数字电子技术虚拟实训平台设计说明书.doc

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1、数字电子技术虚拟实训平台设计说明书Design Specification for Digital Electronic Technology based Virtual Training Platform 大学数学计算机科学学院二零一四年十二月目 录第1章 系统概述11.1 工程背景11.2 系统开发意义11.3 系统开发目的1第2章 系统分析22.1 系统功能分析22.1.1 功能需求分析22.1.2 性能需求分析22.2 系统功能结构2第3章 开发平台33.1 开发环境33.2 Visual Studio简介33.3 SQL Server数据库编程3第4章 总体设计54.1 系统流程图5

2、4.2 系统功能划分54.3 系统界面设计6第5章 数据库设计85.1 数据流图85.2 实体及E-R图85.3 数据库表设计95.4 数据库及表的建立与实现10第6章 权限管理模块设计126.1 权限管理模块功能概述126.1.1 账户管理126.1.2 访问权限管理126.2 功能模块设计126.3 编程实现及界面设计156.3.1 账户管理156.3.2 登录管理186.3.3 密码修改206.3.4 浏览学生信息21第7章 在线实验预习模块设计237.1 在线实验预习模块功能概述237.2 功能模块设计237.3 编程实现及界面设计23第8章 虚拟实验仿真模块设计258.1 虚拟实验仿

3、真模块功能概述258.2 功能模块设计258.3 编程实现及界面设计25第9章 实验报告管理模块设计369.1 实验报告管理模块功能概述369.2 功能模块设计369.3 编程实现及界面设计379.3.1 撰写、提交实验报告379.3.2 批改实验报告389.3.3 查看实验报告40第10章 通信模块及其网络协议设计4210.1 通信模块功能概述4210.3 编程实现及界面设计4310.3.1 登录/退出效劳器4310.3.2 显示在线用户4410 对话功能的实现44第11章 系统测试及打包发布4811.1 系统的调试与测试4811.2 打包发布48第12章 系统使用说明5412.1 安装与卸

4、载5412.2 系统的根本功能5612.2.1 效劳器端56 学生端58 教师端6212.2.4 问题反应63总 结64第1章 系统概述1.1 工程背景虚拟实验室概念的提出至今仅为二十几年的时间，但因其广阔的应用前景，国内外有很多组织都已经开展了虚拟实验系统相关研究和建设工作，特别是在国外一些著名的大学，已有较多建好并投入使用的虚拟实验系统。与西方兴旺国家相比，国内虚拟实验系统的开展起步较晚，但目前虚拟实验室的建设也得到了应有的重视，已有局部高校初步建立了虚拟实验室。虚拟实训平台的建设，为高校学生提供必要实验环境的同时，大大节省了实验仪器的购置与维护更新的费用，当然也给学生提供了一个更好的稳固

5、理论知识的平台。“数字电子技术是计算机、电子等相关专业非常重要的一门硬件根底课程。“数字电子技术虚拟实训平台的开发和使用，有利于促进数字电子技术理论课程的教学。该平台结合了SQL Server、C#关键技术以及Visual Studio集成环境的优点，实现了管理员对教师、学生信息的查询、添加、修改和删除；学生完成仿真实验、撰写实验报告，遇到问题向教师在线咨询；教师可以在线答疑、查询和批改学生提交的实验报告等功能。1.2 系统开发意义目前，很多高校的计算机、电子等专业硬件类课程的实验教学都是在实验室特定的硬件平台上完成。然而由于经费的限制，造成了实验室的实验设备不能及时地添置和更新，且实验器材又

6、是易损难修的设备，这些都困扰了实验室的建设和开展。虚拟现实技术用软件模拟以实现硬件类课程的教学实验，可以简化实验的操作过程，解决硬件资源的缺乏，打破传统实验室在空间和时间上的约束，培养学生的创新精神；同时，它也可以用于计算机辅助教学，使课堂教学更形象生动。虚拟实训平台将是未来计算机类或电子类实验教学的良好选择，具有广阔的开展前景和较高的研究价值。1.3 系统开发目的在数字电子技术虚拟实训平台上，学生可以提前通过“虚拟实验室预演实验内容，写好实验报告的“静态实验工程、实验原理、实验内容、实验设备等局部后，再到实验室做实验，在实验过程中完成实验报告的“动态实验调试过程、输出分析等局部。在熟悉原理的

7、情况下再去实验室实战操作，不仅提高了实验效率，而且可以解决仪器匮乏问题。开放式虚拟现实技术在计算机、电子等硬件类课程实训平台构建的应用，可以改革实验教学模式，充分调动学生自主学习的积极性。第2章 系统分析2.1 系统功能分析 功能需求分析数字电子技术虚拟实训平台的总目标：在SQL Server数据库下，基于Visual Studio的开发平台，通过C#语言，利用现有资源，开发一个体系结构完善、易维护、具有良好人机交互界面的实训平台，实现智能化虚拟实验的目的，提供适宜的实验理论指导，为用户提供更便利的虚拟实验环境。通过调研，本系统由效劳器端、学生端和教师端构成，主要完成以下一些根本功能：1效劳器

