彭小平 凌雙明

【摘 要】高職院校電類實(shí)驗(yàn)室軟硬件條件還比較薄弱，建設(shè)理念比較滯后，高職學(xué)生對(duì)“電類”課程理論知識(shí)的理解能力較差，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室存在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少，便攜性、可擴(kuò)展性及創(chuàng)新性較差，并且設(shè)備容易損壞，需要專人管理，容易受時(shí)間和地域的限制不好開展遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和科研。而基于 NI LabVIEW 和NI ELVIS的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和信息化技術(shù)，配有相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路和外圍接口電路，組成了各種信號(hào)采集模塊為高職電類課程教學(xué)及課程改革提供了很好的支撐，能夠更好的培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手實(shí)踐和自主學(xué)習(xí)的能力。

【關(guān)鍵詞】NI LabVIEW；虛擬儀器技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)型實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

中圖分類號(hào)： TP274.2；TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shí)驗(yàn)室的建設(shè)現(xiàn)狀

隨著高等職業(yè)教育的迅速發(fā)展，高職院校的實(shí)驗(yàn)室等基礎(chǔ)設(shè)施條件得到了大幅的提高，特別是沿海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省市實(shí)驗(yàn)室建設(shè)得到了飛速發(fā)展，但中西部或經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的省市的高職院校實(shí)驗(yàn)室軟硬件條件還比較薄弱，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)理念也相對(duì)落后，其《電工技術(shù)》、《電子技術(shù)》、《傳感檢測(cè)技術(shù)》等電類實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、儀器老舊、完好率低、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少等現(xiàn)象比較突出，高職學(xué)生對(duì)一些電類實(shí)驗(yàn)原理難以理解，教師在現(xiàn)有條件下開展課程教學(xué)信息化、教學(xué)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(yǔ)言和運(yùn)行平臺(tái)，突破了傳統(tǒng)儀器的局限，能比較容易滿足創(chuàng)新型教學(xué)活動(dòng)的需求，實(shí)現(xiàn)儀器、軟件的共享。建設(shè)構(gòu)建一個(gè)開放、共享、創(chuàng)新、虛擬化、信息化的NI LabVIEW實(shí)驗(yàn)室，符合現(xiàn)代高職教育理念和高職師生教學(xué)活動(dòng)的需要[1]。高職院校已經(jīng)意識(shí)到LabVIEW在高職教育的重要性，如北京電子科技職業(yè)學(xué)院、常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院等高職院校都組建了NI LabVIEW實(shí)驗(yàn)室，在電工電子技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)中利用LabVIEW技術(shù)進(jìn)行教學(xué)。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(shè)、課程改革和學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面開啟了一個(gè)新的窗口。

2 網(wǎng)絡(luò)型NI LabVIEW 實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)型NI LabVIEW 實(shí)驗(yàn)室利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等信息化手段，突破時(shí)空的限制，實(shí)現(xiàn)教育實(shí)驗(yàn)資源共享，為改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提高教學(xué)水平和節(jié)約資金等方面具有重要的作用和意義。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)為高職院校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)帶來了新穎的設(shè)計(jì)理念，也為師生提供了一種更新的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方法構(gòu)建遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅能進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)控還能實(shí)現(xiàn)資源共享，節(jié)省大量?jī)x器設(shè)備經(jīng)費(fèi)，這些都是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法比擬的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。虛擬儀器已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家的自動(dòng)化生產(chǎn)及工程測(cè)控已經(jīng)十分普及，越來越多的國(guó)內(nèi)企業(yè)也采用虛擬儀器對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。高等職業(yè)院校需要建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室來滿足培養(yǎng)企業(yè)所需要高技能測(cè)控人才的需要。

2.1 實(shí)驗(yàn)室性價(jià)比高

因虛擬實(shí)驗(yàn)室有裝配的不同的數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)的軟件，師生通過校園網(wǎng)或因特網(wǎng)來編程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)或遠(yuǎn)程共享虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)物實(shí)驗(yàn)類似，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)取得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，處理及總結(jié)。這樣的實(shí)驗(yàn)可以多次重復(fù)，不斷調(diào)試，還可以調(diào)用多個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器，可以更好的避免失誤而損壞設(shè)備和元器件，降低了實(shí)驗(yàn)損耗率，節(jié)約了成本，節(jié)約了準(zhǔn)備儀器儀表元器件的時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)室效率和效益。

2.2 實(shí)驗(yàn)室更加開放和易于管理

虛擬實(shí)驗(yàn)室提供開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，師生可以根據(jù)自己的時(shí)間全天候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間和空間的限制，信息化的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果也更容易處理存儲(chǔ)和共享。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的還能實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的資源共享，使得異地實(shí)驗(yàn)、多實(shí)驗(yàn)室協(xié)同進(jìn)行大型實(shí)驗(yàn)成為可能[3]。實(shí)驗(yàn)室易于升級(jí)、更新和維護(hù)，當(dāng)需要添加功能時(shí)，軟件可以安裝資源包或進(jìn)行升級(jí)即可，由于儀器硬件比較少，所以日常維護(hù)比較簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低。

