基于LabVIEW的网络化虚拟仪器实验与教学管理系统的设计

与教学管理系统的设计

（丽水学院计算机与信息工程学院，浙江丽水323000）

摘要：介绍了虚拟仪器在实验教学中应用的先进性和必要性，详细阐述了基于LabVIEW 的网络

化虚拟仪器实验教学管理系统的实现方法。通过建立虚拟仪器实验系统，结合数据库和网络技术建立数据库，开发网络化的虚拟实验管理系统，充分发挥了虚拟仪器的优势，最大限度地实现了硬件资

源共享。以一个用当今流行的虚拟仪器开发软件LabVIEW 开发的虚拟仪器实验系统为例，

分析了网络化的虚拟仪器在实验教学中的优势。

关键词：LabVIEW ；虚拟仪器；实验管理系统

中图分类号：TP311.5文献标志码：A 文章编号：1008-6749（2009）02-0073-05

A Design of Networked Virtual Instruments Experiment and

Teaching Management System Based on LabVIEW

Ling Feng

（College of Computer and Information Engineering ，Lishui University ，Lishui Zhejiang 323000，China ）

Abstract ：This paper introduces the advantage and necessity of the use of virtual instrument (VI)in experiment teaching ，and elaborates how to establish a networked VI experiment teaching management system based on LabVIEW.Through the creation of VI experimental system ，combining database and network technology ，the establishment of databases ，a networked VI experiment teaching management system can be developed and given full play to the advantages of VI ，and has maximized the sharing of hardware resources.This paper uses a VI experimental system developed by a popular software LabVIEW as an example ，analyzes the advantages the networked VI has in experiment teaching.

Key words ：LabVIEW ；virtual instrument (VI)；experimental management system

收稿日期：2008-11-14

作者简介：（1982—），男，浙江松阳人，助理实验师，硕士生。

在计算机和网络时代，利用计算机和网络技术改进传统的实验教学模式，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物。虚拟仪器Virtual Instrument(简称VI)作为当前自动化仪表领域研究的热点，正日益受到人们的广泛关注。高等院校，肩负着为国家培养创新型人才的重任，但是目前，在中国许多高等院校中使用的教学实验仪器，大多数仍然是相当落后的传统仪器，价格昂贵、更新慢、功能不可自定义。为了改革实验教学方法、降低设备成本、提高设备利用率，把虚拟仪器引入实验教学已成为一种新的趋势。

丽水学院学报JOURNAL OF LISHUI UNIVERSITY 第31卷第2期

Vo1.31No.22009年4月Apr.2009

虚似巴特沃斯滤波

虚似双通道示波器

虚似信号发生器

虚似电压表

数字I/O

计数器

其它虚似仪器学生实验电路板←————————→数据采集卡←——————→实验数据实验管理系统

1

基于LabVIEW 的虚拟仪器1.1虚拟仪器虚拟仪器（Virtual Instrument ），是指以计算机（主要是PC 机）为核心，将计算机和测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器屏幕面板的测量仪器。“虚拟”可以从2方面来理解：其一，传统仪器中的部分硬件被软件所代替，但功能依然存在；其二，改变软件即可改变仪器功能，从而用同一套硬件系统可实现多种传统仪器的功能。因此，虚拟仪器能最大限度的满足各种测量系统的需要，可以很方便地通过修改软件来修改或增减仪器的功能，从而真正体现了“软件就是仪器”这一新概念。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，包括数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示3部分[1]。

1.2虚拟仪器开发软件LabVIEW

LabVIEW 是一个图形化的开发环境，带有大量的内置功能，能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务。利用LabVIEW ，还可以通过因特网、ActiveX 、DLL 、共享库、SQL 、TCP/IP 、XM L 、OPC 、无线通讯或其它方式与不同的应用程序建立连接。使用LabVIEW 开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI 。VI 包括3个部分：程序前面板、框图程序和图标/连接器。程序前面板用于设置输入控制数值和观察输出量，模拟真实仪表的面板。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW 图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。图标/连接器是子VI 被其它VI 调用的接口[2]。

