虚拟仿真在彩色电视机原理实验教学中的应用

李欣 王帅群 徐志京

关键词：彩色电视机原理；全电视信号；MATLAB；虚拟仪器；云桌面

0 引言

彩色电视机原理实验课是一门电子工艺与生产实习范围内的实践课程，已经开设多年。课程主要采用模拟彩色电视实验箱为主要实验设备。该课程的历史悠久，实验内容较为繁杂。近年来，随着数字电视技术的发展，模拟电视机已经逐渐退出人们的生活和商业应用。可是，从技术发展的角度、课程设置的传统和连续性来看，其包含的基本原理和模拟技术，如发射接收、调制解调、编解码等，在许多领域或相关课程仍有应用，因此该课程还需要继续进行。学生在此课程可以接触到大量的仪器设备，如扫频仪、示波器、万用表等，有助于本科学生动手能力的培养；学生通过对彩色电视信号波形的直观观测，能够较好的理解电磁信号测量相关的基础知识，直观地了解信号的发射接收、调制解调和相关硬件，对于通信原理、信号与系统等专业课程的学习有一定的帮助[1-2]。

在该课程的教学过程中，实验设备的维护占用了大量时间，主要是彩色实验机实验箱芯片耐用性较差，接插件在实验操作中易损。因此，实验设备的维护每年都是必需的。但是，随着数字电视的普及和技术的进步，该实验箱的维修越来越困难，维修成本逐渐提高。因此，我们考虑主要采用虚拟仿真的教学方式，将该课程继续设置。

本文主要探讨在彩色电视机原理实验课教学设备老化的情况下，利用虚拟仿真技术，通过改进教学方法，设计多种教学模式，帮助学生更好地理解专业知识，提高综合实验能力。

1 彩色电视机原理实验课中存在的问题

彩色电视实验箱（型号ASTV-1） 如图1所示，设备所服务的彩色电视机原理实验课程每学年72个学时，上课学生为两个专业的四个班级约200人。由于时间年久、实验箱的设计制造等原因，近几年来发现其老化严重，很多不能正常使用，师生反映问题较多。

每学期上课之前实验中心会请生产厂家进行维修调试。今年厂家调試后，发现一些接插件难以修复，个别芯片已经停供。在实验过程中，发现还有30台实验箱可以正常使用，但是也多少存在一些问题。在实验教学过程中，部分实验箱在开机约1个小时后即不能正常输出电视信号，重启也不行。多个实验箱在使用过程中出现芯片异常发热，多位同学报告芯片烫手，并伴随有异味。少数实验无法正常进行，例如，测量伴音集成电路芯片TA7243P的引脚电压无法进行，强行测量容易造成短路；实验测量“声表面滤波器输出”仅有两台设备可以正常出现波形；实验“测量S曲线特性”也有多台设备不能正常输出目标波形。此外，实验线缆损坏较多，彩色电视信号源（型号AS305E）今年也有一台损坏，修复成本较高。

出现这些问题有多方面的原因：一是实验箱本身硬件设计的问题，电路板芯片都暴露在外面，学生操作时不慎就可能短路损坏；二是年代久远，目前生产此种模拟电视机实验箱的厂家已经寥寥，实验箱元器件损坏较难补充；三是由于实验测量操作任务繁重，大量学生频繁操作仪器测量，不仅实验箱有损耗，各种测量仪器和测量线缆的损坏率也较高。

为了解决这些问题，教师们在调研后认为，根据业界发展的情况，应改进该实验课程教学方法，采用MATLAB仿真与虚拟仪器技术相结合的方式，解决原有的问题，甚至可以达到更好的教学效果。其主要思路是：在传统实验教学的基础上，实验内容增加MATLAB 编程仿真和NI 公司的myRIO 虚拟仪器测量，基本实验可以实现1～2位学生为一个小组进行；基于虚拟仪器技术设计1～2个大型实验课题，学生选题进行分组实验，每组最多3～5位学生，虚拟仪器提供接口可以与实验室现有仪器设备对接；并可以为远程网络授课提供软硬件基础。

