彭小平 凌雙明

【摘 要】高職院校電類實驗室軟硬件條件還比較薄弱，建設理念比較滯后，高職學生對“電類”課程理論知識的理解能力較差，傳統(tǒng)的實驗室存在實驗項目少，便攜性、可擴展性及創(chuàng)新性較差，并且設備容易損壞，需要專人管理，容易受時間和地域的限制不好開展遠程實驗和科研。而基于 NI LabVIEW 和NI ELVIS的網(wǎng)絡實驗室結合了網(wǎng)絡技術、虛擬儀器技術和信息化技術，配有相應的信號調理電路和外圍接口電路，組成了各種信號采集模塊為高職電類課程教學及課程改革提供了很好的支撐，能夠更好的培養(yǎng)學生的學習興趣、動手實踐和自主學習的能力。

【關鍵詞】NI LabVIEW；虛擬儀器技術；網(wǎng)絡型實驗室；實驗室建設

中圖分類號： TP274.2；TP3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0081-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.036

【Abstract】The software and hardware conditions of electrical laboratories in higher vocational colleges are still relatively weak，the construction concept is lagging behind， the students'ability to understand the theoretical knowledge of “electrical”courses is poor，the traditional laboratories have fewer experimental items，poor portability，scalability and innovation，and the equipment is easy to damage，which requires special management，easy to carry out.Limited time and geographical restrictions do not carry out remote experiments and scientific research.The network laboratory based on NI LabVIEW and NI ELVIS combines network technology，virtual instrument technology and information technology，equipped with corresponding signal conditioning circuit and peripheral interface circuit，constitutes a variety of signal acquisition modules for higher vocational electrical courses teaching and curriculum reform provides a good support，It can better cultivate students interest in learning，practice and self-learning ability.

【Key words】NI LabVIEW；Virtual instrument technology；Network laboratory；Laboratory construction

1 高職電類實驗室的建設現(xiàn)狀

隨著高等職業(yè)教育的迅速發(fā)展，高職院校的實驗室等基礎設施條件得到了大幅的提高，特別是沿海等經濟發(fā)達的省市實驗室建設得到了飛速發(fā)展，但中西部或經濟欠發(fā)達的省市的高職院校實驗室軟硬件條件還比較薄弱，同時實驗室建設理念也相對落后，其《電工技術》、《電子技術》、《傳感檢測技術》等電類實驗室實驗設備少、儀器老舊、完好率低、實驗項目少等現(xiàn)象比較突出，高職學生對一些電類實驗原理難以理解，教師在現(xiàn)有條件下開展課程教學信息化、教學做一體化等創(chuàng)新性課程改革也比較困難。而NI-LabVIEW直觀的圖形編程語言和運行平臺，突破了傳統(tǒng)儀器的局限，能比較容易滿足創(chuàng)新型教學活動的需求，實現(xiàn)儀器、軟件的共享。建設構建一個開放、共享、創(chuàng)新、虛擬化、信息化的NI LabVIEW實驗室，符合現(xiàn)代高職教育理念和高職師生教學活動的需要[1]。高職院校已經意識到LabVIEW在高職教育的重要性，如北京電子科技職業(yè)學院、常州信息職業(yè)技術學院等高職院校都組建了NI LabVIEW實驗室，在電工電子技術、電子測量技術等課程的實驗實踐環(huán)節(jié)中利用LabVIEW技術進行教學。虛擬儀器所具備靈活的交互特性和圖形化編程的形象特性，職業(yè)教育的專業(yè)建設、課程改革和學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面開啟了一個新的窗口。

2 網(wǎng)絡型NI LabVIEW 實驗室的特點

網(wǎng)絡型NI LabVIEW 實驗室利用網(wǎng)絡技術、虛擬儀器技術等信息化手段，突破時空的限制，實現(xiàn)教育實驗資源共享，為改革傳統(tǒng)的教學方法，提高教學水平和節(jié)約資金等方面具有重要的作用和意義。遠程虛擬實驗室的出現(xiàn)為高職院校實驗室建設帶來了新穎的設計理念，也為師生提供了一種更新的教學和實驗環(huán)境。利用網(wǎng)絡技術與虛擬儀器技術相結合的方法構建遠程虛擬實驗室，不僅能進行遠程測控還能實現(xiàn)資源共享，節(jié)省大量儀器設備經費，這些都是傳統(tǒng)實驗室無法比擬的特點和優(yōu)勢。虛擬儀器已經在發(fā)達國家的自動化生產及工程測控已經十分普及，越來越多的國內企業(yè)也采用虛擬儀器對自動化生產進行實時監(jiān)測和控制。高等職業(yè)院校需要建設虛擬實驗室來滿足培養(yǎng)企業(yè)所需要高技能測控人才的需要。

