基于LabVIEW的數(shù)字電路課程遠程實驗系統(tǒng)

程曦

摘 要： 近年來，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，有效支持了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的發(fā)展和成熟，這些技術(shù)一直是許多計算機學(xué)者、電子技術(shù)學(xué)者的研究的熱點和方向。本文的主要研究內(nèi)容是開發(fā)和設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室采用當(dāng)前流行的可視化圖形編程平臺LabVIEW進行開發(fā)，通過編程實現(xiàn)對虛擬信號的數(shù)據(jù)進行采集、分析和處理，輸出虛擬實驗的結(jié)果，仿真環(huán)境下實現(xiàn)了電子類專業(yè)學(xué)生的設(shè)計和開發(fā)需求。

關(guān)鍵詞： 虛擬實驗室 LabVIEW 數(shù)據(jù)庫 網(wǎng)絡(luò)通信

1.LabVIEW概述

1986年，LabVIEW由美國一家高校研制開發(fā)，LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成開發(fā)環(huán)境的英文縮寫，其是一種圖形化的計算機程序設(shè)計語言，作為一個強大的具有多種開發(fā)設(shè)計功能的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，其提供了可視化的圖標(biāo)代替編寫程序文本，采用可視化的編程思想可以有效提高編程效率。在用戶開發(fā)過程中，可以使用不同的圖標(biāo)或者框圖模塊組合設(shè)計各種虛擬實驗儀器的功能模塊，同時通過圖形前面板實時的交互控制設(shè)計結(jié)果，具有極大的易學(xué)性和交互性，已經(jīng)在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號測量分析、模擬仿真等嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)過程中得到廣泛應(yīng)用。

2.SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫

2.1SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫DB（Data Base）是在計算機存儲設(shè)備上合理存放的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。它以綜合的方法進行組織，具有最小的數(shù)據(jù)冗余度，可提供多個用戶共享，數(shù)據(jù)的存儲不依賴于應(yīng)用，數(shù)據(jù)的組織具有較高的獨立性，允許并發(fā)使用數(shù)據(jù)庫，能有效及時地處理數(shù)據(jù)。

2.2LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫接口

LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫的方法主要包括：利用LabVIEW的ActiveX功能，調(diào)用Microsoft ADO對象，利用SQL語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問；利用NI公司的附加工具包中的數(shù)據(jù)庫接口工具包LabVIEW SQL Toolkit進行數(shù)據(jù)庫訪問；通過第三方開發(fā)的免費工具包LabSQL訪問；通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫DLL（Dynamic Link Library）訪問等。這些數(shù)據(jù)庫的基本步驟都是相同的，都要經(jīng)過連接數(shù)據(jù)庫、執(zhí)行操作、斷開連接這三個步驟。

綜合考慮本系統(tǒng)的需求、程序設(shè)計語言的接近性，本文在開發(fā)設(shè)計過程中，選擇了使用數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL實現(xiàn)系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫的功能，由于LabSQL自身利用ADO組件和SQL語言封裝實現(xiàn)，其將底層復(fù)雜的連接、操作等封裝起來，對于用戶開發(fā)時是透明的，比較簡單易學(xué)，僅關(guān)注自己的需求即可，無需關(guān)注系統(tǒng)的底層細節(jié)。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，對實驗系統(tǒng)進行總體設(shè)計。進入本實驗系統(tǒng)界面后，首先要進行用戶認(rèn)證，進行用戶登錄及注冊、密碼認(rèn)證等功能。然后進入實驗系統(tǒng)，進行實驗選擇，包括虛擬實驗和虛擬儀器兩大類實驗，虛擬實驗包括數(shù)字電路部分、電路分析部分、信號分析部分。虛擬儀器包括示波器、頻譜分析儀及信號發(fā)生器。進入每個具體實驗部分的界面后，可進行更進一步的選擇，如數(shù)字電路部分中，還可以選擇編碼器、比較器、加法器、觸發(fā)器及表決器等實驗。

