具有身份認(rèn)證的LabVIEW 虛擬實驗系統(tǒng)

蔣華勝， 林思宇， 周慶華

（長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 長沙410114）

0 引 言

電子技術(shù)作為二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，技術(shù)發(fā)展迅速，知識更新快［1］，高校開設(shè)的實驗課程落后于電子技術(shù)的進(jìn)步，實驗室也無法及時裝備滿足實驗教學(xué)所需要的儀器設(shè)備［2－3］。 實體實驗需要的儀器設(shè)備在數(shù)量逐年遞增的同時，投資也已日趨緊張，多數(shù)高校都難以全面滿足儀器設(shè)備附加的教學(xué)實驗要求［4］，同時在實體實驗操作時也會出現(xiàn)實驗設(shè)備老化，實驗時間多方受限等各種情況［5］。

因此，虛擬實驗應(yīng)時而生［6］。 虛擬實驗是指借助于計算機(jī)多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和虛擬儀器等技術(shù)來模擬實際實驗的各個操作環(huán)節(jié)［7］。 實驗者可以像在實際的實驗環(huán)境中操作實驗［8］。 虛擬實驗?zāi)軌虿皇軅鹘y(tǒng)實驗在時間和空間的限制［9］，無論是操作實驗的學(xué)生還是布置實驗的教師，都可以利用虛擬實驗系統(tǒng)，進(jìn)行具體實驗［10］。 虛擬實驗注重的是實驗操作的交互性和實驗結(jié)果的仿真性［11－12］。

然而，現(xiàn)有常見的虛擬實驗系統(tǒng)一般未實現(xiàn)身份認(rèn)證，不能基于學(xué)生的個人身份保存及載入試驗結(jié)果、生成個人的實驗報告，因此使用并不方便。 所以，本文基于LabVIEW 開發(fā)平臺構(gòu)建了一個具有身份認(rèn)證功能的虛擬實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別學(xué)生的個人身份，對個人實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行保存及載入。 同時，可以根據(jù)個人實驗結(jié)果生成word 格式的實驗報告。

1 虛擬實驗系統(tǒng)總體框架

虛擬實驗系統(tǒng)具有注冊賬號、賬號登錄、修改密碼、刪除賬號、虛擬實驗操作、實驗參數(shù)保存及載入和報告生成等功能。 用模塊化設(shè)計的思想，把虛擬實驗系統(tǒng)的功能實現(xiàn)劃分為賬號注冊模塊、賬號登錄模塊、賬號管理模塊、虛擬實驗?zāi)K、參數(shù)保存及載入模塊、報告生成模塊。

其中，賬號注冊模塊、賬號登錄模塊與賬號管理模塊用于學(xué)生的身份認(rèn)證和賬號操作。 學(xué)生可以通過賬號注冊模塊進(jìn)行賬號密碼的注冊。 通過賬號登錄模塊進(jìn)行身份認(rèn)證，通過賬號管理模塊修改賬號密碼和刪除賬號。 虛擬實驗?zāi)K、參數(shù)保存及載入模塊與報告生成模塊構(gòu)成實驗系統(tǒng)，在實驗系統(tǒng)中，學(xué)生可以通過虛擬實驗?zāi)K進(jìn)行虛擬實驗操作（本文具體以低通濾波實驗為例介紹了虛擬實驗?zāi)K的實現(xiàn)）。 參數(shù)保存與載入模塊可以保存實驗數(shù)據(jù)并根據(jù)需要進(jìn)行載入。 報告生成模塊可以根據(jù)實驗結(jié)果自動生成實驗報告。

2 功能模塊設(shè)計

2.1 賬號注冊模塊

賬號注冊功能是學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)并進(jìn)行實驗操作的關(guān)鍵，賬號注冊之后可以通過登錄進(jìn)入虛擬實驗系統(tǒng)。 首先，在賬號注冊界面輸入需要注冊的賬號與密碼，點擊注冊按鈕，賬號與密碼將會被保存到系統(tǒng)文件中，然后可以使用此賬號登錄虛擬實驗系統(tǒng)。

為了不泄露學(xué)生的賬號密碼，本系統(tǒng)保存的密碼是通過LabVIEW 內(nèi)置的MD5 函數(shù)進(jìn)行加密之后的數(shù)據(jù)。

本文MD5 加密過程：首先對“字符串輸入控件”輸入的信息進(jìn)行補(bǔ)位，對信息數(shù)據(jù)的長度進(jìn)行64 取余數(shù)；然后對MD5 參數(shù)進(jìn)行初始化處理，執(zhí)行四輪的四個非線性函數(shù)，共執(zhí)行64 步；再對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行級聯(lián)后，輸出MD5值。