2.1 實驗室性價比高

因虛擬實驗室有裝配的不同的數(shù)據(jù)采集卡及相應的軟件，師生通過校園網(wǎng)或因特網(wǎng)來編程進行仿真實驗或遠程共享虛擬實驗室平臺來進行實時監(jiān)測實驗，實物實驗類似，根據(jù)實驗目標來設計實驗過程，對取得實驗結果進行分析，處理及總結。這樣的實驗可以多次重復，不斷調試，還可以調用多個實驗儀器，可以更好的避免失誤而損壞設備和元器件，降低了實驗損耗率，節(jié)約了成本，節(jié)約了準備儀器儀表元器件的時間，提高了實驗室效率和效益。

2.2 實驗室更加開放和易于管理

虛擬實驗室提供開放的實驗教學環(huán)境，師生可以根據(jù)自己的時間全天候進行實驗，不受時間和空間的限制，信息化的數(shù)據(jù)及實驗結果也更容易處理存儲和共享。遠程虛擬實驗室的還能實現(xiàn)儀器設備的資源共享，使得異地實驗、多實驗室協(xié)同進行大型實驗成為可能[3]。實驗室易于升級、更新和維護，當需要添加功能時，軟件可以安裝資源包或進行升級即可，由于儀器硬件比較少，所以日常維護比較簡單，費用較低。

2.3 有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識

實驗者不容易受到實驗儀器、器件等硬件條件的限制，可以更好的發(fā)揮軟件的功能來設計實驗，特別是高職的學生邏輯思維能力較差，圖像思維能力較好，學生可以根據(jù)想象力來編程，每個人的編程都不一定相同，更有利于培養(yǎng)高職學生的創(chuàng)新意識和編程能力，這也是傳統(tǒng)實驗室很難達到的。

3 高職院?！癗I LabVIEW實驗室”建設研究內容

3.1 高職院校電類專業(yè)“NI LabVIEW實驗室”建設總體方案研究

本課題將NI LabVIEW虛擬儀器技術、網(wǎng)絡通信技術相結合，研究設計可供師生或技術人員遠程操控使用的虛擬電子實驗室。實驗室開發(fā)對應開設課程需要的電類實驗項目，通過LabVIEW 軟件提供的遠程前面板技術的網(wǎng)絡發(fā)布功能。使用者采用瀏覽器方式或者“連接至遠程前面板”方式就能遠程操作實驗項目，使用更加靈活方便。遠程虛擬實驗室利用NI LabVIEW虛擬儀器技術、互聯(lián)網(wǎng)技術，將平臺所提供的虛擬儀器、實驗實訓項目放入建立的網(wǎng)站上。遠程用戶通過網(wǎng)絡瀏覽器，登錄到實驗平臺，選擇自己所要進行的實驗，輸入相應的實驗參數(shù)，觀察記錄自己的實驗數(shù)據(jù)，完成實驗并退出。遠程NI LabVIEW實驗室的網(wǎng)絡結構主要有兩種模式，一種是客戶端/ 服務器模式（C/S 模式），另一種是瀏覽器/ 服務器模式（B/S 模式）。B/S 模式下的用戶通過瀏覽器，向服務器發(fā)出請求，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問和應用程序的執(zhí)行，個人終端的客戶機上只需安裝一定的客戶軟件即可，簡化了系統(tǒng)設計難度并且降低了成本[2]。本系統(tǒng)軟件框架如圖1 所示，主要包括Web 服務器、應用程序服務器、客戶端三大部分。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2 所示，主要由傳感器、信號調理設備、數(shù)據(jù)采集卡、NI-ELVIS 實驗儀、應用服務器、Web 服務器等組成。

