基 于LabVIEW和Multisim的遠(yuǎn)程數(shù)字電路實驗平臺設(shè)計

袁海娣

隨著近幾年互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的在線教育也得到了飛速發(fā)展，教學(xué)方法和手段也在不斷更新.然而目前理工類院校的教學(xué)過程中，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式仍然是主要的教學(xué)手段，學(xué)校需要投入大量的資金進(jìn)行實驗室建設(shè)、維護(hù)等工作，并且建成后的實驗室在可擴(kuò)展性、開放性等方面存在明顯的不足.為解決這些的問題，本文提出一種基于LabVIEW和Multisim的遠(yuǎn)程數(shù)字電路實驗平臺的設(shè)計方案.

LabVIEW是一款基于圖形化程序設(shè)計語言的編程平臺，主要應(yīng)用于虛擬儀器和儀表的開發(fā)設(shè)計，較之傳統(tǒng)的編程語言，圖形化編程語言更容易上手，學(xué)習(xí)難度較低，可廣泛應(yīng)用于教育、自動化、航空等領(lǐng)域.Multisim是一款電子電路設(shè)計與仿真軟件，主要用于數(shù)字電路和模擬電路仿真，其功能強(qiáng)大、操作簡單.將兩者結(jié)合起來，構(gòu)建一套遠(yuǎn)程虛擬實驗系統(tǒng)，既可以減少學(xué)校實驗室建設(shè)的資金投入，又可以解決遠(yuǎn)程實驗教學(xué)的問題.

1 虛擬電子實驗系統(tǒng)

數(shù)字電路實驗課程是電子電氣類、自動化類和控制類專業(yè)的必修課程，課程具有很強(qiáng)的實踐性.隨著高校招生規(guī)模地不斷擴(kuò)大，實驗設(shè)備使用率不斷提高，損耗率也隨之提升，學(xué)校每年需要投入大量的資金進(jìn)行實驗室的建設(shè)和維護(hù).目前國內(nèi)部分高校提出各種基于虛擬環(huán)境的實驗儀器，并在此基礎(chǔ)之上構(gòu)建虛擬實驗室，其中文獻(xiàn)［1～4］分別提出在自動化、數(shù)字電路、模擬電路和基礎(chǔ)電路等課程上構(gòu)建虛擬實驗平臺.這部分研究主要集中在半實物和全數(shù)字的虛擬實驗平臺.文獻(xiàn)［5～8］中提出一種基于LabVIEW和Multisim的虛實結(jié)合實驗平臺，可以通過Multisim完成實驗的虛擬仿真，并能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，分析后開展實物實驗.近幾年，也有部分院校開始使用完全虛擬化的實驗平臺，文獻(xiàn)［9～10］中構(gòu)建了基于LabVIEW和Multisim的虛擬實驗平臺，并在此基礎(chǔ)上增加了學(xué)生管理等教學(xué)管理模塊，但是僅僅停留在學(xué)生的基本信息管理，無法實現(xiàn)組卷、評分等教學(xué)過程控制的功能，局限性較大.

雖然目前虛擬實驗室平臺建設(shè)方案很多，但基本都只是將LabVIEW和Multisim結(jié)合使用完成一些基礎(chǔ)的數(shù)字實驗，并沒有涉及到教學(xué)的全過程.針對上述問題，本文設(shè)計了一套基于LabVIEW和Multisim遠(yuǎn)程數(shù)字電路實驗平臺，該平臺包括數(shù)字電路慮擬實驗平臺、數(shù)字電路實驗報告管理平臺和數(shù)字電路在線考試平臺.數(shù)字電路虛擬實驗平臺利用LabVIEW和Multisim實現(xiàn)靈活的虛擬仿真實驗；數(shù)字電路實驗報告管理平臺通過Web方式實現(xiàn)學(xué)生在線提交實驗報告、教師在線批改實驗報告等功能；數(shù)字電路在線考試平臺可以實現(xiàn)題庫管理、自動組卷等在線考試的功能，利用該平臺可以極大地提高數(shù)字電路課程的教學(xué)效果.

2 虛擬實驗平臺的總體設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)功能模塊

虛擬實驗平臺包括三個核心模塊，分別是教學(xué)管理模塊、虛擬實驗?zāi)K和在線考試模塊，整體系統(tǒng)功能模塊見圖1.

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

（1）教學(xué)管理模塊主要實現(xiàn)教學(xué)相關(guān)文件的管理，教師可以通過教學(xué)資料管理模塊上傳教學(xué)相關(guān)資料，包括教學(xué)進(jìn)度表、電子教案、師生數(shù)據(jù)等，也可以實現(xiàn)通過Excel導(dǎo)入師生數(shù)據(jù)、教學(xué)進(jìn)度和電子教案；師生管理模塊實現(xiàn)教師和學(xué)生信息的導(dǎo)入與導(dǎo)出功能；進(jìn)度管理模塊記錄教師的課程進(jìn)度.

（2）虛擬實驗?zāi)K主要實現(xiàn)對實驗項目和實驗操作進(jìn)行管理，其中實驗項目管理模塊負(fù)責(zé)維護(hù)虛擬實驗項目，包括LabVIEW和Multisim文件的導(dǎo)入與配置；實驗操作管理模塊負(fù)責(zé)展示實驗內(nèi)容，學(xué)生通過該模塊在線完成數(shù)字電路相關(guān)的虛擬實驗.

