高职院校“网络型NI LabVIEW 实验室”建设研究

彭小平 凌双明

【摘 要】高职院校电类实验室软硬件条件还比较薄弱，建设理念比较滞后，高职学生对“电类”课程理论知识的理解能力较差，传统的实验室存在实验项目少，便携性、可扩展性及创新性较差，并且设备容易损坏，需要专人管理，容易受时间和地域的限制不好开展远程实验和科研。而基于 NI LabVIEW 和NI ELVIS的网络实验室结合了网络技术、虚拟仪器技术和信息化技术，配有相应的信号调理电路和外围接口电路，组成了各种信号采集模块为高职电类课程教学及课程改革提供了很好的支撑，能够更好的培养学生的学习兴趣、动手实践和自主学习的能力。

【关键词】NI LabVIEW；虚拟仪器技术；网络型实验室；实验室建设

中图分类号： TP274.2；TP3 文献标识码： A 文章编号： 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 高職电类实验室的建设现状

随着高等职业教育的迅速发展，高职院校的实验室等基础设施条件得到了大幅的提高，特别是沿海等经济发达的省市实验室建设得到了飞速发展，但中西部或经济欠发达的省市的高职院校实验室软硬件条件还比较薄弱，同时实验室建设理念也相对落后，其《电工技术》、《电子技术》、《传感检测技术》等电类实验室实验设备少、仪器老旧、完好率低、实验项目少等现象比较突出，高职学生对一些电类实验原理难以理解，教师在现有条件下开展课程教学信息化、教学做一体化等创新性课程改革也比较困难。而NI-LabVIEW直观的图形编程语言和运行平台，突破了传统仪器的局限，能比较容易满足创新型教学活动的需求，实现仪器、软件的共享。建设构建一个开放、共享、创新、虚拟化、信息化的NI LabVIEW实验室，符合现代高职教育理念和高职师生教学活动的需要[1]。高职院校已经意识到LabVIEW在高职教育的重要性，如北京电子科技职业学院、常州信息职业技术学院等高职院校都组建了NI LabVIEW实验室，在电工电子技术、电子测量技术等课程的实验实践环节中利用LabVIEW技术进行教学。虚拟仪器所具备灵活的交互特性和图形化编程的形象特性，职业教育的专业建设、课程改革和学生创新能力的培养方面开启了一个新的窗口。

2 网络型NI LabVIEW 实验室的特点

网络型NI LabVIEW 实验室利用网络技术、虚拟仪器技术等信息化手段，突破时空的限制，实现教育实验资源共享，为改革传统的教学方法，提高教学水平和节约资金等方面具有重要的作用和意义。远程虚拟实验室的出现为高职院校实验室建设带来了新颖的设计理念，也为师生提供了一种更新的教学和实验环境。利用网络技术与虚拟仪器技术相结合的方法构建远程虚拟实验室，不仅能进行远程测控还能实现资源共享，节省大量仪器设备经费，这些都是传统实验室无法比拟的特点和优势。虚拟仪器已经在发达国家的自动化生产及工程测控已经十分普及，越来越多的国内企业也采用虚拟仪器对自动化生产进行实时监测和控制。高等职业院校需要建设虚拟实验室来满足培养企业所需要高技能测控人才的需要。

2.1 实验室性价比高

因虚拟实验室有装配的不同的数据采集卡及相应的软件，师生通过校园网或因特网来编程进行仿真实验或远程共享虚拟实验室平台来进行实时监测实验，实物实验类似，根据实验目标来设计实验过程，对取得实验结果进行分析，处理及总结。这样的实验可以多次重复，不断调试，还可以调用多个实验仪器，可以更好的避免失误而损坏设备和元器件，降低了实验损耗率，节约了成本，节约了准备仪器仪表元器件的时间，提高了实验室效率和效益。

2.2 实验室更加开放和易于管理

虚拟实验室提供开放的实验教学环境，师生可以根据自己的时间全天候进行实验，不受时间和空间的限制，信息化的数据及实验结果也更容易处理存储和共享。远程虚拟实验室的还能实现仪器设备的资源共享，使得异地实验、多实验室协同进行大型实验成为可能[3]。实验室易于升级、更新和维护，当需要添加功能时，软件可以安装资源包或进行升级即可，由于仪器硬件比较少，所以日常维护比较简单，费用较低。

2.3 有利于培养学生的创新意识

实验者不容易受到实验仪器、器件等硬件条件的限制，可以更好的发挥软件的功能来设计实验，特别是高职的学生逻辑思维能力较差，图像思维能力较好，学生可以根据想象力来编程，每个人的编程都不一定相同，更有利于培养高职学生的创新意识和编程能力，这也是传统实验室很难达到的。

