基于LabVIEW與Access的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

寧芬 周慶華 唐立軍 鄧敏 羅雪倫 王廣鵬

摘要：基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境與Access數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用教育電子身份號(hào)（e2ID）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶的實(shí)名制，基于LabSQL訪問Access數(shù)據(jù)庫的方法實(shí)現(xiàn)了用戶登錄與管理功能，并采用可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)。以信號(hào)調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)為例介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW； LabSQL；虛擬實(shí)驗(yàn)；登錄管理

中圖分類號(hào) TP311.56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A virtual experiment teaching system based on LabVIEW and Access

NING Fen， ZHOU Qinghua， TANG Lijun， DENG Min， LUO Xuelun， WANG Guangpeng

（School of Physical & Electronic Science， Changsha University of Science & Technology， Hunan 410114， China）

Abstract： The paper builds a virtual experiment teaching system based on the LabVIEW development environment and Access database. The system applied educational electronic identity（e2ID）to realize system users real-name system. Realized the function of the user login and management based on the method of LabSQL accessing Access database. Meanwhile， taking signal demodulation experiment as an example， this paper also presents the design and implementation of experiment module.

Key words： LabVIEW； LabSQL； virtual experiment； log management

0 引 言

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)系統(tǒng)中不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，推動(dòng)學(xué)生系統(tǒng)完善地構(gòu)建自身知識(shí)體系。然而，實(shí)體實(shí)驗(yàn)需要的儀器設(shè)備在數(shù)量逐年遞增的同時(shí)，投資也日趨緊張，多數(shù)高校都難以全面滿足儀器設(shè)備附加的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)在實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作時(shí)也會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化，實(shí)驗(yàn)時(shí)間多方受限等各種情況[1]。因此，虛擬儀器應(yīng)時(shí)而生，吸引了學(xué)界的關(guān)注與重視。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，不僅能替代傳統(tǒng)儀器，而且具備低成本、性能更新時(shí)效快、應(yīng)用方案靈活等優(yōu)點(diǎn)，從而在信息領(lǐng)域的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、研究等領(lǐng)域呈現(xiàn)出卓越潛力與優(yōu)勢(shì)。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments.NI）推出的一種用圖標(biāo)編程來代替文本編程的G語言，通過圖標(biāo)來創(chuàng)建應(yīng)用程序框圖[2]。相較于傳統(tǒng)的編程軟件，其開發(fā)效率更高，同時(shí)內(nèi)部設(shè)定的擴(kuò)展函數(shù)庫還為編程用戶們提供了眾多的功能實(shí)施便利。基于如上背景所述，本課題即以LabVIEW2014為開發(fā)平臺(tái)，研發(fā)提出了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[3]。實(shí)踐證明，系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于高端強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性和交互性，以及良好的可擴(kuò)展性，因?yàn)榫哂幸欢ǖ膶?shí)用推廣價(jià)值。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)總體框架

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)劃分登錄模塊和實(shí)驗(yàn)?zāi)K。圖1則為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)總體框架。

系統(tǒng)應(yīng)用教育電子身份號(hào)（e2ID）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶的實(shí)名制。e2ID是教育管理部門根據(jù)個(gè)人基礎(chǔ)信息和隨機(jī)數(shù)生成的標(biāo)識(shí)碼，可以在設(shè)定用戶實(shí)名制的同時(shí)保障用戶的隱私[4]。e2ID用戶在通過身份驗(yàn)證后才能夠使用系統(tǒng)各項(xiàng)功能，這樣不僅保護(hù)了系統(tǒng)的私有數(shù)據(jù)，也給整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)程序提供了安全屏障作用[5]。用戶登錄后，可以查看以往實(shí)驗(yàn)的成績(jī)、并選擇實(shí)驗(yàn)自行開啟操作演練，實(shí)驗(yàn)完成后還可將實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析報(bào)告進(jìn)行保存和提交。此外，還可以對(duì)系統(tǒng)提出建議，管理員會(huì)實(shí)施可行性改進(jìn)處理。管理員還能適時(shí)增加實(shí)驗(yàn)操作的例程設(shè)置，使實(shí)驗(yàn)選擇不至于局限，從而開拓加強(qiáng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)應(yīng)用領(lǐng)域中學(xué)生才能的廣泛發(fā)揮和展現(xiàn)空間。