2.2 賬號登錄模塊

賬號登錄程序是進(jìn)入虛擬實驗系統(tǒng)并進(jìn)行實驗操作的程序，其主要作用是實現(xiàn)學(xué)生身份的辨別。賬號登錄程序是通過2 個字符串輸入控件作為登錄賬號、密碼的輸入界面，通過輸入界面將已注冊的賬號與密碼填入對應(yīng)的位置，點擊確定按鈕，登錄程序開始運行。 賬號密碼識別程序如圖1 所示。 首先，輸入的賬號與密碼將會通過數(shù)據(jù)流傳輸?shù)脚袛喑绦蛑?，判斷程序會根?jù)輸入的賬號，按照一定的格式生成路徑字符串，路徑字符串通過字符串至路徑轉(zhuǎn)換控件，得到對應(yīng)賬號密碼數(shù)據(jù)信息的路徑，然后通過“讀取文本文件”控件讀取該路徑下的密碼信息。如果“讀取文本文件”控件返回了錯誤輸出，則表示輸入的賬號沒有經(jīng)過注冊或者賬號填寫錯誤，與錯誤輸出連接的條件結(jié)構(gòu)會執(zhí)行“錯誤”分支，彈出對話框提示“賬號錯誤”，點擊對話框的確定按鈕將會退出登錄程序。 如果通過控件讀取到了賬號的密碼信息，說明賬號已注冊并讀取密碼信息，與錯誤輸出連接的條件結(jié)構(gòu)會執(zhí)行“無錯誤”分支，將讀取的密碼信息與輸入的密碼數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 由于保存的密碼數(shù)據(jù)是經(jīng)過MD5 算法加密的數(shù)據(jù)，所以需要將輸入的密碼同樣進(jìn)行MD5 算法處理。 將進(jìn)行了MD5算法處理的密碼數(shù)據(jù)與讀取的密碼數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果2 個密碼數(shù)據(jù)相同，說明賬號與密碼無錯誤，登錄成功并進(jìn)入虛擬實驗系統(tǒng)；反之，說明密碼有錯誤，重新輸入。

圖1 賬號密碼識別流程Fig.1 The program diagram of account password identification

2.3 虛擬實驗?zāi)K

本文以低通濾波實驗為例介紹虛擬實驗項目的實現(xiàn)。 低通濾波程序如圖2 所示。 使用波形生成中的控件“基本函數(shù)發(fā)生器”產(chǎn)生信號。 通過創(chuàng)建信號發(fā)生器的各種輸入控件，可以控制基本函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生各種不同的基本信號。 使用基本函數(shù)發(fā)生器的信號類型輸入控件，可以選擇幾種不同的信號波形，通過頻率、幅值、相位、占空比和偏移量各個輸入控件可以改變產(chǎn)生波形的各種參數(shù)，獲得比較適宜的信號波形，為了能與噪聲信號相加，對信號波形加窗處理，通過hanning 窗處理的信號就可以直接與噪聲信號相加。 噪聲方面，虛擬實驗系統(tǒng)使用了信號生成中的高斯白噪聲作為噪聲源，可以通過標(biāo)準(zhǔn)差輸入控件控制高斯白噪聲產(chǎn)生噪聲信號的量。 將高斯白噪聲加入到信號波形得到可以進(jìn)行濾波處理的混合信號。 將混合信號輸入到條件結(jié)構(gòu)中，通過濾波器選擇控件可以選擇不同的低通濾波器進(jìn)行虛擬實驗，通過濾波器控件后就得到了濾波之后的信號。

圖2 低通濾波虛擬實驗程序圖Fig.2 The program diagram of low pass filter virtual experiment

2.4 參數(shù)保存及載入模塊

在虛擬實驗系統(tǒng)中，實驗過程中保存的參數(shù)是每個學(xué)生的個人數(shù)據(jù)，當(dāng)學(xué)生點擊保存參數(shù)按鈕時，參數(shù)保存與載入程序開始運行。 參數(shù)保存與載入程序工作過程如圖3 所示。 首先，通過學(xué)生的賬號，生成此賬號的個人數(shù)據(jù)保存路徑。 同時，通過VI 服務(wù)引用控件，創(chuàng)建VI 類的方法—控件值—獲取全部，獲取VI 中全部控件的設(shè)置參數(shù)。 然后將所有的設(shè)置參數(shù)使用控件“寫入二進(jìn)制文件”將二進(jìn)制數(shù)據(jù)保存到個人數(shù)據(jù)信息中。 讀取參數(shù)設(shè)置時，首先獲得對應(yīng)的個人數(shù)據(jù)信息文件的路徑，讀取二進(jìn)制數(shù)據(jù)，對二進(jìn)制數(shù)據(jù)解捆綁。 然后通過VI 服務(wù)引用控件，創(chuàng)建VI 類的方法—控件值—設(shè)置，將解捆綁的數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)置控件，就可以將保存的參數(shù)重新寫入對應(yīng)的參數(shù)位置。

