字信号处理器开发平台，取代传统的硬件实验箱，将不同的电子通信原理实验用不同的软件模块在数字信号处理器开发平台上完成，与数字信号处理器平台相连的平板电脑运行用户控制界面软件。用户可选择不同的实验项目，进行实验时，将软件模块下载到数字信号处理器平台，数字信号处理器开发平台运行时，就能够在平板电脑上显示一个真实的实验环境，提供实验结果和信号波形。
附图说明
图1是本发明的虚拟硬件实验室教学设备的结构图；
图2是本发明中取样定理实验的硬件图；
图3是本发明中ITU-TG711语音压缩实验的硬件图；
图4是本发明中频移键控FSK实验的硬件图；
图5是本发明中双音多频DTMF识别器使用的格策尔算法流程图；
图6是本发明中双音多频DTMF实验的硬件图；
图7是取样定理实验软件模块的流程图；
图8是ITU-TG711实验软件模块的流程图；
图9是频移键控FSK调制解调器实验软件流程图；
图10是双音多频DTMF发生识别实验软件流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明虚拟硬件实验室教学设备，包括：
信号处理单元，用于内部运行有相应的实验软件模块，根据外部指令运行的相应的实验软件模块进行相应的实验，发送对应的实验信号波形；
操作控制终端，与所述信号处理单元通信连接，安装有用户控制界面程序，用于选择不同实验，在实验前将相应实验软件程序下载到所述信号处理单元中，以及实验时向信号处理单元输出实验指令，使信号处理单元运行，接收信号处理单元传送来的实验信号波形处理并显示在显示界面上。
其中，所述信号处理单元包括Microchip Explorer 16数字信号处理开发板以及一个音频输入输出子板，所述的Microchip Explorer 16数字信号处理开发板上的数字信号处理器运行用C语言写成的实验软件模块的实验程序。
其中，所述信号处理单元中运行的实验软件模块是取样定理实验模块、频移键控FSK传输实验模块、双音多频DTMF发生和识别实验模块、时域频域分析实验模块、FIR数字滤波器实验模块、IIR数字滤波器实验模块的一种。
其中，所述操作控制终端为具有显示终端的计算机。
下面对各个教学实验模块进行说明如下：
1.取样定理实验模块
在通信原理课程中，取样定理是指如果一个模拟信号所包含的最高频率为B Hz，这个信号可以由数字系统取样间隔为T＝1/2B的数字系列重建。它能重建的最大模拟信号频率是：F＝2B
取样定理实验软件模块，可选择使用四个不同的取样频率：8000样/秒、4000样/秒、2000样/秒和1000样/秒。
当该取样定理实验软件模块在信号处理单元中运行时，输入模拟信号在模拟信号数字转换器中经不同的取样频率取样，形成数字信号再由数字模拟转换器输出，该实验模块的硬件实验框图如图2所示
2.国际电联ITU-TG711语音压缩实验模块
G.711是国际电联语音压缩标准之一，它的正式名称是音频脉冲编码调制PulseCode Modulation(PCM)of Voice Frequencies。
本实验模块在运行时将对输入信号用8000样/秒的取样速率取样，形成线性数据，再使用G.711μ-律或A-律编码器算法将其转换为8位数据传输。该实验模块的硬件框图如图3所示。
3.频移键控(FSK)传输实验模块
频移键控(FSK)是使用数字信号来控制不同的载波频率来传送数据。V21调制解调器是一种在电话线上工作的全双工异步调制解调器，传输速率是每秒300比特。该软件模块将V21调制器和解调器运行于信号处理单元中，以980Hz/1180Hz和1650Hz/1850Hz进行传输。该实验模块的硬件框图如图4所示：
4.双音多频(DTMF)发生和识别实验模块
双音多频(DTMF)信令被用于电话机、手机和其它通信设备的信号控制系统中。根据Q.23标准，电话机上的按键将发生16个频率中的两个频率组合音。该软件模块包括DTMF发生器和DTMF识别器，DTMF发生器和识别器都由软件写成并运行在信号处理单元内。DTMF信号发生器是将两个不同频率的正弦波相加而成。DTMF识别器采用格策尔算法(Goertzel’s Algorithm)，该算法流程如图5所示。该软件模块的硬件框图如图6所示。
当接收到一个按键数字后，DTMF发生器产生DTMF信号，该信号被送到DTMF识别器，由识别器解码生成原始数字。
5.时域频域分析实验模块
该模块软件包括信号发生器和频谱分析仪。信号发生器可产生正弦波、方波、三角波、噪音信号，并将数字信号送至用户界面软件进行波形显示分析。
6.FIR数字滤波器实验模块
该模块软件将输入信号通过一个FIR数字滤波器，滤波器输出被送往一个数字/模拟转换器输出并将信号波形显示在显示屏上。
7.IIR数字滤波器实验模块
该软件模块安装了一个IIR数字滤波器，可用以下公式表示
其中，x(n):输入序列，y(n):输出序列，ai、bi：滤波器系数。
系统函数：
该软件模块将输入信号通过一个IIR数字滤波器，IIR滤波器输出被送往一个数字/模拟转换器输出并将信号波形显示在显示屏上。
以下以FSK实验为例说明，在FSK实验设计中，硬件模块包括音频子板上语音信号输入与FSK调制解调信号的输出，输入信号经音频子板线路输入，在DSP开发主板上经ADC、FSK调制、FSK解调等过程处理后，实验结果将在PC机用户界面具体显示。同时，音频子板线路输出端外接扬声器可从听觉上直观感受FSK实验音频信号的变化。在FSK调制解调器实验软件模块中，在FSK实验时，首先初始化ADC、OCPWM模块，初始化后，启动ADC、OCPWM，通过判断帧缓存器是否已满，检测是否收到字符，运行FSK调制\解调器，将数据写入OCPWM，此过程循环进行。最终，在用户界面软件可对FSK实验后进行信号频谱分析。
本发明的虚拟硬件教学实验设备具有如下有益效果：
1.本发明使用数字信号处理器开发平台，取代传统的硬件实验箱，将不同的电子通信原理实验用不同的软件模块在数字信号处理器开发平台上完成。
2.数字信号处理器平台相连的平板电脑运行用户控制界面软件。用户可选择不同的实验项目，进行实验时，将软件模块下载到数字信号处理器平台，数字信号处理器开发平台运行时就能够在平板电脑上显示一个真实的实验环境提供实验结果和信号波形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种虚拟硬件实验室教学设备，其特征在于，包括：
信号处理单元，用于内部通过运行相应的实验软件模块，根据外部指令运行的相应的实验软件模块进行相应的实验，发送对应的实验信号波形；
操作控制终端，与所述信号处理单元通信连接，安装有用户控制界面程序，用于选择不同实验，在实验前将相应实验软件程序下载到所述信号处理单元中，以及实验时向信号处理单元输出实验指令，使信号处理单元运行，接收信号处理单元传送来的实验信号波形处理并显示在显示界面上。
2.如权利要求1所述虚拟硬件实验室教学设备，其特征在于，所述信号处理单元包括Microchip Explorer 16数字信号处理开发板以及一个音频输入输出子板，所述的Microchip Explorer 16数字信号处理开发板上的数字信号处理器运行用C语言写成的实验软件模块的实验程序。
3.如权利要求1所述虚拟硬件实验室教学设备，其特征在于，所述信号处理单元中运行的实验软件模块是取样定理实验模块、频移键控FSK传输实验模块、双音多频DTMF发生和识别实验模块、时域频域分析实验模块、FIR数字滤波器实验模块、IIR数字滤波器实验模块的一种。
4.如权利要求1所述虚拟硬件实验室教学设备，其特征在于，所述操作控制终端为具有显示终端的计算机。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113220256A (zh) * 2021-05-11 2021-08-06 马鞍山状元郎电子科技有限公司 一种交互式设计电子白板

