基于LabVIEW的數(shù)字電路課程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

錢聲強(qiáng) 王 露 李 晴

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

基于LabVIEW的數(shù)字電路課程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

錢聲強(qiáng) 王 露 李 晴

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

為了克服實(shí)踐教學(xué)場地、課時(shí)數(shù)等對學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的限制，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電路課程實(shí)踐教學(xué)，開發(fā)了基于LabVIEW的數(shù)字電路課程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺，重點(diǎn)介紹了實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)。

虛擬儀器;LabVIEW;數(shù)字電路;遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

0 引言

隨著我國高職教育的不斷發(fā)展和深入，逐步強(qiáng)調(diào)對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)踐教學(xué)已成為高職教育一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。數(shù)字電路課程是我院電子類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，在課程的教學(xué)改革實(shí)施過程中，一體化項(xiàng)目教學(xué)方式的引入和學(xué)生人數(shù)的增多，使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量很難滿足學(xué)生的需求，這就對學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)場地等相應(yīng)配置提出了更高的要求。因此，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的概念作為一種有效的解決方案應(yīng)運(yùn)而生，將虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)、課堂教學(xué)中，開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)已成為課程改革的迫切需要。

美國Nl公司推出的虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，配以相應(yīng)測試功能的硬件作為信號輸入輸出的接口，完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺Lab-VIEW是一種圖形化編程語言，提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。LabVIEW還提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，使得編程者不再需要記憶紛繁復(fù)雜的語法和函數(shù)原型，從而使編寫程序的過程變得生動起來。

虛擬儀器作為一種集成了硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合平臺，同時(shí)兼?zhèn)淞烁咝Ш挽`活的開發(fā)特點(diǎn)，采用LabVIEW軟件開發(fā)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生通過虛擬前面板對電路進(jìn)行測試，可以生動直觀地顯示出元器件的特性及電路的輸出特性，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)理解和掌握數(shù)字電路的原理和功能。

1 平臺設(shè)計(jì)開發(fā)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

1)實(shí)驗(yàn)平臺硬件架構(gòu)?？紤]到整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)傳送量不大，需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程模擬仿真，系統(tǒng)考慮采用了瀏覽器/服務(wù)器(簡稱B/S)結(jié)構(gòu)、軟件共享的模式，客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器端的軟件程序，不涉及到硬件儀器設(shè)備的調(diào)用。程序僅運(yùn)行在服務(wù)器端，客戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問程序，并請求程序的控制權(quán)后進(jìn)行操作。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2)實(shí)驗(yàn)平臺軟件架構(gòu)。數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)通常分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谑箤W(xué)生掌握邏輯電路的功能、特點(diǎn)及其使用方法等;設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)主要是培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是對課堂理論知識的驗(yàn)證，利用LabVIEW軟件對數(shù)字邏輯電路仿真具有更形象、逼真、便捷的特點(diǎn)，可以考慮學(xué)生在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺上完成;設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)安排學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室動手實(shí)踐，將基于LabVIEW軟件開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺和傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)室的物理環(huán)境的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在發(fā)揮各自效益的同時(shí)有效地提高教學(xué)效果。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)該包括組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路實(shí)驗(yàn)，組合邏輯電路包括基本門電路、全加器、譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器、比較器實(shí)驗(yàn)，時(shí)序邏輯電路包括基本觸發(fā)器、RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、寄存器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺主界面如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺的Web發(fā)布

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺主界面

LabVIEW軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)互連特性，利用LabVIEW的遠(yuǎn)程前面板技術(shù)程序可以很方便地嵌入在HTML網(wǎng)頁中，并實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)布。VI程序運(yùn)行在服務(wù)器端，客戶端通過網(wǎng)頁瀏覽器登錄到已發(fā)布的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，與服務(wù)器上VI的前面板進(jìn)行交互控制完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。這種發(fā)布方式簡單易用，所有的程序均運(yùn)行于服務(wù)器，對于客戶端的要求較低。實(shí)驗(yàn)平臺的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布具體步驟主要如下:

1)配置Web服務(wù)器。首先在服務(wù)器端運(yùn)行LabVIEW，打開需要發(fā)布的VI程序，并且正確配置好Web服務(wù)器。配置選項(xiàng)位于主菜單的工具＇選項(xiàng)，在彈出的對話框中選擇“Web服務(wù)器:配置”，在切換的對話框中選擇“啟用Web服務(wù)器”，設(shè)置包括發(fā)布HTML的根目錄、HTTP端口(默認(rèn)80)、使用記錄文件等參數(shù)。