2.3 有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

實(shí)驗(yàn)者不容易受到實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，特別是高職的學(xué)生邏輯思維能力較差，圖像思維能力較好，學(xué)生可以根據(jù)想象力來編程，每個(gè)人的編程都不一定相同，更有利于培養(yǎng)高職學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和編程能力，這也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室很難達(dá)到的。

3 高職院?！癗I LabVIEW實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)研究?jī)?nèi)容

3.1 高職院校電類專業(yè)“NI LabVIEW實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)總體方案研究

本課題將NI LabVIEW虛擬儀器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，研究設(shè)計(jì)可供師生或技術(shù)人員遠(yuǎn)程操控使用的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室開發(fā)對(duì)應(yīng)開設(shè)課程需要的電類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過LabVIEW 軟件提供的遠(yuǎn)程前面板技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能。使用者采用瀏覽器方式或者“連接至遠(yuǎn)程前面板”方式就能遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使用更加靈活方便。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室利用NI LabVIEW虛擬儀器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將平臺(tái)所提供的虛擬儀器、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目放入建立的網(wǎng)站上。遠(yuǎn)程用戶通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，登錄到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇自己所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，輸入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察記錄自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)并退出。遠(yuǎn)程N(yùn)I LabVIEW實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有兩種模式，一種是客戶端/ 服務(wù)器模式（C/S 模式），另一種是瀏覽器/ 服務(wù)器模式（B/S 模式）。B/S 模式下的用戶通過瀏覽器，向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問和應(yīng)用程序的執(zhí)行，個(gè)人終端的客戶機(jī)上只需安裝一定的客戶軟件即可，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、客戶端三大部分。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、NI-ELVIS 實(shí)驗(yàn)儀、應(yīng)用服務(wù)器、Web 服務(wù)器等組成。

3.2 Lab VIEW 與數(shù)據(jù)庫(kù)連接方法

Lab VIEW 與數(shù)據(jù)庫(kù)連接通過訪問ODBC來實(shí)現(xiàn)，ODBC 是數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用程序之間的一個(gè)公共接口ODBC（Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連），它是微軟公司開放服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)構(gòu)件，其提供了訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)API接口（應(yīng)用程序編程接口），可通過SQL語(yǔ)言編程來實(shí)現(xiàn)通訊，ODBC 也支持SQL語(yǔ)言編程。ODBC對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作不直接與DBMS進(jìn)行交互，Access、MYSQL、Oracle等數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過對(duì)ODBC API進(jìn)行訪問。ODBC的最大優(yōu)勢(shì)能按照統(tǒng)一方式來訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，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(kù)對(duì)象模型，使訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)程序變得更加簡(jiǎn)單。ADO、RDO 和 DAO這些模型只需安裝ODBC 驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。LabVIEW與 Web通訊提供了底層支持，其具體實(shí)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(kù)的驅(qū)動(dòng)，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(kù)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(kù)的工具，所以需要安裝Lab SQL 插件，Lab SQL 的 ADO 的三種對(duì)象類型分別是 Command、Connection、Recordset。其中Command 用來實(shí)現(xiàn)基本的 ADO 操作，Connection實(shí)現(xiàn)管理 Lab VIEW 與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接，Recordset 主要用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作。最后通過 Lab VIEW 創(chuàng)建一個(gè)VI，在 LabVIEW 的工具欄里使用 Lab SQL 的 ADO 三類對(duì)象與 MYSQL 交互，并把數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)在Lab VIEW 的虛擬儀器上顯示出來，從而達(dá)到了 LabVIEW 訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的目的，其數(shù)據(jù)庫(kù)連接程序框圖如圖 4 所示。

4 NI LabVIEW在 Web 上的應(yīng)用

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

（1）打開本地 VI 前面板，在菜單項(xiàng)中選擇工具，在所列的菜單中選擇Web服務(wù)器中的配置，選擇啟用 Web 服務(wù)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(wù)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(yè)后，所有的客戶端都可以訪問并且控制所發(fā)布的VI。這時(shí)可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上通過LabVIEW Run-Time引擎連接當(dāng)前運(yùn)行的VI的前面板了。

（4）下一步在菜單選項(xiàng)中選擇工具，然后選擇 Web 發(fā)布工具。在該對(duì)話框中的VI名稱中選擇想要在網(wǎng)頁(yè)中進(jìn)行瀏覽的VI，這些VI必須是已經(jīng)打開的。查看模式有三種：內(nèi)嵌式表示、顯示器式與快照式表示，內(nèi)嵌式為VI 前面板嵌入在網(wǎng)頁(yè)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(dāng)前 VI 前面板的圖像顯示在網(wǎng)頁(yè)中，顯示器式與快照式顯示方式類似，不同的地方是是它會(huì)不斷地按一定時(shí)間間隔更新圖像顯示。