2 基于MATLAB 的彩色全电视信号设计

软件平台对彩色全电视信号进行编程仿真。MATLAB 软件是美国MathWorks 公司出品的数学软件，在国内高校的教学和科研中的应用最为广泛[3]。它可以用于算法开发、数据可视化、数据分析、数值计算等，是一种高级计算语言。同时它还包括交互式和可视化的环境。软件主要由MATLAB和Simulink两部分组成，基于OpenGL的图形可视化是它的一个重要特色[4]。学生通过MATLAB程序设计，获取直观的图形图像输出，不仅可以深入理解彩色电视机信号的构成，还能提高学生的学习兴趣和编程能力。

仿真实验以常见的电视彩条信号为例。彩色全电视信号图像如图2所示，这是在电视机终端直接显示的；MATLAB编程生成的全电视信号波形如图3所示，以波形图和频谱图的方式显示。在图3中，一个扫描行由行同步脉冲、消隐脉冲、色同步脉冲以及图像信号波形构成。MATLAB仿真实验是学生在深入学习彩色电视机原理的基础上进行编程仿真，可以研究亮度信号与色差信号；色度信号形成：正交平衡调幅；色同步信号；彩色全电视（FBYS） 及波形等内容。基于MATLAB的SIMULINK功能还可以实现更多更复杂的相关实验。

3 基于虚拟仪器的彩色电视信号测量

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。通俗来说，就是将仪器“装入”计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能[5-6]。对于实验室的管理来讲，虚拟仪器是统一标准的，大大降低了物理仪器设备参数的不确定性，也是是网络远程教学的重要基础。

虚拟仪器技术具有较长的历史，它是在PC机出现以后发展起来的；随着计算机技术的发展和人们需求的拓展，虚拟仪器技术近十余年来发展较为迅速。在虚拟仪器领域，采用NI公司生产的软硬件设备较多，不但实现了仪器级的虚拟仿真，而且逐渐可以用于远程实验。NI公司对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发至今已经形成了较为完善的工业和教学产品体系。LabVIEW是一种用于虚拟仪器和图形化编程的软件环境，编程语言主要是G语言，广泛应用于工业控制等领域。图形化编程是Lab?VIEW的主要特点：基于通用计算机等标准软硬件平台，内置许多简化编程复杂度的功能和函数，从而可以实现功能强大且人机界面友好的仿真实验系统。人们通过在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，来验证设计的合理性，提高了可复现性，非常的方便和高效。LabVIEW与MATLAB的Simulink的可视化具有异曲同工之处，只是LabVIEW更侧重模拟仪器设备的功能和界面效果。配合NI公司的通用硬件，可以实现更为底层的实验室功能，这比MATLAB在实验教学方面更进一步。

在高校教学领域，如果使用LabVIEW进行实验设计，可以达到与硬件实验基本相同的效果。在硬件条件不具备或者远程教学的条件下，使学生不致失去实践的机会。近年来，LabVIEW的功能不断丰富，应用范围也在拓展。因此，利用LabVIEW虚拟仪器方法进行高校实验教学成为可能[7-8]。学校实验室与北京普源精电公司（Rigol） 合作，采用基于网络仪器设备和UltraLab软件的实验管理解决方案，实现远程在线实验教学管理。该软件易于上手使用，引导性的安装和启动界面可使学生更快地熟悉操作，帮助学生学习众多工程概念，完成设计项目；在线获取实验报告数据和仪器使用情况数据；同时，确保实验过程的安全性，适合用于高校的实验课教学。

利用NI虚拟仪器软硬件设备，结合教学大纲和教学的实际情况，进行彩色电视机原理实验，可以提供丰富的实验项目，如图4所示。在实验过程中，学生可以使用实验室原有的测量仪器，如扫频仪、示波器、万用表等，对虚拟仪器信号输出接口进行测量，观察对应的信号图形。教师可以让学生学会灵活地使用该实验平台，有助于学生充分理解课程当中的一些基本原理和概念，并以此为平台培养学生的创新能力。在远程实验方面，可以构建一个从物理信号到远程桌面访问的多通道数据采集系统，通过Web应用技术将数据实时显示和发布，并可以与客户端的虚拟仪器无缝衔接。如图5所示，在此基础上，学生和教师采用NI虚拟仪器开发更为复杂的电子通信和信号处理方面的教学教具、实验平台以及实用设备等，与UltraLab实验管理方案相结合，实现校园網甚至广域网的虚拟仪器实验教学[9-10]。

