基 于LabVIEW和Multisim的远程数字电路实验平台设计

袁海娣

随着近几年互联网的高速发展，基于互联网的在线教育也得到了飞速发展，教学方法和手段也在不断更新.然而目前理工类院校的教学过程中，传统的实验教学方式仍然是主要的教学手段，学校需要投入大量的资金进行实验室建设、维护等工作，并且建成后的实验室在可扩展性、开放性等方面存在明显的不足.为解决这些的问题，本文提出一种基于LabVIEW和Multisim的远程数字电路实验平台的设计方案.

LabVIEW是一款基于图形化程序设计语言的编程平台，主要应用于虚拟仪器和仪表的开发设计，较之传统的编程语言，图形化编程语言更容易上手，学习难度较低，可广泛应用于教育、自动化、航空等领域.Multisim是一款电子电路设计与仿真软件，主要用于数字电路和模拟电路仿真，其功能强大、操作简单.将两者结合起来，构建一套远程虚拟实验系统，既可以减少学校实验室建设的资金投入，又可以解决远程实验教学的问题.

1 虚拟电子实验系统

数字电路实验课程是电子电气类、自动化类和控制类专业的必修课程，课程具有很强的实践性.随着高校招生规模地不断扩大，实验设备使用率不断提高，损耗率也随之提升，学校每年需要投入大量的资金进行实验室的建设和维护.目前国内部分高校提出各种基于虚拟环境的实验仪器，并在此基础之上构建虚拟实验室，其中文献［1～4］分别提出在自动化、数字电路、模拟电路和基础电路等课程上构建虚拟实验平台.这部分研究主要集中在半实物和全数字的虚拟实验平台.文献［5～8］中提出一种基于LabVIEW和Multisim的虚实结合实验平台，可以通过Multisim完成实验的虚拟仿真，并能够对实验数据结果进行分析，分析后开展实物实验.近几年，也有部分院校开始使用完全虚拟化的实验平台，文献［9～10］中构建了基于LabVIEW和Multisim的虚拟实验平台，并在此基础上增加了学生管理等教学管理模块，但是仅仅停留在学生的基本信息管理，无法实现组卷、评分等教学过程控制的功能，局限性较大.

虽然目前虚拟实验室平台建设方案很多，但基本都只是将LabVIEW和Multisim结合使用完成一些基础的数字实验，并没有涉及到教学的全过程.针对上述问题，本文设计了一套基于LabVIEW和Multisim远程数字电路实验平台，该平台包括数字电路虑拟实验平台、数字电路实验报告管理平台和数字电路在线考试平台.数字电路虚拟实验平台利用LabVIEW和Multisim实现灵活的虚拟仿真实验；数字电路实验报告管理平台通过Web方式实现学生在线提交实验报告、教师在线批改实验报告等功能；数字电路在线考试平台可以实现题库管理、自动组卷等在线考试的功能，利用该平台可以极大地提高数字电路课程的教学效果.

2 虚拟实验平台的总体设计方案

2.1 系统功能模块

虚拟实验平台包括三个核心模块，分别是教学管理模块、虚拟实验模块和在线考试模块，整体系统功能模块见图1.

图1 系统功能模块图

（1）教学管理模块主要实现教学相关文件的管理，教师可以通过教学资料管理模块上传教学相关资料，包括教学进度表、电子教案、师生数据等，也可以实现通过Excel导入师生数据、教学进度和电子教案；师生管理模块实现教师和学生信息的导入与导出功能；进度管理模块记录教师的课程进度.

（2）虚拟实验模块主要实现对实验项目和实验操作进行管理，其中实验项目管理模块负责维护虚拟实验项目，包括LabVIEW和Multisim文件的导入与配置；实验操作管理模块负责展示实验内容，学生通过该模块在线完成数字电路相关的虚拟实验.

（3）在线考试模块主要实现基于Web的线上考试，其中试题管理模块用于实现试题库的管理，包括试题的增加、删除、修改和查询；试卷管理模块实现试卷的手动组卷和自动组卷功能；考试管理模块实现考试时间、试卷发放和批改功能；成绩管理模块实现考试成绩的录入和导出功能.

2.2 核心技术框架

本实验平台采用B/S构架，题库、试卷、教学进度和教案都能够通过MySQL数据库进行存储，实验模块功能主要基于LabVIEW和Multisim进行构建，整体的系统构架见图2.

图2 平台系统构架

（1）教学管理模块和在线考试模块技术框架.基于Spring Boot框架构建教学管理模块和在线考试模块，学生通过系统平台登录界面进入系统，然后可以实现信息修改、教学资料下载、在线考试、实验课表和成绩查询.教师通过系统平台登录后，可以实现学生信息管理、课程资料管理、题库管理和试卷管理等.整体的技术框架见图3.

图3 教学管理模块和在线考试模块技术框架图

整体技术构架分为三层结构.

数据库层：主要使用MySQL数据库实现数据存储.

业务层：主要使用Spring Boot+My Batis+Spring Security实现，其中My Batis主要负责数据持久化，Spring Boot负责业务逻辑控制，Spring Security负责权限管理.

页面展示层：主要使用Boot Strap和HTML5，其中Boot Strap框架主要负责页面展示.

（2）在线实验模块技术框架.在线实验模块构建在LabVIEW和Multisim软件之上.首先基于Multisim绘制电路图，在此基础之上完成对电路图的分析和调试.之后将电路图导入到LabVIEW中通过绘制相关界面，以及编程实现相关功能.Multisim和LabVIEW通过HB/SC实现参数传递，进而实现联合仿真，最后通过LabVIEW发布实现Web应用.整体技术框架见图4.

图4 在线实验模块技术框架

整体在线实验平台的核心是构建在Lab-VIEW和Multisim之上，基于Spring Boot框架实现一套较为完善的远程数字电路实验平台.

3 远程数字实验平台系统的实现

基于高校数字电路实验基本要求，本平台实现的功能包括组合逻辑电路设计、计数器、数据选择器和译码器等多个数电实验.整体的实现流程包括教师流程和学生流程，其中教师主要完成实验报告批改，学生主要完成虚拟实验和编辑实验报告，具体的实验流程见图5.

图5 实验平台整体流程

3.1 主要功能设计

本实验平台主要包括用户登录、考试模块和实验模块.图6所示为学生操作系统的基本流程.

图6 学生操作流程

学生首先通过学号和密码登录到本实验平台，登录界面如图7所示.登录成功后，可以进入到在线实验模块，在此模块中学生可以在线完成相关实验，整理实验报告和对实验报告进行修改.

图7 登录界面

教师可以通过工号和密码登录本实验平台，登录成功后，可以按班级发布实验，并对学生提交的实验报告进行批改，批改后的实验报告可以进行存档操作.

虚拟实验部分是整个虚拟实验平台的核心，系统流程图如图8所示.

图8 仿真系统流程

3.2 操作界面设计

虚拟实验平台界面如图9所示，学生可参看电路图并设置相关参数，在完成实验后撰写实验报告，最后通过系统完成实验报告提交.

图9 操作界面

4 结语

本文提出一种基于LabVIEW和Multisim的远程数字电路实验平台的设计方案，该方案可以提供数字电路相关的在线实验，并在此基础之上提供教学资源管理、在线考试管理和师生用户管理等功能.整个方案基于主流技术框架，操作简单、交互方便、功能强大，既能满足学生在线学习需要，又能满足教师在线管理需要，极大地提高了数字电路实验教学的效果.