3 高职院校“NI LabVIEW实验室”建设研究内容

3.1 高职院校电类专业“NI LabVIEW实验室”建设总体方案研究

本课题将NI LabVIEW虚拟仪器技术、网络通信技术相结合，研究设计可供师生或技术人员远程操控使用的虚拟电子实验室。实验室开发对应开设课程需要的电类实验项目，通过LabVIEW 软件提供的远程前面板技术的网络发布功能。使用者采用浏览器方式或者“连接至远程前面板”方式就能远程操作实验项目，使用更加灵活方便。远程虚拟实验室利用NI LabVIEW虚拟仪器技术、互联网技术，将平台所提供的虚拟仪器、实验实训项目放入建立的网站上。远程用户通过网络浏览器，登录到实验平台，选择自己所要进行的实验，输入相应的实验参数，观察记录自己的实验数据，完成实验并退出。远程NI LabVIEW实验室的网络结构主要有两种模式，一种是客户端/ 服务器模式（C/S 模式），另一种是浏览器/ 服务器模式（B/S 模式）。B/S 模式下的用户通过浏览器，向服务器发出请求，实现对数据库的访问和应用程序的执行，个人终端的客户机上只需安装一定的客户软件即可，简化了系统设计难度并且降低了成本[2]。本系统软件框架如图1 所示，主要包括Web 服务器、应用程序服务器、客户端三大部分。系统硬件结构框图如图2 所示，主要由传感器、信号调理设备、数据采集卡、NI-ELVIS 实验仪、应用服务器、Web 服务器等组成。

3.2 Lab VIEW 与数据库连接方法

Lab VIEW 与数据库连接通过访问ODBC来实现，ODBC 是数据库与应用程序之间的一个公共接口ODBC（Open Database Connectivity，开放数据库互连），它是微软公司开放服务数据库的一个构件，其提供了访问数据库的标准API接口（应用程序编程接口），可通过SQL语言编程来实现通讯，ODBC 也支持SQL语言编程。ODBC对数据库的操作不直接与DBMS进行交互，Access、MYSQL、Oracle等数据库可以通过对ODBC API进行访问。ODBC的最大优势能按照统一方式来访问数据库，但是直接使用ODBC API并不方便，微软公司后来又开发出ADO、DAO、RDO数據库对象模型，使访问数据库的开发程序变得更加简单。ADO、RDO 和 DAO这些模型只需安装ODBC 驱动就可以实现对数据库的访问。LabVIEW与 Web通讯提供了底层支持，其具体实施方法如下：建立数据源之前，首先下载并安装MYSQL数据库的驱动，通过在Windows 控制面板的ODBC 建立 MYSQL 的数据源，并定义数据库的名称。 再安装Lab SQL插件， Lab VIEW 软件自身不带访问数据库的工具，所以需要安装Lab SQL 插件，Lab SQL 的 ADO 的三种对象类型分别是 Command、Connection、Recordset。其中Command 用来实现基本的 ADO 操作，Connection实现管理 Lab VIEW 与数据库之间的连接，Recordset 主要用于对数据库中的数据进行各种操作。最后通过 Lab VIEW 创建一个VI，在 LabVIEW 的工具栏里使用 Lab SQL 的 ADO 三类对象与 MYSQL 交互，并把数据库里的数据在Lab VIEW 的虚拟仪器上显示出来，从而达到了 LabVIEW 访问数据库的目的，其数据库连接程序框图如图 4 所示。

4 NI LabVIEW在 Web 上的应用

在远程客户端连接本地VI 面板之前，需先配置本地 LabVIEW 的Web 服务器，具体步骤如下[4]：

（1）打开本地 VI 前面板，在菜单项中选择工具，在所列的菜单中选择Web服务器中的配置，选择启用 Web 服务器，修改为80端口。

（2）选择可见VI，在右边的可见VI中输入*，选择允许访问，表示所有客户端都可以访问该服务器上的VI。

（3）选择浏览器访问，浏览器地址输入*，再选择允许查看和控制，表示发布浏览器网页后，所有的客户端都可以访问并且控制所发布的VI。这时可以在远程计算机上通过LabVIEW Run-Time引擎连接当前运行的VI的前面板了。

（4）下一步在菜单选项中选择工具，然后选择 Web 发布工具。在该对话框中的VI名称中选择想要在网页中进行浏览的VI，这些VI必须是已经打开的。查看模式有三种：内嵌式表示、显示器式与快照式表示，内嵌式为VI 前面板嵌入在网页中，用户不仅可以浏览而且还可以控制前面板，快照式表示为当前 VI 前面板的图像显示在网页中，显示器式与快照式显示方式类似，不同的地方是是它会不断地按一定时间间隔更新图像显示。