8、端：管理员对教师和学生进行管理，包括对教师、学生信息的查询、添加、修改和删除，同时可以显示在线用户信息。2学生端：实现查阅实验指导书、模拟仿真实验、撰写和提交实验报告和在线咨询等功能。3教师端：实现查询和批改学生实验报告、在线答疑和浏览学生信息等功能。 性能需求分析为了使系统功能齐全，操作简便，最大程度提高软件质量，从而满足用户的实际需要，数字电子技术虚拟实训平台应具有以下性能。1实用性设计应以满足数字电子技术教学者和被教学者为主要目标。2易操作性要求设计的系统功能齐全，界面友好，操作方便，必要的地方给出提示。3可靠性开发的系统应通过实践检验，被证明是成熟可靠的。应注重稳定性，要求具有高平均无

9、故障时间和低平均故障率。提供容错设计，有故障检测和恢复手段。4可扩展性系统设计应充分考虑其总体架构，便于今后的扩展。2.2 系统功能结构系统主要由效劳器端、学生端和教师端三个局部构成。每个局部实现各自的功能。效劳器端的功能由权限管理模块和通信管理模块实现；学生端的功能由通信管理模块、在线实验预习模块、虚拟仿真模块和实验报告管理模块实现；教师端的功能由通信管理模块、实验报告管理模块和权限管理模块实现。具体结构如图1所示。图1 系统结构图第3章 开发平台3.1 开发环境硬件系统CPU：Pentium 233以上内存：512M以上硬盘：至少50M的硬盘可用空间显示器：VGA，显示分辨率为102476

10、8以上软件环境操作系统：Windows XP或更高版本开发工具：Visual Studio 2021、SQL Server 20213.2 Visual Studio简介Visual Studio(VS)是目前最流行的Windows平台应用程序的集成开发环境之一。VS的主要功能：1快速的应用程序开发2高效的团队协作3突破性的用户体验3.3 SQL Server数据库编程SQL(Structured Query Language)即结构化查询语言，其主要功能就是同各种数据库建立联系、进行沟通。例如用SQL语句更新数据库中的数据、从数据库中获取数据等。SQL作为关系型数据库管理系统的标准语言被Or

11、acle、Sybase、Microsoft SQL Server、MySQL等系统广泛使用。虽然很多数据库都对SQL语句进行了再开发和扩展，但是包括Select、Insert、Update、Delete、Create以及Drop在内的标准SQL命令仍然可以用来完成几乎所有的数据库操作。下面简要介绍数据库的相关知识与操作。1数据库根本知识这里介绍的数据库都是指关系数据库，与电子表格的行和列类似。在关系数据库中，行称为记录，列称为字段。表：表是由其包含的各种字段定义的，每个字段描述了它所含有的数据。创立一个数据库时，须为每个字段分配一个数据类型、最大长度和其它属性。字段：字段可包含各种字符、数字甚

12、至图形。记录：记录包含了特定对象的所有信息。一般来说，数据库表创立时任意两个记录都不能相同。键：键是表中的某个字段或多个字段，可为快速检索而被索引。键可以是唯一的，也可以不唯一，取决于其是否允许重复。唯一键可以指定为主键，用来唯一标识表的每行。关系：数据库可以由多个表组成，表与表之间可以以不同的方式相互关联。标准化：数据库设计者的任务就是组织数据，而组织数据的方法，应能消除不必要的重复，并为所有必要信息提供快速查找路径。为了到达这种目标而把信息别离到各种独立的表中的过程称标准化。标准化使用许多指定的规那么和不同级别的范式，一般数据库的标准化可通过将包含重复信息的表分成几个独立的表来消除重复。2

13、数据库的建立与访问要建立数据库，首先需要确定要建立数据库的类型。在众多关系型数据库中，SQL Server数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更平安可靠的存储功能，使开发人员可以构建和管理高可用与高性能的数据应用程序。在SQL Server中，查询窗口的设计分为两局部：查询条件和查询结果。查询条件是用户提出的查询要求，到底采用哪些查询条件，需要开发者根据用户和系统的要求进行设计，其具体实现过程大同小异；查询结果是指用户所需要的数据，它包括根据查询条件查询出来的记录，但并非表中每个字段里的数据都需要提供应用户。另外，在SQL Server数据库中，关键字是用索引实现的，在对表的记录集编程时，