特別指出的是，LabVIEW內(nèi)部有大量的用于信號(hào)處理的分析函數(shù)，因此尤其適合《信號(hào)與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號(hào)處理》和《通信原理》等課程的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)，本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，并以信號(hào)調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)為例介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 用戶登錄與管理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 LabVIEW與數(shù)據(jù)庫

用戶可以創(chuàng)建一個(gè)登錄系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問，但是LabVIEW本身并不具備數(shù)據(jù)庫訪問功能，通常利用其擴(kuò)展工具包來解決這一問題。研究可知，常規(guī)情況下可使用以下5種方式實(shí)現(xiàn)LabVIEW與數(shù)據(jù)庫的連接。具體論述如下。

1）利用NI公司的附加工具包LabVIEW SQL Toolkit進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問；該工具包集成了一系列的高級(jí)功能模塊，這些模塊封裝了大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫操作和一些高級(jí)的數(shù)據(jù)庫訪問功能[5]。不僅功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，而且也不需要學(xué)習(xí)SQL語法，但卻需要額外購(gòu)買，價(jià)格昂貴，將會(huì)增加系統(tǒng)成本。

2）利用LabVIEW的ActiveX功能，調(diào)用Microsoft ADO控件，選用SQL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問；使用這種方法需要用戶對(duì)Microsoft ADO控件以及SQL語言有頗深的了解，并且需要從底層經(jīng)由復(fù)雜的編程才能獲得實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于大多數(shù)用戶來說也是不現(xiàn)實(shí)的[6]。

3）通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫 （ dynamic link library ，DLL） 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問，先編寫 DLL，再利用LabVIEW的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)（calling function node ，CLFN） 調(diào)用此 DLL訪問數(shù)據(jù)庫。該方法的執(zhí)行過程需要配合以復(fù)雜繁瑣的編程，因而不利于非專業(yè)編程人員設(shè)定功能的預(yù)期達(dá)成。

4）利用中間文件存取數(shù)據(jù)。先將數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在開發(fā)平臺(tái)中的文件夾，待仿真結(jié)束后再用專門的軟件工具將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。這種方法過過程操作繁復(fù)，并不利于使用。

5）利用第三方開發(fā)的免費(fèi)工具包LabSOL來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問。LabSQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問實(shí)際是利用Microsoft ADO和SQL語言將繁雜的低層操作通過封裝來生成實(shí)現(xiàn)的。也就是， 將其轉(zhuǎn)換為許多對(duì)應(yīng)的 LabSQL Vis，簡(jiǎn)單易用。

綜上分析比較可得，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫訪問是采用免費(fèi)的工具包LabSOL來支持實(shí)現(xiàn)的。因其不僅能免費(fèi)獲取，應(yīng)用簡(jiǎn)單便捷，同時(shí)，幾乎還可以對(duì)任何類型數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)配備查詢或操作，實(shí)用性強(qiáng)，為教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)提供理想工具。本文采用的是access數(shù)據(jù)庫。在使用LabSQL之前.首先需要在windows操作系統(tǒng)的控制面板中，調(diào)用“ODBC數(shù)據(jù)源管理器”創(chuàng)建的Access類型的MDB數(shù)據(jù)庫。

在登錄系統(tǒng)中很多時(shí)候都要用到數(shù)據(jù)庫連接，因此將其作為一個(gè)獨(dú)立的VI，首先創(chuàng)建connection對(duì)象，然后利用ADO Connection Open.vi建立與數(shù)據(jù)庫的有效連接，“DSN=mydb”，并調(diào)用SQL獲取數(shù)據(jù)庫中的全部信息，最后引用ADO Connection Close.vi關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫之間的連接。