2.5 報告生成模塊

首先根據(jù)實驗內(nèi)容創(chuàng)建一個word 模板。 將實驗原理、過程、結(jié)果等按照一定的格式排列。 并在模板文檔創(chuàng)建書簽，通過書簽將學(xué)生具體的實驗步驟與實驗結(jié)果插入到實驗報告中的特定位置。

實驗報告生成程序如圖4 所示。 首先，新建報表控件根據(jù)登錄賬號打開文件夾中的word 模板文檔，然后使用添加報表文本控件和添加控件圖像至報表控件，使用word 模板文檔中的書簽設(shè)置添加報表文本控件和添加控件圖像至報表控件的MS Office 參數(shù)，將實驗中的各個控件的設(shè)置參數(shù)以及波形圖保存到word 模板文檔中的對應(yīng)位置。 最后通過保存報表至文件控件，將保存的word 文檔保存到該賬號下的指定文件夾中。

圖3 實驗參數(shù)保存與讀取過程圖Fig.3 The program diagram of saving and reading experimental parameters

圖4 實驗報告生成過程圖Fig.4 The program diagram of experiment report generation

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)果

本實驗系統(tǒng)的低通濾波實驗操作面板如圖5 所示。 學(xué)生進(jìn)行實驗時，通過信號類型選擇控件可以選擇正弦波、方波、鋸齒波和三角波四種波形中的一種進(jìn)行實驗。 選擇波形后，可以使用頻率輸入控件改變波形的頻率，使用幅值輸入控件改變波形的幅值大小，使用相位輸入控件改變波形的初始相位，使用偏移量輸入控件使波形上下偏移，方波占空比輸入控件可以改變方波的占空比。 同時使用滑動桿控件可以控制混入高斯白噪聲的量。 通過各種參數(shù)的設(shè)置，就可以獲得比較適和濾波實驗的混合信號波形，然后進(jìn)行低通濾波實驗。 在低通濾波實驗中，低通濾波器實驗有兩種選擇，分別是巴特沃斯低通濾波器和契比雪夫低通濾波器。 學(xué)生可以通過面板上的控件選擇實驗的濾波器，通過輸入控件低通對濾波器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以設(shè)置的參數(shù)包括階數(shù)、采樣頻率和低截止頻率。 在濾波器實驗中，學(xué)生通過各個輸入控件改變?yōu)V波器參數(shù)，得到比較理想的濾波結(jié)果。

由于在實驗過程中，可能會出現(xiàn)一些突發(fā)狀況需要保存此次未完成的實驗數(shù)據(jù)，此時可以使用保存參數(shù)按鈕，保存當(dāng)前的參數(shù)設(shè)置信息，在下次實驗時，可以使用讀取參數(shù)按鈕獲得上次保存的參數(shù)設(shè)置信息。

完成虛擬實驗后，需要對實驗的結(jié)果進(jìn)行保存。學(xué)生只需要使用報告生成功能，實驗系統(tǒng)就會將實驗結(jié)果保存到模板文檔中的指定位置，得到實驗報告。 實驗報告如圖6 所示。

圖5 濾波器實驗的前面板Fig.5 The front panel of the filter experiment

圖6 生成的實驗報告Fig.6 Generated experiment report

4 結(jié)束語

本文基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建了一個基于身份認(rèn)證的虛擬實驗系統(tǒng)，并以虛擬實驗為例。 在虛擬實驗中，通過賬號注冊以及登錄實現(xiàn)身份認(rèn)證功能，在實驗操作過程中，可以將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，在實驗結(jié)束時可以自動生成word 文檔格式的實驗報告。 本實驗通過虛擬仿真，方便學(xué)生操作，便于學(xué)生觀察實驗結(jié)果。

由于篇幅的限制，本文的虛擬實驗?zāi)K僅介紹了低通濾波實驗項目，未來可擴(kuò)展更多的實驗項目。 同時，可以考慮將虛擬實驗與實際實驗相結(jié)合，實現(xiàn)虛實結(jié)合實驗。 在賬號管理方面，可以增加管理員賬戶，以方便對本系統(tǒng)的學(xué)生用戶及實驗?zāi)K進(jìn)行管理。