2实验系统的网络化和虚拟化

随着学校规模的不断扩大，结合数据库技术和网络技术建立一套实验管理系统是非常必要的。计算机网络技术与虚拟仪器技术的发展与结合，可以进一步拓宽虚拟仪器的应用，将其应用到测试自动化、远程教学等领域[3]。LabVIEW 集成了强大的网络编程功能，在基于虚拟仪器的实验室中，核心平台是计算机，而各种应用程序都有通用的数据库接口，这使得基于LabVIEW 开发虚拟仪器网络实验管理系统变得可行。在适当的网络体系结构和服务管理模式下，学生可以进行远程实验、异地合作等。实验管理系统是一个基于网络的自动化信息系统，对用户信息、具体实验数据进行有效的管理，实时地记录用户实验的全过程，方便学生上交实验报告，方便实验教师管理实验、批阅实验报告，学生也可以随时随地（有计算机和网络的地方）的进行实验，使实验室实现真正意义上的完全开放。

2.1网络化的虚拟实验系统的结构设计

在本方案中，实验室部分主要以PC 或工作站作为其硬件平台的核心部分，USB 接口的双通道的数据采集卡主要完成被测输入信号的采集和传输，前端再加上信号调理电路完成对信号的放大或衰减。上位机应用软件开发环境采用LabVIEW8.0作为开发平台。

在LabVIEW 平台上进行虚拟仪器开发，利用Tomcat 应用服务器进行网页发布，后台使用MySQL 数据库进行数据管理。学生在实验过程中，利用LabVIEW 所开发的虚拟仪器，将实验数据及波形实时地写入本地机器的文件中。整个系统结构如图1所示。

图1基于LabVIEW 的虚拟实验室系统结构丽水学院学报74

2009年

2.2实验室系统的组网模式

网络为虚拟实验室的实现提供了一种基础平台，组网模式一般有C/S 模式和B/S 模式，本方案采用后者。基于Web 的浏览器/服务器（B/S ）模式是实现网上虚拟实验室的一种基本模式（如图2所示）。

B/S 模型是为了方便用户在Web 下发布数据，它的主要工作在于服务器端程序的开发，不存在客户端程序的开发和维护。学生从学生客户端登陆进入实验，在实验进行的过程中，利用LabVIEW 强大的文件读写功能，将实验数据及波形实时地写入本地机器的文件中。实验完成时学生按照实验要求填写实验数据，上传实验波形，提交实验报告给应用服务器；后台M ySQL 数据库配合JSP 实现实验管理。

2.3实验管理系统功能模块及其介绍

本实验室管理系统功能模块设计如图3所示。

图2网上虚拟实验室的实现模式图3虚拟实验管理系统功能模块

（1）用户权限设置。实验管理系统用户分为4类：高级管理员、实验管理员，实验指导教师和学生。高级管理员是最高一级的管理员，他保证系统的正常运行，负责数据库中相应表格的创建，他可以添加或删除学生账号、实验管理员账号、教师账号，同时还具有实验管理员的所有权限。实验室管理人员按照实验指导教师的要求负责创建实验、删除实验，可以查看所有实验的完成情况。实验指导教师仅能查看自己所授课程的实验完成情况，负责检查本班学生的实验完成情况，批阅实验报告并给出成绩。学生用户根据自己所选课程完成相应的实验，学生仅能查看自己的实验完成情况和成绩，允许根据完成情况选择重做该实验。

（2）当前数据库备份。系统采用MySQL 数据库。高级管理员对该系统的数据库进行备份，在系统崩溃时保证数据不会丢失。

（3）创建表格。数据库中用于用户管理的表格属于基本表格，高级管理员在该系统投入使用之前应当将其创建好，以便对不同用户的身份进行验证。本系统中设计的基本表格有5个：administrator 表、student 表和teacher 表，分别用于存储管理员信息、学生信息和教师信息；exp_list 表用于存储实验信息；score 表用于存储学生的实验成绩。

（4）文件管理。学生可以提交任何格式的文件到服务器，将学生提交的文件保存在C ：\\Program Files\\Apache Software Foundation\\lab admindata\\exp result 目录中，每个学号对应一个子目录，子目录下保存该学生不同实验的实验信息。

（5）学生名单导入。数据库student 表中，由于学生用户较多，单独创建学生账号来增加student 表中的记录工作量很大。MySQL 提供了批量装载数据的方法，指令格式如下：“load data local infile "文件名"into table “表名”；”该语句读取位于客户机上当前目录中数据文件中的内容，并将其发送到服务器装入相应的表格