4 教学管理的改进

在具备了虚拟仪器和MATLAB相结合的彩色电视机原理实验教学条件之后，我们可以进行网络远程实验授课，解决特殊情况下的部分实验教学问题。

当前，网络授课已经成为高校教学的重要组成部分。网络教学有一些优点。例如，打破了传统教学在时空上的局限，可以随时随地进行；享有丰富的网络多媒体互动材料，易于拓宽大学生知识面；分享学习经验、共同探讨问题、互相协作变得更加方便，等[11-12]。

但是，对于实验教学来说，网络授课尚不能在物理上实现对于实验设备的操作。对于彩色电视机原理实验课，我们试图进行一些初步的尝试。首先，在实验室建设了云桌面系统（Cloud Virtual Desktop，CVD） 。通过云桌面技术，将MATLAB软件和虚拟仪器软件安装到云桌面模板虚拟机上。学生在远程通过浏览器或者专用的客户端软件，连接指定的云桌面服务器，获取配置好的虚拟仪器实验系统。教师通过云桌面管理系统，可以进行远程授课、远程桌面监控、教学和考核等。通过虚拟仪器软件和云桌面的授课，学生可以获取与实际实验室授课相同的信息；甚至一些实验室不具备的仪器，虚拟仪器软件也可以提供；期望能够达到该实验课程要求的教学效果。

在本实验教学中，学院前期已经建设了虚拟仿真实验基础设施，采用基于Xenserver硬件服务器资源的云桌面系统资源分配，针对不同桌面场景，可同时分配的40～80个虚拟桌面供学生客户端使用。因此，在Xenserver模板虚拟机基础上，分别基于Windows 10和Ubuntu 18.04配置实验环境。在实验室内交换机直连的环境下，可以实现无延迟虚拟桌面实验；在远程云桌面环境下，学生客户端提前缓存数据后，也可以实现实时的实验操作。远程网络实验课教学的初步实践，既可以应对当前疫情下实验教学的不足，也为以后的实验教学提供一种解决方案。

5 实验教学效果期望

在实际教学过程中，先让学生进行MATLAB和虚拟仪器编程实验，了解要做的实验内容和预期的实验结果，然后再进行实验箱的实操训练，可以提高实验效率，减少硬件实验设备的损耗，避免一些潜在的错误。同时，学生通过软硬件结合的方式，加深了对所学内容的理解，提高了应用能力。

例如，图6是彩色电视机的集成彩色解码电路的调试实验，需要学生用示波器检测R-Y，B-Y，G-Y三路信号，并通过实验箱上的可调电位器进行调节，使波形尽量接近理想状态。但是，由于对于彩色电视机解码原理的不熟悉，不少学生分不清楚这三路信号，因此耗费大量时间，对示波器和实验箱都造成较大损耗甚至损坏。在课程进行虚拟仿真改革之后，学生可以通过虚拟仪器软件预先观察到所需波形，然后再进行硬件实验，既培养了编程技术，又提高了实验效果。

在远程网络教学的条件下，教师通过云桌面向学生分发虚拟仪器实验环境，并进行远程授课和课堂管理，学生在各自的终端进行实验，基本可以达到与实际实验室教学相同的效果。

6 结束语

本文提出的基于MATLAB编程仿真和虚拟仪器技术的彩色电视机原理实验教学方法，可以弥补硬件实验设施的不足，提升教学效果的同时又帮助学生进一步理解该课程中的理论问题。MATLAB软件和NI虚拟仪器软硬件设备均具有较强的工程实用性，在实验教学中使其与传统实验箱和实验测量仪器结合应用，可以激发学生的学习兴趣，更加有利于学生创新实践能力的培养。