所有功能都是通過應(yīng)用服務(wù)器和用戶瀏覽器之間的交互完成的。與系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器維護和組織。用戶對系統(tǒng)操作過程的簡單描述：由校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接的教師和學(xué)生及系統(tǒng)管理員通過瀏覽器向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)起請求，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)用戶的請求，檢索數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的教務(wù)數(shù)據(jù)，并把服務(wù)結(jié)果通過瀏覽器反饋給用戶。本系統(tǒng)的用戶可以分為三類：學(xué)生、教師和系統(tǒng)管理員。不同的用戶在系統(tǒng)中的作用和權(quán)限是不同的。

4.系統(tǒng)總體調(diào)試與分析

4.1系統(tǒng)登錄模塊

系統(tǒng)登錄模塊主要實現(xiàn)學(xué)生與老師注冊、認(rèn)證、登錄功能。因為涉及用戶名和密碼，在實現(xiàn)過程中前面板需要用到兩個字符串輸入控件。考慮到用戶信息的安全，應(yīng)將用于輸入密碼的字符串輸入控件的顯示方式設(shè)置為“密碼顯示”。用戶在首次訪問課件系統(tǒng)時，需要通過注冊獲得訪問權(quán)限，在注冊成為合法用戶后，就可以進入虛擬實驗室，如圖1所示：

圖1 登錄界面輸入

輸入用戶名后，可以按回車鍵，光標(biāo)會跳到密碼輸入欄，輸入密碼后，可以按回車鍵進行密碼確認(rèn)，也可以點擊“用戶登錄”，單擊“用戶登錄”或按下回車鍵進行驗證，如果用戶信息不正確的話，會提示“用戶名或密碼錯誤，請重新輸入”，如果用戶信息正確，則允許登錄。

如果用戶的權(quán)限只是學(xué)生，則只有“進入系統(tǒng)”、“修改密碼”、“退出系統(tǒng)”這幾個按鍵可用，選擇“修改密碼”則可以對自己的密碼進行修改。

如果用戶權(quán)限是管理員的話，則多了一個“用戶管理”的功能，用于對當(dāng)前所有用戶的密碼等信息進行管理。

登錄成功后，點擊選擇系統(tǒng)，便進入實驗選擇系統(tǒng)，如圖2所示，在實驗選擇系統(tǒng)中，可以了解實驗系統(tǒng)分為兩部分：虛擬實驗部分和虛擬儀器部分。在這樣的環(huán)境下為學(xué)生提供相關(guān)實驗，點擊進入相應(yīng)實驗，便可以進入實驗系統(tǒng)主菜單的選擇了。從圖2可以看出，在實驗系統(tǒng)中提供了六個實驗菜單的選擇。

圖2 實驗項目

4.2虛擬實驗部分

從主界面進入，跳到二界面，選擇進入數(shù)字電路部分，登錄成功后，進入實驗選擇界面。

學(xué)生點擊不同按鈕進入各實驗子菜單，以“實驗四觸發(fā)器”界面為例，每個實驗都包括實驗預(yù)習(xí)、實驗演示和實驗資源等。每個界面都有一個“返回”按鈕，點擊后可返回上一界面。點擊實驗演示可以進入實驗選擇子菜單，如觸發(fā)器實驗包括三個觸發(fā)器：RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器，點擊后可進行實驗操作。

4.3虛擬儀器部分

虛擬儀器部分主要是對學(xué)生虛擬實驗的提高和拓展，并不作為大綱要求的必選實驗，可以作為選擇性提高實驗，供學(xué)生自由選擇。返回主界面，然后選擇進入虛擬儀器實驗，點擊示波器，進入實驗。

5.結(jié)語

本文是基于LabVIEW的數(shù)字電路課程遠程實驗系統(tǒng)，經(jīng)過實際應(yīng)用與測試，滿足對遠程電路實驗的操作、管理的要求。本次設(shè)計利用LabVIEW 8.6作為軟件平臺，使用Access對數(shù)據(jù)進行管理，并在用戶界面直觀地反映處理后的結(jié)果。使用數(shù)據(jù)庫訪問工具LabSQL，使得數(shù)據(jù)庫操作更簡單且易理解。

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