。

第2期

75：基于LabVIEW 的网络化虚拟仪器实验与教学管理系统的设计

（6）账号管理。由于实验指导教师和管理员人数不多，教师账号、管理员账号可以由高级管理员从管理员页面动态的创建和删除，也可以从文件中批量转载到相应的表格中。

（7）实验管理。实验由管理员或高级管理员创建或删除，实验指导教师无权创建或删除实验。管理员可以从管理员页面动态的创建和删除，也可以从文件中批量转载到exp_list 表格中。

（8）数据查询。学生通过自己的学号作为账号登陆成功后，可以查看教师给出的成绩。实验指导教师根据给定的账号登陆成功后，可以检查自己学生的实验完成情况，批阅实验报告，并给出实验成绩。管理员可以查看所有实验的完成情况。

2.4根据所选取的组网模式的特点，分别编写相应的子VI

LabVIEW 环境提供了丰富的网络编程方法和手段，为把虚拟仪器做到网络上提供了可靠、便利的技术支持。基于LabVIEW 设计虚拟仪器网络实验系统的主要工作，就是根据所选取的组网模式的特点，选用合适的网络编程工具箱，分别编写网络化虚拟仪器的前面板和程序框图。以下是作者开发的一个计算信号的频谱分量的VI ，其前面板和框图程序分别如图4和图5所示。

图4前面板

图5

框图程序

丽水学院学报762009年

LabVIEW 的Web Server ：Remote Panels 技术允许用户可以用极为简单的方式直接在本地（Client 端）

计算机上打开并操作位于远程（Web Server 端）

计算机上的VI 前面板，甚至可以将LabVIEW VIs 的前面板窗口嵌入到一个网页中并在网页中直接操作它。必须首先在Server 计算机上运行LabVIEW ，并配置Web Server 。Web Server 需要下面3个方面的配置：（1）文件路径和网络设置；（2）客户机访问权限设置；

（3）VIs 访问权限设置。

为了提供网页浏览器访问，必须在配置服务器时增加一步，利用选单栏中的Tools →Web Publish Tool 将网页发布出去。图6为Remote Panels 的发布示意图。

3虚拟实验系统

根据高校理工科教学的内容，作者开发了一系列基本的虚拟实验，如虚拟示波器、虚拟信号频谱分析仪、虚拟巴特沃斯滤波器等一系列虚拟仪器子VI ，共同构成一个虚拟仪器实验教学系统。系统界面如图7所示。

图6Remote Panels 的发布示意图图7虚拟仪器实验教学系统界面

虚拟实验系统内的实验内容，可以根据各院校开设的课程不同进行调整，教师可以自行设计实验内容，还可以布置实验项目给学生开发，整个过程生动自由，扩展性很强，这样一来，既能让学生深入了解专业课程的原理，又锻炼了学生的创新能力，增加他们对专业研究的兴趣。

4结束语

本实验管理系统的设计是利用USB 接口的数据采集卡采集信号，基于LabVIEW 可视化编程平台开发上位机虚拟仪器系统，提高了实验仪器设备的利用率。该实验管理系统能够采集学生实验过程中的各种测量数据(如一个放大器的静态工作点、输入电阻大小、输出电阻大小、带宽、电压、增益等)，以文本或图表的形式记录实验结果；实验原始数据通过实验管理系统被实时的提交到服务器上；学生通过该管理系统可以在现场或通过校园网提交实验报告；教师可以实时在网上查看学生的实验情况，提供实时指导，及时互动，有效地防止少数学生实验报告抄袭等不良情况，有利于老师更客观地给出实验成绩；实现了网络化管理，提高了高校实验管理水平，对高校的实验教学改革提出了一个切实可行的发展方向。

参考文献：

［1］杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW 程序设计与应用［M ］.第2版.北京：电子工业出版社，2005.

［2］张爱平.LabVIEW 入门与虚拟仪器［M ］.北京：电子工业出版社，2004.

［3］崔光佐，程旭，杨芙清.基于WWW 的网上虚拟实验室设计与实现［M ］.北京：高等教育出版社，1999.

［4］张洪生.基于网络的远程虚拟实验室［J ］.现代远程教育研究，2005（2）：76－

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