14、只需调用索引名即可。例在本系统中要查询所有教师信息，那么可以用如下代码实现：using System.Data;using System.Data.SqlClient;private SqlConnection sql_con;private SqlCommand sql_com;private SqlDataReader sqldr;/远程登录效劳器连接方式Stringsqlstr=DataSource=+Iptxt.Text.Trim()+,+1433+;NetworkLibrary=DBMSSOCN;Initial Catalog=student;User Id =sa;Password

15、=1216657001;/本地数据库连接方式/string sqlstr =server=Localhost;database=student;Trusted_Connection=SSPI sql_con = new SqlConnection(sqlstr);sql_con.Open();sql_com = new SqlCommand(select * from t_info, sql_con);sqldr = sql_com.ExecuteReader();sqldr.Close();sql_con.Close();上例中，sql_con是数据库连接字符串，sql_com查询命令，sq

16、ldr是数据容器。执行上述SQL命令后，将查询到的数据放到数据容器sqldr中。此外，SQL Server还提供了数据库表的创立、删除以及表记录的插入、修改和删除等功能，这些都可在VS中通过相应的SQL语句来实现，具体过程与查询操作大致相同，故不详述。第4章 总体设计4.1 系统流程图用户先选择自己的身份，在相应的登陆界面，输入用户名、密码信息后，系统验证信息是否正确，假设正确那么会启动欢送对话框，系统在后台加载资源；否那么弹出登陆失败对话框。用户成功进入主界面后，可通过单击菜单项选择项调用相应模块完成指定功能。详细的数据流程图如图2所示。图2 系统详细数据流程图4.2 系统功能划分为了给用户

17、一个清晰直观的系统认识，本系统功能架构图如图3所示。图3 系统功能架构图4.3 系统界面设计。本系统包括三个主界面，分别是效劳器端、学生端和教师端。效劳器端的主界面包括控制台、管理、系统和帮助四个菜单和一些子菜单如图4(a)、(b)所示。学生端的主界面主要包括仿真实验、实验指导、实验报告、在线咨询、系统设置、帮助六个菜单和一些子菜单如图4(c)(g)所示。教师端的主界面包括实验报告、学生信息、在线答疑、系统设置和帮助五个菜单和一些子菜单如图4(h)(j)所示。(a) 效劳器端主界面(b) “管理菜单(c) 学生端主界面 (d) “仿真实验菜单 (e) “实验指导菜单 (f) “实验报告菜单 (

18、g) “在线咨询菜单(h) 教师端主界面 (i) “实验报告菜单 (j) “在线答疑菜单图4 系统主界面和相关主要菜单第5章 数据库设计根据在总体设计阶段确定的系统数据流图及各模块功能，数据库设计阶段包含实体E-R图的设计和数据库表的设计，即在E-R图根底上设计相应的数据库表以实现数据存储功能。5.1 数据流图数字电子技术虚拟实训平台首先需要确定角色管理员或教师或学生。管理员登录效劳器端，开启效劳后可以检测在线人员信息、管理教师和学生的信息等；教师在登录窗口输入教工号和密码，验证成功后进入主界面，教师可以查看学生提交的实验报告、批改实验报告、在线答疑和浏览学生信息等；学生在登录窗口输入学号和密

19、码，验证成功后进入主界面，可以查看实验指导书、仿真实验、向教师在线咨询、提交实验报告以及拓展学习等。详细数据流图如图5所示。(a) 效劳器端数据流图(b) 学生端数据流图(c) 教师端数据流图图5 详细数据流图5.2 实体及E-R图根据需求分析可列出本系统中的所有实体：学生信息表、实验报告表、教师信息表和教师学生表。各实体的E-R图如图69所示其中斜体加下划线的字段表示主码。（1） 学生信息表(学号，姓名，性别，密码，专业，联系方式)图6 学生信息表E-R图（2） 实验报告表(编号，学号，报告内容，提交状态，批改状态，提交日期，批阅日期)图7 实验报告表E-R图（3） 教师信息表(教工号，姓名

20、，性别，职称，密码)图8 教师信息表E-R图（4） 教师学生表(教工号，学号)图9 教师学生表E-R图5.3 数据库表设计数字电子技术虚拟实训平台数据库主要包含4张表，分别是学生信息表、实验报告表、教师信息表和教师学生表。各表的具体字段定义如表14所示。表1 学生信息表表名：s_info字段名数据类型宽度说明snovarchar20学号snamevarchar10姓名sexvarchar4性别pswvarchar20密码majorvarchar20专业telnchar15联系方式表2 实验报告表表名：t_report字段名数据类型宽度说明rnovarchar20编号snovarchar20学号

21、contentvarbinaryMAX报告内容submitnchar10提交状态readnchar10批改状态subDatenchar20提交日期readDatenchar20批阅日期表3 教师信息表表名：t_info字段名数据类型宽度说明tnovarchar20教工号tnamevarchar10姓名sexvarchar4性别postnchar10职称pswvarchar20密码表4 教师学生表表名：ts_info字段名数据类型宽度说明tnovarchar20教工号snovarchar20学号5.4 数据库及表的建立与实现本系统选用的是SQL Server 2021数据库软件，建立系统数据库及