3.2 Lab VIEW 與數(shù)據(jù)庫連接方法

Lab VIEW 與數(shù)據(jù)庫連接通過訪問ODBC來實現(xiàn)，ODBC 是數(shù)據(jù)庫與應用程序之間的一個公共接口ODBC（Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫互連），它是微軟公司開放服務數(shù)據(jù)庫的一個構件，其提供了訪問數(shù)據(jù)庫的標準API接口（應用程序編程接口），可通過SQL語言編程來實現(xiàn)通訊，ODBC 也支持SQL語言編程。ODBC對數(shù)據(jù)庫的操作不直接與DBMS進行交互，Access、MYSQL、Oracle等數(shù)據(jù)庫可以通過對ODBC API進行訪問。ODBC的最大優(yōu)勢能按照統(tǒng)一方式來訪問數(shù)據(jù)庫，但是直接使用ODBC API并不方便，微軟公司后來又開發(fā)出ADO、DAO、RDO數(shù)據(jù)庫對象模型，使訪問數(shù)據(jù)庫的開發(fā)程序變得更加簡單。ADO、RDO 和 DAO這些模型只需安裝ODBC 驅動就可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。LabVIEW與 Web通訊提供了底層支持，其具體實施方法如下：建立數(shù)據(jù)源之前，首先下載并安裝MYSQL數(shù)據(jù)庫的驅動，通過在Windows 控制面板的ODBC 建立 MYSQL 的數(shù)據(jù)源，并定義數(shù)據(jù)庫的名稱。 再安裝Lab SQL插件， Lab VIEW 軟件自身不帶訪問數(shù)據(jù)庫的工具，所以需要安裝Lab SQL 插件，Lab SQL 的 ADO 的三種對象類型分別是 Command、Connection、Recordset。其中Command 用來實現(xiàn)基本的 ADO 操作，Connection實現(xiàn)管理 Lab VIEW 與數(shù)據(jù)庫之間的連接，Recordset 主要用于對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行各種操作。最后通過 Lab VIEW 創(chuàng)建一個VI，在 LabVIEW 的工具欄里使用 Lab SQL 的 ADO 三類對象與 MYSQL 交互，并把數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)在Lab VIEW 的虛擬儀器上顯示出來，從而達到了 LabVIEW 訪問數(shù)據(jù)庫的目的，其數(shù)據(jù)庫連接程序框圖如圖 4 所示。

4 NI LabVIEW在 Web 上的應用

在遠程客戶端連接本地VI 面板之前，需先配置本地 LabVIEW 的Web 服務器，具體步驟如下[4]：

（1）打開本地 VI 前面板，在菜單項中選擇工具，在所列的菜單中選擇Web服務器中的配置，選擇啟用 Web 服務器，修改為80端口。

（2）選擇可見VI，在右邊的可見VI中輸入*，選擇允許訪問，表示所有客戶端都可以訪問該服務器上的VI。

（3）選擇瀏覽器訪問，瀏覽器地址輸入*，再選擇允許查看和控制，表示發(fā)布瀏覽器網(wǎng)頁后，所有的客戶端都可以訪問并且控制所發(fā)布的VI。這時可以在遠程計算機上通過LabVIEW Run-Time引擎連接當前運行的VI的前面板了。

（4）下一步在菜單選項中選擇工具，然后選擇 Web 發(fā)布工具。在該對話框中的VI名稱中選擇想要在網(wǎng)頁中進行瀏覽的VI，這些VI必須是已經打開的。查看模式有三種：內嵌式表示、顯示器式與快照式表示，內嵌式為VI 前面板嵌入在網(wǎng)頁中，用戶不僅可以瀏覽而且還可以控制前面板，快照式表示為當前 VI 前面板的圖像顯示在網(wǎng)頁中，顯示器式與快照式顯示方式類似，不同的地方是是它會不斷地按一定時間間隔更新圖像顯示。

（5）再點擊下一步，在該對話框中配置網(wǎng)頁標題、頭注和尾注。點擊下一步，在出現(xiàn)的對話框中配置相應網(wǎng)址，選擇保存到磁盤，點擊連接按鈕就可以在本地網(wǎng)頁瀏覽器中瀏覽該網(wǎng)頁。

（6）Lab VIEW Run-Time引擎連接遠程VI，客戶端若需要瀏覽遠程VI控制面板，必須安裝與服務器相同版本的Lab VIEW Run-Time引擎。通過網(wǎng)頁瀏覽也一樣，因此用戶可以在本機的Lab VIEW開發(fā)環(huán)境中連接遠程VI面板。連接遠程VI面板如圖4所示。在對話框中輸入服務器端地址、端口和VI名稱（服務器已經打開的），選擇“請求控制”選項，則可實現(xiàn)對遠程前面板所對應控件的操作控制，點擊連接按鈕，客戶端與服務器端的連接就成功了。用戶就可以遠程登錄平臺訪問服務器端已經發(fā)布的實驗。