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102508752A (zh) * 2011-11-21 2012-06-20 广州市风标电子技术有限公司 一种单片机硬件仿真器和仿真方法
CN102881204A (zh) * 2012-10-29 2013-01-16 焦作大学 基于usb及虚拟仪器的数字实验系统
CN103077636A (zh) * 2013-01-30 2013-05-01 江苏大学 一种用于计算机硬件课程共享实验设备的方法及装置
CN104504975A (zh) * 2014-12-29 2015-04-08 清华大学 基于现场可编程门阵列的便携式综合电子实验平台
CN105469678A (zh) * 2016-01-20 2016-04-06 河北工业大学 基于NI myDAQ的综合实验平台及其构建方法
KR20160061660A (ko) * 2014-11-24 2016-06-01 이세원 모터 구동 자체 검증이 가능한 프로그램 개발용 보드
CN106847231A (zh) * 2017-03-23 2017-06-13 章鹏程 一种教学实验室用超声波显示仪系统
KR101946546B1 (ko) * 2017-05-29 2019-02-11 주식회사 바른코어칩스 복수의 사용자를 지원하기 위한 사물인터넷 학습용 개발보드 장치, 입력방법 및 시스템

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102508752A (zh) * 2011-11-21 2012-06-20 广州市风标电子技术有限公司 一种单片机硬件仿真器和仿真方法
CN102881204A (zh) * 2012-10-29 2013-01-16 焦作大学 基于usb及虚拟仪器的数字实验系统
CN103077636A (zh) * 2013-01-30 2013-05-01 江苏大学 一种用于计算机硬件课程共享实验设备的方法及装置
KR20160061660A (ko) * 2014-11-24 2016-06-01 이세원 모터 구동 자체 검증이 가능한 프로그램 개발용 보드
CN104504975A (zh) * 2014-12-29 2015-04-08 清华大学 基于现场可编程门阵列的便携式综合电子实验平台
CN105469678A (zh) * 2016-01-20 2016-04-06 河北工业大学 基于NI myDAQ的综合实验平台及其构建方法
CN106847231A (zh) * 2017-03-23 2017-06-13 章鹏程 一种教学实验室用超声波显示仪系统
KR101946546B1 (ko) * 2017-05-29 2019-02-11 주식회사 바른코어칩스 복수의 사용자를 지원하기 위한 사물인터넷 학습용 개발보드 장치, 입력방법 및 시스템

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘剑，李凌: "MATLAB/RTW环境下PIC微控制器开发平台的研究与应用", 《科技信息》 *
吕喆晔: "基于时频分析的FSK解调算法研究及其DSP实现", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
无: "dsPIC33E系列:Explorer 16开发板方案", 《世界电子元器件》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113220256A (zh) * 2021-05-11 2021-08-06 马鞍山状元郎电子科技有限公司 一种交互式设计电子白板

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