（3）在線考試模塊主要實現(xiàn)基于Web的線上考試，其中試題管理模塊用于實現(xiàn)試題庫的管理，包括試題的增加、刪除、修改和查詢；試卷管理模塊實現(xiàn)試卷的手動組卷和自動組卷功能；考試管理模塊實現(xiàn)考試時間、試卷發(fā)放和批改功能；成績管理模塊實現(xiàn)考試成績的錄入和導(dǎo)出功能.

2.2 核心技術(shù)框架

本實驗平臺采用B/S構(gòu)架，題庫、試卷、教學(xué)進(jìn)度和教案都能夠通過MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，實驗?zāi)K功能主要基于LabVIEW和Multisim進(jìn)行構(gòu)建，整體的系統(tǒng)構(gòu)架見圖2.

圖2 平臺系統(tǒng)構(gòu)架

（1）教學(xué)管理模塊和在線考試模塊技術(shù)框架.基于Spring Boot框架構(gòu)建教學(xué)管理模塊和在線考試模塊，學(xué)生通過系統(tǒng)平臺登錄界面進(jìn)入系統(tǒng)，然后可以實現(xiàn)信息修改、教學(xué)資料下載、在線考試、實驗課表和成績查詢.教師通過系統(tǒng)平臺登錄后，可以實現(xiàn)學(xué)生信息管理、課程資料管理、題庫管理和試卷管理等.整體的技術(shù)框架見圖3.

圖3 教學(xué)管理模塊和在線考試模塊技術(shù)框架圖

整體技術(shù)構(gòu)架分為三層結(jié)構(gòu).

數(shù)據(jù)庫層：主要使用MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲.

業(yè)務(wù)層：主要使用Spring Boot+My Batis+Spring Security實現(xiàn)，其中My Batis主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)持久化，Spring Boot負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯控制，Spring Security負(fù)責(zé)權(quán)限管理.

頁面展示層：主要使用Boot Strap和HTML5，其中Boot Strap框架主要負(fù)責(zé)頁面展示.

（2）在線實驗?zāi)K技術(shù)框架.在線實驗?zāi)K構(gòu)建在LabVIEW和Multisim軟件之上.首先基于Multisim繪制電路圖，在此基礎(chǔ)之上完成對電路圖的分析和調(diào)試.之后將電路圖導(dǎo)入到LabVIEW中通過繪制相關(guān)界面，以及編程實現(xiàn)相關(guān)功能.Multisim和LabVIEW通過HB/SC實現(xiàn)參數(shù)傳遞，進(jìn)而實現(xiàn)聯(lián)合仿真，最后通過LabVIEW發(fā)布實現(xiàn)Web應(yīng)用.整體技術(shù)框架見圖4.

圖4 在線實驗?zāi)K技術(shù)框架

整體在線實驗平臺的核心是構(gòu)建在Lab-VIEW和Multisim之上，基于Spring Boot框架實現(xiàn)一套較為完善的遠(yuǎn)程數(shù)字電路實驗平臺.

3 遠(yuǎn)程數(shù)字實驗平臺系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于高校數(shù)字電路實驗基本要求，本平臺實現(xiàn)的功能包括組合邏輯電路設(shè)計、計數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器和譯碼器等多個數(shù)電實驗.整體的實現(xiàn)流程包括教師流程和學(xué)生流程，其中教師主要完成實驗報告批改，學(xué)生主要完成虛擬實驗和編輯實驗報告，具體的實驗流程見圖5.

圖5 實驗平臺整體流程

3.1 主要功能設(shè)計

本實驗平臺主要包括用戶登錄、考試模塊和實驗?zāi)K.圖6所示為學(xué)生操作系統(tǒng)的基本流程.

圖6 學(xué)生操作流程

學(xué)生首先通過學(xué)號和密碼登錄到本實驗平臺，登錄界面如圖7所示.登錄成功后，可以進(jìn)入到在線實驗?zāi)K，在此模塊中學(xué)生可以在線完成相關(guān)實驗，整理實驗報告和對實驗報告進(jìn)行修改.

圖7 登錄界面

教師可以通過工號和密碼登錄本實驗平臺，登錄成功后，可以按班級發(fā)布實驗，并對學(xué)生提交的實驗報告進(jìn)行批改，批改后的實驗報告可以進(jìn)行存檔操作.

虛擬實驗部分是整個虛擬實驗平臺的核心，系統(tǒng)流程圖如圖8所示.

圖8 仿真系統(tǒng)流程

3.2 操作界面設(shè)計

虛擬實驗平臺界面如圖9所示，學(xué)生可參看電路圖并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，在完成實驗后撰寫實驗報告，最后通過系統(tǒng)完成實驗報告提交.

圖9 操作界面

4 結(jié)語

本文提出一種基于LabVIEW和Multisim的遠(yuǎn)程數(shù)字電路實驗平臺的設(shè)計方案，該方案可以提供數(shù)字電路相關(guān)的在線實驗，并在此基礎(chǔ)之上提供教學(xué)資源管理、在線考試管理和師生用戶管理等功能.整個方案基于主流技術(shù)框架，操作簡單、交互方便、功能強(qiáng)大，既能滿足學(xué)生在線學(xué)習(xí)需要，又能滿足教師在線管理需要，極大地提高了數(shù)字電路實驗教學(xué)的效果.