2)程序Web發(fā)布。設(shè)置Web服務(wù)器參數(shù)后，就可以將VI以網(wǎng)頁形式發(fā)布出去。點(diǎn)擊主菜單工具“Web發(fā)布工具”，在彈出的對話框中設(shè)置VI名稱、查看模式，輸入文檔標(biāo)題和頁眉頁腳備注信息等，最后點(diǎn)擊保存至磁盤即完成發(fā)布。

3)遠(yuǎn)程訪問VI面板。完成程序遠(yuǎn)程發(fā)布后，客戶端可以用瀏覽器訪問控制遠(yuǎn)程的VI了，在IE或其他瀏覽器地址欄輸入服務(wù)器的IP地址http://服務(wù)器IP地址:端口/VI程序名稱.htm。其中，端口為配置Web服務(wù)器時(shí)設(shè)置的HTTP端口，VI程序名稱則為服務(wù)器發(fā)布的VI名，即為存儲的HTM文件名。

通過網(wǎng)頁瀏覽器連接遠(yuǎn)程VI面板時(shí)，若本機(jī)已經(jīng)安裝了相同版本的LabVIEW，用戶可以在本機(jī)的LabVIEW開發(fā)環(huán)境中連接遠(yuǎn)程VI面板，在新建的VI中，選擇操作“連接遠(yuǎn)程前面板”選項(xiàng)，在彈出的對話框中輸入服務(wù)器端地址、端口和VI名稱，選擇是否要求控制，點(diǎn)擊連接按鈕，客戶端與服務(wù)器端的連接就建立起來了。若本機(jī)沒有安裝LabVIEW Run-Time引擎，那么網(wǎng)頁首次連接時(shí)會自動從NI網(wǎng)站下載該引擎并安裝，首次連接成功后，以后就不用再下載該引擎了。圖3為遠(yuǎn)程面板連接示意圖。

圖3 遠(yuǎn)程VI面板連接

2 實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)行結(jié)果

學(xué)生通過任意一臺連接到Internet的計(jì)算機(jī)，經(jīng)瀏覽器訪問數(shù)字電路遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺網(wǎng)站，在主頁上點(diǎn)擊選擇要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過點(diǎn)擊操作虛擬實(shí)驗(yàn)面板上旋鈕、開關(guān)等控件，觀察輸出顯示結(jié)果，學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從而完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。例如JK觸發(fā)器實(shí)驗(yàn)(如圖4所示)，選擇主界面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在彈出的虛擬操作面板上，學(xué)生通過點(diǎn)擊S、R按鈕設(shè)置J、K輸入端，時(shí)鐘頻率和占空比，觀察JK觸發(fā)器的動態(tài)輸出端Q的波形，并對照J(rèn)K觸發(fā)器的功能真值表和芯片引腳圖，學(xué)習(xí)總結(jié)JK觸發(fā)器的邏輯功能。整個(gè)學(xué)習(xí)過程直觀生動，有助于學(xué)生更好地理解JK觸發(fā)器的功能。圖5所示為JK觸發(fā)器仿真實(shí)驗(yàn)子VI程序框圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)行界面和結(jié)果

圖5 JK觸發(fā)器實(shí)驗(yàn)子VI程序框圖

3 結(jié)束語

數(shù)字電路課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺具有高效、開放、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，借助LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能和強(qiáng)大的信號分析處理能力、生動友好的界面設(shè)計(jì)，為學(xué)生提供一個(gè)課外學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。學(xué)生從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本地得到的完全相同，如同在實(shí)驗(yàn)室操作真實(shí)儀器設(shè)備，這種方式大大提高了課程實(shí)踐教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性，克服了場地、課時(shí)數(shù)等對學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的限制，是教師教學(xué)的演示工具、學(xué)生自學(xué)和提高的得力助手和導(dǎo)師。同時(shí)，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺也提供了高校之間信息交流的互動平臺，通過互學(xué)互幫方式有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合水平。

［1］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:336-340.

［2］童剛.虛擬儀器實(shí)用編程技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:169-172.

［3］陳益民，許建龍，等.基于LabVIEW的測控技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2009(4):41-42.

［4］呂紅英，吳先球，等.LabVIEW環(huán)境下電磁學(xué)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006(6):634-637.

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The Development of the Digital Circuit Courses Remote Experimental Platform Based on LabVIEW

QIAN Sheng-qiang WANG Lu LI Qing
(School of Electronic and Electrical Engineering，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

In order to overcome the limit for practice capacity training of students such as the practical teaching place and teaching hours，the virtual instrument technology is used in digital circuits course of practice teaching.The digital circuit courses remote experimental platform based on LabVIEW is developed.The article focuses on the design and realization of experimental platform.

virtual instrument;LabVIEW;digital circuit;remote experiment

G 434

B

1672-2434(2010)01-0063-03

2009-11-20

錢聲強(qiáng)(1979-)，女，講師，從事研究方向:虛擬儀器技術(shù)、測控技術(shù)