基于LabVIEW 與Access 的虛擬實(shí)驗教學(xué)系統論文
1 虛擬實(shí)驗教學(xué)系統總體框架
虛擬實(shí)驗教學(xué)系統的研發(fā)采用模塊化設計思想，根據系統的功能實(shí)現劃分為登錄模塊和實(shí)驗模塊。
系統應用教育電子身份號( e2 ID) 實(shí)現系統用戶(hù)的實(shí)名制。e2 ID 是教育管理部門(mén)根據個(gè)人基礎信息和隨機數生成的標識碼，可以在設定用戶(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)身份驗證后才能夠使用系統各項功能，這樣不僅保護了系統的私有數據，也給整個(gè)實(shí)驗教學(xué)系統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)驗的成績(jì)、并選擇實(shí)驗自行開(kāi)啟操作演練，實(shí)驗完成后還可將實(shí)驗結果的分析報告進(jìn)行保存和提交。此外，還可以對系統提出建議，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)驗操作的例程設置，使實(shí)驗選擇不至于局限，從而開(kāi)拓加強系統學(xué)習應用領(lǐng)域中學(xué)生才能的廣泛發(fā)揮和展現空間。特別指出的是，LabVIEW 內部有大量的用于信號處理的分析函數，因此尤其適合《信號與系統》、《數字信號處理》和《通信原理》等課程的虛擬實(shí)驗項目開(kāi)發(fā)，本系統的實(shí)驗模塊采用可擴展設計，并以信號調制解調實(shí)驗為例介紹實(shí)驗模塊的設計與實(shí)現。
2 用戶(hù)登錄與管理模塊的設計與實(shí)現
2.1 LabVIEW 與數據庫
系統可以訪(fǎng)問(wèn)數據庫來(lái)實(shí)現用戶(hù)登錄及管理，但是LabVIEW 本身并不具備數據庫訪(fǎng)問(wèn)功能，通常利用其擴展工具包來(lái)解決這一問(wèn)題。研究可知，常規情況下可使用以下5種方式實(shí)現LabVIEW 與數據庫的連接。具體論述如下。
1) 利用NI 公司的附加工具包LabVIEW SQL Toolkit 進(jìn)行數據庫的訪(fǎng)問(wèn); 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的數據庫操作和一些高級的數據庫訪(fǎng)問(wèn)功能。不僅功能強大，操作簡(jiǎn)單，而且也不需要學(xué)習SQL 語(yǔ)法，但卻需要額外購買(mǎi)，價(jià)格昂貴，將會(huì )增加系統成本。
2) 利用LabVIEW 的ActiveX 功能，調用Microsoft ADO 控件，選用SQL 語(yǔ)言實(shí)現數據庫的訪(fǎng)問(wèn); 使用這種方法需要用戶(hù)對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)由復雜的編程才能獲得實(shí)現，這對于大多數用戶(hù)來(lái)說(shuō)也是不現實(shí)的。
3) 通過(guò)調用動(dòng)態(tài)鏈接庫( dynamic link library ，DLL) 實(shí)現數據庫訪(fǎng)問(wèn)，先編寫(xiě)DLL，再利用LabVIEW 的調用庫函數節點(diǎn)( calling function node ，CLFN) 調用此DLL 訪(fǎng)問(wèn)數據庫。該方法的執行過(guò)程需要配合以復雜繁瑣的編程，因而不利于非專(zhuān)業(yè)編程人員設定功能的預期達成。
4) 利用中間文件存取數據。先將數據暫時(shí)存放在開(kāi)發(fā)平臺中的文件夾，待仿真結束后再用專(zhuān)門(mén)的軟件工具將數據導入到數據庫中。這種方法操作過(guò)程繁復，并不利于使用。
5) 利用第三方開(kāi)發(fā)的免費工具包LabSQL 來(lái)進(jìn)行數據庫的訪(fǎng)問(wèn)。LabSQL 進(jìn)行數據庫訪(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)現的。也就是，將其轉換為許多對應的LabSQL Vis，簡(jiǎn)單易用。綜上分析比較可得，本文設計的數據庫訪(fǎng)問(wèn)是采用免費的工具包LabSQL 來(lái)支持實(shí)現的。因其不僅能免費獲取，應用簡(jiǎn)單便捷，同時(shí)，幾乎還可以對任何類(lèi)型數據庫設計配備查詢(xún)或操作，實(shí)用性強，為教學(xué)系統研發(fā)提供理想工具便利。
本文采用的是Access 數據庫。在使用LabSQL 之前. 首先需要在Windows 操作系統的控制面板中，調用“ODBC 數據源管理器”創(chuàng )建的Access 類(lèi)型的MDB 數據庫。
在登錄系統中很多時(shí)候都要用到數據庫連接，因此將其作為一個(gè)獨立的VI，首先創(chuàng )建connection 對象，然后利用ADOConnection Open.vi 建立與數據庫的有效連接，“DSN=mydb”，并調用SQL 獲取數據庫中的全部信息，最后引用ADOConnection Close.vi 關(guān)閉與數據庫之間的連接。
2.2 用戶(hù)權限
用戶(hù)登錄系統中設置有用戶(hù)權限，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)驗操作”、“用戶(hù)管理”、“修改密碼”、“退出管理”等功能項目，而登錄賬號的權限是普通用戶(hù)時(shí)，“用戶(hù)管理”這個(gè)事件結構屬性將設置為不可見(jiàn)，從而將不會(huì )具有“用戶(hù)管理”這一項功能操作。
2.3 用戶(hù)登錄
用戶(hù)登錄與管理系統的主程序利用事件結構，分別建立“用戶(hù)登錄”、“用戶(hù)名”、“用戶(hù)密碼”、“進(jìn)入系統”、“用戶(hù)管理”、“修改密碼”、“退出系統”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、密碼和數據庫的數據匹配，則進(jìn)入登陸后主界面; 反之如果用戶(hù)名、密碼和數據庫的數據并不匹配，系統將出現“您輸入的用戶(hù)名或密碼錯誤，請重新輸入”的錯誤提示。