2.2 用戶權(quán)限

用戶登錄系統(tǒng)中設(shè)置有用戶權(quán)限，分別為管理員用戶和普通用戶。進(jìn)一步地，管理員用戶登錄后的主界面包括“實(shí)驗(yàn)操作”“用戶管理”“修改密碼”“退出管理”等功能項(xiàng)目，而登錄賬號(hào)的權(quán)限是普通用戶，此時(shí)“用戶管理”這個(gè)事件結(jié)構(gòu)屬性將設(shè)置為不可見，從而將不會(huì)具有“用戶管理”這一項(xiàng)功能操作。

2.3 用戶登錄

用戶登錄與管理系統(tǒng)的主程序利用事件結(jié)構(gòu)，分別建立“用戶登錄”“用戶名”“用戶密碼” “進(jìn)入系統(tǒng)”“用戶管理”“修改密碼”“退出系統(tǒng)”等7個(gè)子事件。用戶登錄程序框圖如圖2所示。

利用用戶名和用戶密碼進(jìn)行用戶登錄。如果用戶名、密碼和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)匹配，則進(jìn)入登陸后主界面；反之如果用戶名、密碼和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)并不匹配，系統(tǒng)將出現(xiàn)“您輸入的用戶名或密碼錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入”的錯(cuò)誤提示。

用戶登錄后主界面如圖3所示，除了基本的功能按鍵，主界面的左邊顯示有用戶的基本信息，包括“用戶名”、“用戶權(quán)限”、“登錄次數(shù)”以及上次登錄的時(shí)間。

2.4 用戶管理

管理員用戶點(diǎn)擊用戶管理，程序會(huì)打開“用戶管理”主界面，界面內(nèi)容如圖4所示。能夠?qū)?shù)據(jù)庫建立相關(guān)操作，其功能實(shí)現(xiàn)分別有“增加用戶”、“刪除用戶”、“退出管理”進(jìn)行用戶增減。同時(shí)，雙擊用戶就能轉(zhuǎn)入編輯，不僅能對(duì)用戶名密碼進(jìn)行編輯，還能對(duì)其用戶權(quán)限開展監(jiān)控修改。當(dāng)點(diǎn)擊退出管理時(shí)，能直接跳到圖2主界面。用戶管理的功能實(shí)現(xiàn)也是通過事件結(jié)果，和用戶登錄系統(tǒng)的編程方式類似。

至此，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本的用戶登錄管理系統(tǒng)。本程序采用了LabVIEW程序開發(fā)中常用的模塊化結(jié)構(gòu)，將程序分為主程序和子程序，兩者之間相互嵌入并連接，形成一個(gè)完整的用戶登錄管理系統(tǒng)。

還需提及，在程序的主界面有修改密碼這一類項(xiàng)，單擊“修改密碼”，程序?qū)⒄{(diào)用“輸新密碼”子VI，在此程序設(shè)定中，采用了條件結(jié)構(gòu)，具體就是利用SQL命令“請(qǐng)輸入你的新密碼=‘”修改密碼，只有當(dāng)輸入2次的密碼完全一致時(shí)，才能符合條件“真”更新數(shù)據(jù)庫。而后延時(shí)100ms，將會(huì)彈出程序框圖中的字樣“密碼修改成功，請(qǐng)記住新密碼”。普通用戶若要修改密碼時(shí)，可直接在此處執(zhí)行修改；而當(dāng)普通用戶忘記了密碼，則需聯(lián)系管理員來協(xié)商修改密碼。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，利用事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)子程序的調(diào)用，使實(shí)驗(yàn)?zāi)K操作更加簡(jiǎn)潔容易。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，可在實(shí)驗(yàn)?zāi)K上增加任意課程所需的虛擬實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣闊適用性。登錄管理模塊與實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間的控制表現(xiàn)為核心與從屬的關(guān)系，通過主界面單擊“實(shí)驗(yàn)操作”，能進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)操作界面。同時(shí)各模塊之間又存在相互獨(dú)立性，實(shí)驗(yàn)?zāi)K可進(jìn)行分離的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。下面將以信號(hào)調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)為例介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)全過程。

