基于LabVIEW 與Access 的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)論文

　　1 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)總體框架

　　虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)采用模塊化設(shè)計思想，根據(jù)系統(tǒng)的功能實現(xiàn)劃分為登錄模塊和實驗?zāi)�塊。

　　系統(tǒng)應(yīng)用教育電子身份號( e2 ID) 實現(xiàn)系統(tǒng)用戶的實名制。e2 ID 是教育管理部門根據(jù)個人基礎(chǔ)信息和隨機數(shù)生成的標(biāo)識碼，可以在設(shè)定用戶實名制的同時保障用戶的隱私。e2 ID 用戶在通過身份驗證后才能夠使用系統(tǒng)各項功能，這樣不僅保護了系統(tǒng)的私有數(shù)據(jù)，也給整個實驗教學(xué)系統(tǒng)程序提供了安全屏障作用。用戶登錄后，可以查看以往實驗的成績、并選擇實驗自行開啟操作演練，實驗完成后還可將實驗結(jié)果的分析報告進行保存和提交。此外，還可以對系統(tǒng)提出建議，管理員會實施可行性改進處理。管理員還能適時增加實驗操作的例程設(shè)置，使實驗選擇不至于局限，從而開拓加強系統(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處理的分析函數(shù)，因此尤其適合《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》和《通信原理》等課程的虛擬實驗項目開發(fā)，本系統(tǒng)的實驗?zāi)�塊采用可擴展設(shè)計，并以信號調(diào)制解調(diào)實驗為例介紹實驗?zāi)�塊的設(shè)計與實現(xiàn)。

　　2 用戶登錄與管理模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

　　2.1 LabVIEW 與數(shù)據(jù)庫

　　系統(tǒng)可以訪問數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)用戶登錄及管理，但是LabVIEW 本身并不具備數(shù)據(jù)庫訪問功能，通常利用其擴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 進行數(shù)據(jù)庫的訪問; 該工具包集成了一系列的高級功能模塊，這些模塊封裝了大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫操作和一些高級的數(shù)據(jù)庫訪問功能。不僅功能強大，操作簡單，而且也不需要學(xué)習(xí)SQL 語法，但卻需要額外購買，價格昂貴，將會增加系統(tǒng)成本。

　　2) 利用LabVIEW 的ActiveX 功能，調(diào)用Microsoft ADO 控件，選用SQL 語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問; 使用這種方法需要用戶對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現(xiàn)，這對于大多數(shù)用戶來說也是不現(xiàn)實的。

　　3) 通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫( dynamic link library ，DLL) 實現(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( 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)期達成。

　　4) 利用中間文件存取數(shù)據(jù)。先將數(shù)據(jù)暫時存放在開發(fā)平臺中的文件夾，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。這種方法操作過程繁復(fù)，并不利于使用。

　　5) 利用第三方開發(fā)的免費工具包LabSQL 來進行數(shù)據(jù)庫的訪問。LabSQL 進行數(shù)據(jù)庫訪問實際是利用Microsoft ADO和SQL 語言將繁雜的低層操作通過封裝來生成實現(xiàn)的。也就是，將其轉(zhuǎn)換為許多對應(yīng)的LabSQL Vis，簡單易用。綜上分析比較可得，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)庫訪問是采用免費的工具包LabSQL 來支持實現(xiàn)的。因其不僅能免費獲取，應(yīng)用簡單便捷，同時，幾乎還可以對任何類型數(shù)據(jù)庫設(shè)計配備查詢或操作，實用性強，為教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)提供理想工具便利。

　　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)中很多時候都要用到數(shù)據(jù)庫連接，因此將其作為一個獨立的VI，首先創(chuàng)建connection 對象，然后利用ADOConnection 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ADOConnection 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。進一步地，管理員用戶登錄后的主界面包括“實驗操作”、“用戶管理”、“修改密碼”、“退出管理”等功能項目，而登錄賬號的權(quán)限是普通用戶時，“用戶管理”這個事件結(jié)構(gòu)屬性將設(shè)置為不可見，從而將不會具有“用戶管理”這一項功能操作。