（5）再點(diǎn)擊下一步，在該對(duì)話框中配置網(wǎng)頁(yè)標(biāo)題、頭注和尾注。點(diǎn)擊下一步，在出現(xiàn)的對(duì)話框中配置相應(yīng)網(wǎng)址，選擇保存到磁盤，點(diǎn)擊連接按鈕就可以在本地網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中瀏覽該網(wǎng)頁(yè)。

（6）Lab VIEW Run-Time引擎連接遠(yuǎn)程VI，客戶端若需要瀏覽遠(yuǎn)程VI控制面板，必須安裝與服務(wù)器相同版本的Lab VIEW Run-Time引擎。通過網(wǎng)頁(yè)瀏覽也一樣，因此用戶可以在本機(jī)的Lab VIEW開發(fā)環(huán)境中連接遠(yuǎn)程VI面板。連接遠(yuǎn)程VI面板如圖4所示。在對(duì)話框中輸入服務(wù)器端地址、端口和VI名稱（服務(wù)器已經(jīng)打開的），選擇“請(qǐng)求控制”選項(xiàng)，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程前面板所對(duì)應(yīng)控件的操作控制，點(diǎn)擊連接按鈕，客戶端與服務(wù)器端的連接就成功了。用戶就可以遠(yuǎn)程登錄平臺(tái)訪問服務(wù)器端已經(jīng)發(fā)布的實(shí)驗(yàn)。

5 電工電子實(shí)驗(yàn)舉例

以遠(yuǎn)程信號(hào)（電壓）的采集及處理實(shí)驗(yàn)為例來分析，本文中用來遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)量端的電壓信號(hào)，并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，當(dāng)測(cè)量端的電壓過大，超過設(shè)定值，報(bào)警信號(hào)燈閃爍，并報(bào)警。這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常典型，有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。要測(cè)量信號(hào)，可以通過數(shù)據(jù)采集卡來采集測(cè)量端的電壓信號(hào)，信號(hào)采集及濾波處理及報(bào)警的Lab VIEW程序框圖如圖5所示。本實(shí)驗(yàn)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(shè)總線，用于鼠標(biāo)、鍵盤等附件，也可作為高速總線用于數(shù)據(jù)采集。NI信號(hào)流技術(shù)融合了USB協(xié)議固有的糾錯(cuò)、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(yīng)用越來越廣泛，為縮小USB與PCI和PXI等嵌入式 DAQ 設(shè)備間的性能差距[5]，NI公司的開發(fā)出了 CompactDAQ 平臺(tái)，CompactDAQ平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)，使得用戶可以靈活地選擇不同的模塊來構(gòu)建自己的測(cè)試系統(tǒng)。融合了高速USB標(biāo)準(zhǔn)的CompactDAQ平臺(tái)不但性能更先進(jìn)，并且更加簡(jiǎn)單易用，成為便攜式測(cè)控應(yīng)用的理想選擇。

6 結(jié)論

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，LabVIEW具有圖形化、直觀易學(xué)等特點(diǎn)，適用用于邏輯思維能力較弱、文本型程序設(shè)計(jì)能力較差的高職學(xué)生，并且LabVIEW數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建方便，不僅能夠虛擬仿真，又能實(shí)物操作，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，NI軟硬件無縫連接，易于構(gòu)建實(shí)際測(cè)量與控制系統(tǒng)，緊貼工業(yè)生產(chǎn)及各類工程實(shí)際應(yīng)用[6]。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外高校二十余年的教學(xué)實(shí)踐證明，LabVIEW實(shí)驗(yàn)室非常適合將理論學(xué)習(xí)、課程實(shí)驗(yàn)、以及創(chuàng)新型工程項(xiàng)目實(shí)踐（課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)）有效結(jié)合，全面培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，達(dá)到創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。NI提供的一些非常豐富的硬件平臺(tái)如myDAQ、NI ELVIS的數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)結(jié)合 NILabVIEW軟件的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。myDAQ小巧便攜讓學(xué)生在課外動(dòng)手練習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐更為方便，myDAQ 數(shù)據(jù)采集模塊可以使學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(jī)構(gòu)，學(xué)生可以在規(guī)范的面包板中設(shè)計(jì)需要的信號(hào)調(diào)理測(cè)試電路或?qū)嶒?yàn)電路，也可選擇外接的電路板或傳感檢測(cè)信號(hào)電路，教師也可自行開發(fā)實(shí)驗(yàn)電路板通過USB連接PC，連接簡(jiǎn)單便于調(diào)試，降低實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)損耗。師生可以通過LabVIEW編程來實(shí)現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等功能，虛擬儀器技術(shù)打破了高職傳統(tǒng)的電類課實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)計(jì)出能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的實(shí)踐項(xiàng)目，達(dá)到多維度培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力、綜合素質(zhì)、學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手實(shí)踐和自主學(xué)習(xí)的能力。

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