（5）再点击下一步，在该对话框中配置网页标题、头注和尾注。点击下一步，在出现的对话框中配置相应网址，选择保存到磁盘，点击连接按钮就可以在本地网页瀏览器中浏览该网页。

（6）Lab VIEW Run-Time引擎连接远程VI，客户端若需要浏览远程VI控制面板，必须安装与服务器相同版本的Lab VIEW Run-Time引擎。通过网页浏览也一样，因此用户可以在本机的Lab VIEW开发环境中连接远程VI面板。连接远程VI面板如图4所示。在对话框中输入服务器端地址、端口和VI名称（服务器已经打开的），选择“请求控制”选项，则可实现对远程前面板所对应控件的操作控制，点击连接按钮，客户端与服务器端的连接就成功了。用户就可以远程登录平台访问服务器端已经发布的实验。

5 电工电子实验举例

以远程信号（电压）的采集及处理实验为例来分析，本文中用来远程监控测量端的电压信号，并对电压信号进行处理，当测量端的电压过大，超过设定值，报警信号灯闪烁，并报警。这个实验非常典型，有一定的实用价值和借鉴意义。要测量信号，可以通过数据采集卡来采集测量端的电压信号，信号采集及滤波处理及报警的Lab VIEW程序框图如图5所示。本实验的数据的采集处理的数据采集卡可使用NI公司的 USB或PCI数据采集卡，USB可常用低速外设总线，用于鼠标、键盘等附件，也可作为高速总线用于数据采集。NI信号流技术融合了USB协议固有的纠错、噪声抑制、电源管理等特性，使便捷、稳定、安全的USB总线的应用越来越广泛，为缩小USB与PCI和PXI等嵌入式 DAQ 设备间的性能差距[5]，NI公司的开发出了 CompactDAQ 平台，CompactDAQ平台采用模块化的设计，使得用户可以灵活地选择不同的模块来构建自己的测试系统。融合了高速USB标准的CompactDAQ平台不但性能更先进，并且更加简单易用，成为便携式测控应用的理想选择。

6 结论

与传统的实验设备相比，LabVIEW具有图形化、直观易学等特点，适用用于逻辑思维能力较弱、文本型程序设计能力较差的高职学生，并且LabVIEW数据采集的实验系统搭建方便，不仅能够虚拟仿真，又能实物操作，还能实现远程实验，NI软硬件无缝连接，易于构建实际测量与控制系统，紧贴工业生产及各类工程实际应用[6]。经过国内外高校二十余年的教学实践证明，LabVIEW实验室非常适合将理论学习、课程实验、以及创新型工程项目实践（课程设计、实训、毕业设计）有效结合，全面培养学生综合素质，达到创新型人才培养的目标。NI提供的一些非常丰富的硬件平台如myDAQ、NI ELVIS的数据采集硬件平台结合 NILabVIEW软件的实验室建设方案。myDAQ小巧便携让学生在课外动手练习和创新实践更为方便，myDAQ 数据采集模块可以使学生随时随地进行实验。NI ELVIS集成8路差分输入（或16路单端输入）模拟数据采集通道、24路数字I/O通道，以及12款最为常用的仪器（包括示波器、数字万用表、函数发生器等）。支持连接多种传感器及执行机构，学生可以在规范的面包板中设计需要的信号调理测试电路或实验电路，也可选择外接的电路板或传感检测信号电路，教师也可自行开发实验电路板通过USB连接PC，连接简单便于调试，降低实验室资产损耗。师生可以通过LabVIEW编程来实现自定义的数据处理、显示、存储等功能，虚拟仪器技术打破了高职传统的电类课实验模式，设计出能够激发学生的学习兴趣的实践项目，达到多维度培养学生的专业能力、综合素质、学习兴趣、动手实践和自主学习的能力。

【参考文献】

[1]胡继康，陈永志，周求湛，钱志鸿.基于NI ELVIS的网络化实验教学平台[J].实验室研究与探索，2012，（5）：154-157.

[2]孙春晖.基于LabVIEW 的高职电子远程实验开发[J].电子测试，2014，（21）.84-87.

[3]王蕾.基于LabVIEW和Multisim的虚拟电子技术实验系统的设计与实现[J].唐山学院学报，2015（6）：88-89.

[4]陈锡辉，张银鸿.Lab VIEW8.20程序设计[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5]刘改梅，韩慧莲.基于Lab VIEW的USB无线通信接口的设计[J].计算机技术与应用，2007，12.

[6]贺希.基于 Lab VIEW的虚拟远程实验系统的设计[D].株洲：湖南工业大学硕士学位论文，2014.