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基于LabVIEW 與Access 的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)論文
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)的研發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)劃分為登錄模塊和實(shí)驗(yàn)?zāi)K。
系統(tǒng)應(yīng)用教育電子身份號(hào)( e2 ID) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶(hù)的實(shí)名制。e2 ID 是教育管理部門(mén)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(hù)實(shí)名制的同時(shí)保障用戶(hù)的隱私。e2 ID 用戶(hù)在通過(guò)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。用戶(hù)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(hù)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(kù)
系統(tǒng)可以訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)登錄及管理，但是LabVIEW 本身并不具備數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)功能，通常利用其擴(kuò)展工具包來(lái)解決這一問(wèn)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(kù)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(kù)的訪(fǎng)問(wèn); 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(kù)操作和一些高級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)功能。不僅功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，而且也不需要學(xué)習(xí)SQL 語(yǔ)法，但卻需要額外購(gòu)買(mǎi)，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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn); 使用這種方法需要用戶(hù)對(duì)Microsoft ADO 控件以及SQL 語(yǔ)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(hù)來(lái)說(shuō)也是不現(xiàn)實(shí)的。
3) 通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)( dynamic link library ，DLL) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)，先編寫(xiě)DLL，再利用LabVIEW 的調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)( calling function node ，CLFN) 調(diào)用此DLL 訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。該方法的執(zhí)行過(guò)程需要配合以復(fù)雜繁瑣的編程，因而不利于非專(zhuān)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(kāi)發(fā)平臺(tái)中的文件夾，待仿真結(jié)束后再用專(zhuān)門(mén)的軟件工具將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種方法操作過(guò)程繁復(fù)，并不利于使用。
5) 利用第三方開(kāi)發(fā)的免費(fèi)工具包LabSQL 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)。LabSQL 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)實(shí)際是利用Microsoft ADO和SQL 語(yǔ)言將繁雜的低層操作通過(guò)封裝來(lái)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(kù)訪(fǎng)問(wèn)是采用免費(fèi)的工具包LabSQL 來(lái)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(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)配備查詢(xún)或操作，實(shí)用性強(qiáng)，為教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)提供理想工具便利。
本文采用的是Access 數(shù)據(jù)庫(kù)。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(lèi)型的MDB 數(shù)據(jù)庫(kù)。
在登錄系統(tǒng)中很多時(shí)候都要用到數(shù)據(jù)庫(kù)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ADOConnection Open.vi 建立與數(shù)據(jù)庫(kù)的有效連接，“DSN=mydb”，并調(diào)用SQL 獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的全部信息，最后引用ADOConnection Close.vi 關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接。
2.2 用戶(hù)權(quán)限
用戶(hù)登錄系統(tǒng)中設(shè)置有用戶(hù)權(quán)限，分別為管理員用戶(hù)和普通用戶(hù)。進(jìn)一步地，管理員用戶(hù)登錄后的主界面包括“實(shí)驗(yàn)操作”、“用戶(hù)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(hù)時(shí)，“用戶(hù)管理”這個(gè)事件結(jié)構(gòu)屬性將設(shè)置為不可見(jiàn)，從而將不會(huì)具有“用戶(hù)管理”這一項(xiàng)功能操作。
2.3 用戶(hù)登錄
用戶(hù)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(hù)登錄”、“用戶(hù)名”、“用戶(hù)密碼”、“進(jìn)入系統(tǒng)”、“用戶(hù)管理”、“修改密碼”、“退出系統(tǒng)”等7 個(gè)子事件。
利用用戶(hù)名和用戶(hù)密碼進(jìn)行用戶(hù)登錄。如果用戶(hù)名、密碼和數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)匹配，則進(jìn)入登陸后主界面; 反之如果用戶(hù)名、密碼和數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)并不匹配，系統(tǒng)將出現(xiàn)“您輸入的用戶(hù)名或密碼錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入”的錯(cuò)誤提示。
用戶(hù)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(hù)的基本信息，包括“用戶(hù)名”、“用戶(hù)權(quán)限”、“登錄次數(shù)”以及上次登錄的時(shí)間。
2.4 用戶(hù)管理
管理員用戶(hù)點(diǎn)擊用戶(hù)管理，程序會(huì)打開(kāi)“用戶(hù)管理”主界面，界面內(nèi)容如圖4 所示。能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)建立相關(guān)操作，其功能實(shí)現(xiàn)分別有“增加用戶(hù)”、“刪除用戶(hù)”、“退出管理”進(jìn)行用戶(hù)增減。同時(shí)，雙擊用戶(hù)就能轉(zhuǎn)入編輯，不僅能對(duì)用戶(hù)名密碼進(jìn)行編輯，還能對(duì)其用戶(hù)權(quán)限開(kāi)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(hù)管理的功能實(shí)現(xiàn)也是通過(guò)事件結(jié)果，和用戶(hù)登錄系統(tǒng)的編程方式類(lèi)似。至此，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本的用戶(hù)登錄管理系統(tǒng)。本程序采用了LabVIEW 程序開(kāi)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(hù)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(lèi)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(kù)。而后延時(shí)100 ms，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(hù)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(hù)忘記了密碼，則需聯(lián)系管理員來(lái)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(guò)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)行各自分離的擴(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(guò)程。
調(diào)制解調(diào)，是調(diào)制和解調(diào)的合稱(chēng)。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) 。其中，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(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(wèn)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(guò)旋鈕的2、3、4、5 來(lái)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(shuō)明信息和使用說(shuō)明2 個(gè)按鈕，其中內(nèi)嵌了2 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(xiě)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。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文基于LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境與Access 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)LabVIEW 的編程與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的分析，采用LabSQL 訪(fǎng)問(wèn)Access 數(shù)據(jù)庫(kù)的方法實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)登錄與管理功能，從而提高系統(tǒng)的安全性，方便用戶(hù)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(guò)虛擬仿真，便利同學(xué)觀(guān)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(kāi)發(fā)的首選開(kāi)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(guò)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(guò)仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(wèn)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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