調(diào)制解調(diào)，是調(diào)制和解調(diào)的合稱。本調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)限定采用4種調(diào)制方式，分別為振幅調(diào)制（AM 調(diào)制）、雙邊帶調(diào)制（DSB調(diào)制）、單邊帶調(diào)制（SSB 調(diào)制）、殘留邊帶調(diào)制（VSB 調(diào)制）。振幅調(diào)制就是雙邊帶調(diào)制，即將調(diào)制信號(hào)疊加直流后再與載波相乘的調(diào)制方式，如果在振幅調(diào)制中不疊加直流分量，便得到功率利用效應(yīng)頗佳雙邊帶調(diào)制方法[7]。此外，還有單邊帶調(diào)制方法——僅傳輸雙邊帶信號(hào)的一個(gè)邊帶（上邊帶或下邊帶）調(diào)制，及殘留邊帶調(diào)制方法——不像單邊帶調(diào)制那樣，將產(chǎn)生的雙邊帶已調(diào)信號(hào)的其中一個(gè)邊帶完全濾掉，而是逐漸切割，使其中一小部分得以殘留。殘留邊帶調(diào)制既解決了DSB 調(diào)制所出現(xiàn)的占用頻帶寬的問題，又克服了SSB 調(diào)制中邊帶濾波器難以達(dá)到理想濾波器的缺點(diǎn)。

調(diào)制解調(diào)虛擬實(shí)驗(yàn)的LabVIEW編程主要利用條件結(jié)構(gòu)，通過旋鈕的2、3、4、5來切換AM 調(diào)制、DSB調(diào)制、SSB 調(diào)制、VSB 調(diào)制等不同調(diào)制方式。同時(shí)，為了方便教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)操作面板附加配備了說明信息和使用說明2個(gè)按鈕，其中內(nèi)嵌了兩個(gè)不同的文本子VI，點(diǎn)擊這2個(gè)按鈕，就會(huì)呈現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)原理，以及操作實(shí)驗(yàn)流程等詳細(xì)的內(nèi)容信息，能夠清晰助益學(xué)生對(duì)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)主題的掌控與理解。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中寫下相關(guān)結(jié)論，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)報(bào)告保存按鈕，就會(huì)在報(bào)告中生成實(shí)驗(yàn)圖像，生成一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)的界面操作如圖6所示，其LabVIEW 程序框圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境與Access數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。通過對(duì)LabVIEW的編程與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的分析，采用LabSQL訪問Access數(shù)據(jù)庫的方法實(shí)現(xiàn)了用戶登錄與管理功能，從而提高系統(tǒng)的安全性，方便用戶操作。本文最后還展示了實(shí)驗(yàn)?zāi)K中信號(hào)調(diào)制解調(diào)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。此實(shí)驗(yàn)突破傳統(tǒng)的理論教學(xué)，通過虛擬仿真，便利同學(xué)觀察調(diào)制解調(diào)的波形，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐素養(yǎng)和綜合技能。

LabVIEW已成為近幾年虛擬儀器開發(fā)的首選開發(fā)軟件，易學(xué)易用、功能強(qiáng)大。利用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)上，能通過仿真配合理論知識(shí)講述，改善授課的效率和學(xué)生的接受能力，課后學(xué)生能通過仿真實(shí)驗(yàn)開展自主學(xué)習(xí)和研討，獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)則使學(xué)生能夠增進(jìn)解決問題中的發(fā)散思維，這樣更能激發(fā)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的熱情和探索欲，提升創(chuàng)造力與創(chuàng)新意識(shí)。本文的設(shè)計(jì)實(shí)踐也為此后研究進(jìn)展提供了一個(gè)可借鑒的有益思路。

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