　　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”、“進入系統(tǒng)”、“用戶管理”、“修改密碼”、“退出系統(tǒng)”等7 個子事件。

　　利用用戶名和用戶密碼進行用戶登錄。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誤，請重新輸入”的錯誤提示。

　　用戶登錄后主界面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)”以及上次登錄的時間。

　　2.4 用戶管理

　　管理員用戶點擊用戶管理，程序會打開“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，其功能實現(xiàn)分別有“增加用戶”、“刪除用戶”、“退出管理”進行用戶增減。同時，雙擊用戶就能轉(zhuǎn)入編輯，不僅能對用戶名密碼進行編輯，還能對其用戶權(quán)限開展監(jiān)控修改。當(dāng)點擊“退出管理”時，能直接跳到圖2 主界面。用戶管理的功能實現(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)實現(xiàn)了一個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，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，才能符合條件“真”更新數(shù)據(jù)庫。而后延時100 ms，將會彈出程序框圖中的字樣“密碼修改成功，請記住新密碼”。普通用戶若要修改密碼時，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 實驗?zāi)�塊的設(shè)計與實現(xiàn)

　　本文將實驗進行模塊化設(shè)計，利用事件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)子程序的調(diào)用，使實驗?zāi)�塊操作更加簡潔容易。系統(tǒng)的實驗?zāi)�塊采用可擴展設(shè)計，可在實驗?zāi)�塊上增加任意課程所需的虛擬實驗，強化教學(xué)系統(tǒng)實驗教學(xué)的廣闊適用性。登錄管理模塊與實驗?zāi)�塊之間的控制表現(xiàn)為核心與從屬的關(guān)系，通過主界面單擊“實驗操作”，能進入虛擬實驗操作界面。同時各模塊之間又存在相互獨立性，實驗?zāi)�塊可進行各自分離的擴展設(shè)計。下面將以信號調(diào)制解調(diào)實驗為例介紹實驗?zāi)�塊的設(shè)計與實現(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)實驗限定采用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) 。其中，振幅調(diào)制就是雙邊帶調(diào)制，即將調(diào)制信號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)頗佳的雙邊帶調(diào)制方法。

　　此外，還有單邊帶調(diào)制方法——僅傳輸雙邊帶信號的一個邊帶( 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)信號的其中一個邊帶完全濾掉，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到理想濾波器的缺點。調(diào)制解調(diào)虛擬實驗的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，為了方便教學(xué)，在實驗操作面板附加配備了說明信息和使用說明2 個按鈕，其中內(nèi)嵌了2 個不同的文本子VI，點擊這2 個按鈕，就會呈現(xiàn)此實驗的基本知識和實驗原理，以及操作實驗流程等詳細的內(nèi)容信息，能夠清晰助益學(xué)生對知識及實驗主題的掌控與理解。在實驗報告中寫下相關(guān)結(jié)論，點擊實驗報告保存按鈕，就會在報告中生成實驗圖像，生成一份完整的實驗報告。

　　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)建了一個完整的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。通過對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驗?zāi)�塊中信號調(diào)制解調(diào)虛擬實驗的設(shè)計與實現(xiàn)。此實驗突破傳統(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)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的實踐素養(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、功能強大。利用LabVIEW 設(shè)計的虛擬仿真實驗，在教學(xué)上，能通過仿真配合理論知識講述，改善授課的效率和學(xué)生的接受能力，課后學(xué)生能通過仿真實驗開展自主學(xué)習(xí)和研討，獨立的實驗則使學(xué)生能夠增進解決問題中的發(fā)散思維，這樣更能激發(fā)學(xué)生對課程知識的熱情和探索欲，提升創(chuàng)造力與創(chuàng)新意識。本文的設(shè)計實踐也為此后研究進展提供了一個可借鑒的有益思路。

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