5 電工電子實驗舉例

以遠程信號（電壓）的采集及處理實驗為例來分析，本文中用來遠程監(jiān)控測量端的電壓信號，并對電壓信號進行處理，當測量端的電壓過大，超過設定值，報警信號燈閃爍，并報警。這個實驗非常典型，有一定的實用價值和借鑒意義。要測量信號，可以通過數(shù)據(jù)采集卡來采集測量端的電壓信號，信號采集及濾波處理及報警的Lab VIEW程序框圖如圖5所示。本實驗的數(shù)據(jù)的采集處理的數(shù)據(jù)采集卡可使用NI公司的 USB或PCI數(shù)據(jù)采集卡，USB可常用低速外設總線，用于鼠標、鍵盤等附件，也可作為高速總線用于數(shù)據(jù)采集。NI信號流技術融合了USB協(xié)議固有的糾錯、噪聲抑制、電源管理等特性，使便捷、穩(wěn)定、安全的USB總線的應用越來越廣泛，為縮小USB與PCI和PXI等嵌入式 DAQ 設備間的性能差距[5]，NI公司的開發(fā)出了 CompactDAQ 平臺，CompactDAQ平臺采用模塊化的設計，使得用戶可以靈活地選擇不同的模塊來構建自己的測試系統(tǒng)。融合了高速USB標準的CompactDAQ平臺不但性能更先進，并且更加簡單易用，成為便攜式測控應用的理想選擇。

6 結論

與傳統(tǒng)的實驗設備相比，LabVIEW具有圖形化、直觀易學等特點，適用用于邏輯思維能力較弱、文本型程序設計能力較差的高職學生，并且LabVIEW數(shù)據(jù)采集的實驗系統(tǒng)搭建方便，不僅能夠虛擬仿真，又能實物操作，還能實現(xiàn)遠程實驗，NI軟硬件無縫連接，易于構建實際測量與控制系統(tǒng)，緊貼工業(yè)生產及各類工程實際應用[6]。經過國內外高校二十余年的教學實踐證明，LabVIEW實驗室非常適合將理論學習、課程實驗、以及創(chuàng)新型工程項目實踐（課程設計、實訓、畢業(yè)設計）有效結合，全面培養(yǎng)學生綜合素質，達到創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標。NI提供的一些非常豐富的硬件平臺如myDAQ、NI ELVIS的數(shù)據(jù)采集硬件平臺結合 NILabVIEW軟件的實驗室建設方案。myDAQ小巧便攜讓學生在課外動手練習和創(chuàng)新實踐更為方便，myDAQ 數(shù)據(jù)采集模塊可以使學生隨時隨地進行實驗。NI ELVIS集成8路差分輸入（或16路單端輸入）模擬數(shù)據(jù)采集通道、24路數(shù)字I/O通道，以及12款最為常用的儀器（包括示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器等）。支持連接多種傳感器及執(zhí)行機構，學生可以在規(guī)范的面包板中設計需要的信號調理測試電路或實驗電路，也可選擇外接的電路板或傳感檢測信號電路，教師也可自行開發(fā)實驗電路板通過USB連接PC，連接簡單便于調試，降低實驗室資產損耗。師生可以通過LabVIEW編程來實現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等功能，虛擬儀器技術打破了高職傳統(tǒng)的電類課實驗模式，設計出能夠激發(fā)學生的學習興趣的實踐項目，達到多維度培養(yǎng)學生的專業(yè)能力、綜合素質、學習興趣、動手實踐和自主學習的能力。

【參考文獻】

[1]胡繼康，陳永志，周求湛，錢志鴻.基于NI ELVIS的網(wǎng)絡化實驗教學平臺[J].實驗室研究與探索，2012，（5）：154-157.

[2]孫春暉.基于LabVIEW 的高職電子遠程實驗開發(fā)[J].電子測試，2014，（21）.84-87.

[3]王蕾.基于LabVIEW和Multisim的虛擬電子技術實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].唐山學院學報，2015（6）：88-89.

[4]陳錫輝，張銀鴻.Lab VIEW8.20程序設計[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5]劉改梅，韓慧蓮.基于Lab VIEW的USB無線通信接口的設計[J].計算機技術與應用，2007，12.

[6]賀希.基于 Lab VIEW的虛擬遠程實驗系統(tǒng)的設計[D].株洲：湖南工業(yè)大學碩士學位論文，2014.