基于LabVIEW的數(shù)字電路課程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

程曦

摘 要： 近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，有效支持了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展和成熟，這些技術(shù)一直是許多計(jì)算機(jī)學(xué)者、電子技術(shù)學(xué)者的研究的熱點(diǎn)和方向。本文的主要研究?jī)?nèi)容是開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用當(dāng)前流行的可視化圖形編程平臺(tái)LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，輸出虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了電子類專業(yè)學(xué)生的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)需求。

關(guān)鍵詞： 虛擬實(shí)驗(yàn)室 LabVIEW 數(shù)據(jù)庫(kù) 網(wǎng)絡(luò)通信

1.LabVIEW概述

1986年，LabVIEW由美國(guó)一家高校研制開(kāi)發(fā)，LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的英文縮寫，其是一種圖形化的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，作為一個(gè)強(qiáng)大的具有多種開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)功能的虛擬儀器開(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以使用不同的圖標(biāo)或者框圖模塊組合設(shè)計(jì)各種虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的功能模塊，同時(shí)通過(guò)圖形前面板實(shí)時(shí)的交互控制設(shè)計(jì)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(hào)測(cè)量分析、模擬仿真等嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。

2.SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)

2.1SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)DB（Data Base）是在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)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(jìn)行組織，具有最小的數(shù)據(jù)冗余度，可提供多個(gè)用戶共享，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)不依賴于應(yīng)用，數(shù)據(jù)的組織具有較高的獨(dú)立性，允許并發(fā)使用數(shù)據(jù)庫(kù)，能有效及時(shí)地處理數(shù)據(jù)。

2.2LabVIEW訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)接口

LabVIEW訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法主要包括：利用LabVIEW的ActiveX功能，調(diào)用Microsoft ADO對(duì)象，利用SQL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)；利用NI公司的附加工具包中的數(shù)據(jù)庫(kù)接口工具包LabVIEW SQL Toolkit進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)；通過(guò)第三方開(kāi)發(fā)的免費(fèi)工具包LabSQL訪問(wèn)；通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL（Dynamic Link Library）訪問(wèn)等。這些數(shù)據(jù)庫(kù)的基本步驟都是相同的，都要經(jīng)過(guò)連接數(shù)據(jù)庫(kù)、執(zhí)行操作、斷開(kāi)連接這三個(gè)步驟。

綜合考慮本系統(tǒng)的需求、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的接近性，本文在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇了使用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包LabSQL實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，由于LabSQL自身利用ADO組件和SQL語(yǔ)言封裝實(shí)現(xiàn)，其將底層復(fù)雜的連接、操作等封裝起來(lái)，對(duì)于用戶開(kāi)發(fā)時(shí)是透明的，比較簡(jiǎn)單易學(xué)，僅關(guān)注自己的需求即可，無(wú)需關(guān)注系統(tǒng)的底層細(xì)節(jié)。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。進(jìn)入本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面后，首先要進(jìn)行用戶認(rèn)證，進(jìn)行用戶登錄及注冊(cè)、密碼認(rèn)證等功能。然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)選擇，包括虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器兩大類實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)包括數(shù)字電路部分、電路分析部分、信號(hào)分析部分。虛擬儀器包括示波器、頻譜分析儀及信號(hào)發(fā)生器。進(jìn)入每個(gè)具體實(shí)驗(yàn)部分的界面后，可進(jìn)行更進(jìn)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(shí)驗(yàn)。

所有功能都是通過(guò)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(kù)服務(wù)器維護(hù)和組織。用戶對(duì)系統(tǒng)操作過(guò)程的簡(jiǎn)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(guò)瀏覽器向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)用戶的請(qǐng)求，檢索數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的教務(wù)數(shù)據(jù)，并把服務(wù)結(jié)果通過(guò)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(shí)現(xiàn)學(xué)生與老師注冊(cè)、認(rèn)證、登錄功能。因?yàn)樯婕坝脩裘兔艽a，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中前面板需要用到兩個(gè)字符串輸入控件?？紤]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(wèn)課件系統(tǒng)時(shí)，需要通過(guò)注冊(cè)獲得訪問(wèn)權(quán)限，在注冊(cè)成為合法用戶后，就可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)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(huì)跳到密碼輸入欄，輸入密碼后，可以按回車鍵進(jìn)行密碼確認(rèn)，也可以點(diǎn)擊“用戶登錄”，單擊“用戶登錄”或按下回車鍵進(jìn)行驗(yàn)證，如果用戶信息不正確的話，會(huì)提示“用戶名或密碼錯(cuò)誤，請(qǐng)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(jìn)入系統(tǒng)”、“修改密碼”、“退出系統(tǒng)”這幾個(gè)按鍵可用，選擇“修改密碼”則可以對(duì)自己的密碼進(jìn)行修改。

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

登錄成功后，點(diǎn)擊選擇系統(tǒng)，便進(jìn)入實(shí)驗(yàn)選擇系統(tǒng)，如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)選擇系統(tǒng)中，可以了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為兩部分：虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，便可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主菜單的選擇了。從圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中提供了六個(gè)實(shí)驗(yàn)菜單的選擇。

圖2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

4.2虛擬實(shí)驗(yàn)部分

從主界面進(jìn)入，跳到二界面，選擇進(jìn)入數(shù)字電路部分，登錄成功后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)選擇界面。

學(xué)生點(diǎn)擊不同按鈕進(jìn)入各實(shí)驗(yàn)子菜單，以“實(shí)驗(yàn)四觸發(fā)器”界面為例，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)驗(yàn)資源等。每個(gè)界面都有一個(gè)“返回”按鈕，點(diǎn)擊后可返回上一界面。點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)演示可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)選擇子菜單，如觸發(fā)器實(shí)驗(yàn)包括三個(gè)觸發(fā)器：RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器，點(diǎn)擊后可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

4.3虛擬儀器部分

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

5.結(jié)語(yǔ)

本文是基于LabVIEW的數(shù)字電路課程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用與測(cè)試，滿足對(duì)遠(yuǎn)程電路實(shí)驗(yàn)的操作、管理的要求。本次設(shè)計(jì)利用LabVIEW 8.6作為軟件平臺(tái)，使用Access對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(kù)訪問(wèn)工具LabSQL，使得數(shù)據(jù)庫(kù)操作更簡(jiǎn)單且易理解。

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