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)權限”、“登錄次數”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，界面內容如圖4 所示。能夠對數據庫建立相關(guān)操作，其功能實(shí)現分別有“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)就能轉入編輯，不僅能對用戶(hù)名密碼進(jìn)行編輯，還能對其用戶(hù)權限開(kāi)展監控修改。當點(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)現也是通過(guò)事件結果，和用戶(hù)登錄系統的編程方式類(lèi)似。至此，已經(jīng)實(shí)現了一個(gè)基本的用戶(hù)登錄管理系統。本程序采用了LabVIEW 程序開(kāi)發(fā)中常用的模塊化結構，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。
還需提及，在程序的主界面有“修改密碼”這一類(lèi)項，單擊“修改密碼”，程序將調用“輸新密碼”子VI，在此程序設定中，采用了條件結構，具體就是利用SQL 命令“請輸入你的新密碼=‘’”修改密碼，只有當輸入2 次的密碼完全一致時(shí)，才能符合條件“真”更新數據庫。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)，可直接在此處執行修改; 而當普通用戶(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)驗模塊的設計與實(shí)現
本文將實(shí)驗進(jìn)行模塊化設計，利用事件結構實(shí)現子程序的調用，使實(shí)驗模塊操作更加簡(jiǎn)潔容易。系統的實(shí)驗模塊采用可擴展設計，可在實(shí)驗模塊上增加任意課程所需的虛擬實(shí)驗，強化教學(xué)系統實(shí)驗教學(xué)的廣闊適用性。登錄管理模塊與實(shí)驗模塊之間的控制表現為核心與從屬的關(guān)系，通過(guò)主界面單擊“實(shí)驗操作”，能進(jìn)入虛擬實(shí)驗操作界面。同時(shí)各模塊之間又存在相互獨立性，實(shí)驗模塊可進(jìn)行各自分離的擴展設計。下面將以信號調制解調實(shí)驗為例介紹實(shí)驗模塊的設計與實(shí)現全過(guò)程。
調制解調，是調制和解調的合稱(chēng)。本調制解調實(shí)驗限定采用4 種調制方式，分別為振幅調制( AM 調制) 、雙邊帶調制( DSB 調制) 、單邊帶調制( SSB 調制) 、殘留邊帶調制( VSB 調制) 。其中，振幅調制就是雙邊帶調制，即將調制信號疊加直流后再與載波相乘的調制方式，如果在振幅調制中不疊加直流分量，便得到功率利用效應頗佳的雙邊帶調制方法。
此外，還有單邊帶調制方法——僅傳輸雙邊帶信號的一個(gè)邊帶( 上邊帶或下邊帶) 調制，及殘留邊帶調制方法——不像單邊帶調制那樣，將產(chǎn)生的雙邊帶已調信號的其中一個(gè)邊帶完全濾掉，而是逐漸切割，使其中一小部分得以殘留。殘留邊帶調制既解決了DSB 調制所出現的占用頻帶寬的問(wèn)題，又克服了SSB 調制中邊帶濾波器難以達到理想濾波器的缺點(diǎn)。調制解調虛擬實(shí)驗的LabVIEW 編程主要利用條件結構，通過(guò)旋鈕的2、3、4、5 來(lái)切換AM 調制、DSB 調制、SSB 調制、VSB 調制等不同調制方式。同時(shí)，為了方便教學(xué)，在實(shí)驗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 )呈現此實(shí)驗的基本知識和實(shí)驗原理，以及操作實(shí)驗流程等詳細的內容信息，能夠清晰助益學(xué)生對知識及實(shí)驗主題的掌控與理解。在實(shí)驗報告中寫(xiě)下相關(guān)結論，點(diǎn)擊實(shí)驗報告保存按鈕，就會(huì )在報告中生成實(shí)驗圖像，生成一份完整的實(shí)驗報告。
4 結束語(yǔ)
本文基于LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境與Access 數據庫構建了一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗教學(xué)系統。通過(guò)對LabVIEW 的編程與數據庫技術(shù)的分析，采用LabSQL 訪(fǎng)問(wèn)Access 數據庫的方法實(shí)現了用戶(hù)登錄與管理功能，從而提高系統的安全性，方便用戶(hù)操作。本文最后還展示了實(shí)驗模塊中信號調制解調虛擬實(shí)驗的設計與實(shí)現。此實(shí)驗突破傳統的理論教學(xué)，通過(guò)虛擬仿真，便利同學(xué)觀(guān)察調制解調的波形，加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐素養和綜合技能。
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、功能強大。利用LabVIEW 設計的虛擬仿真實(shí)驗，在教學(xué)上，能通過(guò)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(guò)仿真實(shí)驗開(kāi)展自主學(xué)習和研討，獨立的實(shí)驗則使學(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。本文的設計實(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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