22、表的具体步骤如下：1单击数据库控制台根目录RCHWNZD8SK6OV7U(本机数据库效劳器名)数据库，在数据库上右击新建数据库菜单命令，在弹出对话框中输入student，确定后，系统会在当前目录下添加用户命名的数据库，如图10所示。图10 新建“student数据库2在展开的student数据库下右键表项，选择新建表，弹出新建表设计界面，按照5.3节设计的数据库表的字段信息逐列添加，并在完成后设置表的主键信息，如图11所示以t_report表为例。图11 新表设计界面单击保存按钮，输入新表名称，如t_report，即可完成一张表的设计。3重复步骤2即可依次添加上述另外3张表，从而完成全部表的创

23、立过程，在此不再详细赘述，结果如图12所示表的前缀均为dbo.。图12 系统全部表界面第6章 权限管理模块设计权限管理模块的主要功能是设置教师/学生的账户权限，并管理教师/学生账户。6.1 权限管理模块功能概述根据详细设计阶段的要求，系统被划分为三个终端：学生端、教师端和效劳器端。其中，效劳器端的管理员权限最高，可以添加、修改和删除教师/学生的账户；教师端其次，可以提供登陆系统、修改账户密码及查看学生信息功能；学生端那么只提供登陆系统、修改账户密码功能。 账户管理该局部功能由效劳器端完成，主要包含以下几方面：1添加账户信息当需要添加教师、学生的信息时，需将其逐条录入到后台数据库，完成添加操作。

24、2查询账户信息当需要查看某位教师、学生的详细信息，可以输入局部字段或全部字段信息进行模糊或精确查询。3修改账户信息当教师、学生的信息输入有误或需要更改个人信息时，首先需要查询到原始输入的教师、学生信息记录，然后对其进行修改。4删除账户信息因教师工作变动、学生毕业等其它原因，需要删除其信息时，同理，也需要先查询到原始输入的教师、学生信息记录，然后对记录进行删除。 访问权限管理1登录管理用户教师和学生在使用系统前，首先需要登录系统。登录管理主要实现用户身份的验证，验证成功那么进入系统主界面，否那么弹出报错对话框。2修改密码用户在登录系统后，为了平安起见，可以对自己的密码进行修改。3查看学生信息为了

25、了解该实验课程的学生选修情况，该功能只能被角色为教师的用户拥有，但仅限于查看自己学生的一般信息。6.2 功能模块设计根据6.1节的功能概述，相应设计具体的实现过程。1效劳器端的账户添加、查询、修改和删除功能流程图分别如图13(a)(d)所示。 (a) 添加教师、学生信息 (b) 查询教师、学生信息 (c) 修改教师、学生信息 (d) 删除教师、学生信息图13 效劳器端账户管理流程图2登录系统的整个过程如下：首先用户输入用户名和密码信息，系统获取数据后连接数据库，查询数据库中的用户表进行身份验证，如果用户输入信息与数据库中信息匹配那么验证通过，否那么系统提示“用户名不存在或密码错误信息，登录模块

26、流程图如图14所示。图14 用户登陆模块流程图3修改个人密码流程图如图15所示。图15 修改个人密码流程图4教师端浏览学生信息流程图如图16所示。图16 教师端浏览学生信息流程图6.3 编程实现及界面设计 账户管理由于在效劳器端管理员管理学生账户与管理教师操作相似，故下面以教师账户为例下同，分别实现添加、查询、修改和删除账户的代码。/添加账户信息public void SqlAdd() try str = server=Localhost;database=student;Trusted_Connection=SSPI;str2 = insert into t_info values( + t

27、xtid.Text.Trim() + , + txtname.Text.Trim() + , + comboBox.Text.Trim() + , + txtpsw.Text.Trim() + );sql_con = new SqlConnection(str);sql_com = new SqlCommand(str2, sql_con);sql_con.Open();sql_com.ExecuteNonQuery();sql_con.Close();MessageBox.Show(添加成功！, 提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Informa

28、tion); catch(Exception) MessageBox.Show(添加失败，请检查网络！, 错误, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error); /查询账户信息public void SqlQuery() try str = server=Localhost;database=student;Trusted_Connection=SSPI; str2 = select tno 教工号, tname 姓名, sex 性别, psw 密码 from t_info where tno= + txtid.Text.Trim() + ; sql_

29、con = new SqlConnection(str); sql_con.Open(); sql_com = new SqlCommand(str2, sql_con); sqldr = new SqlDataAdapter(); sqldr.SelectCommand = sql_com; DataSet ds = new DataSet(); sqldr.Fill(ds, emp); dataGridView1.DataSource = ds.Tables0; sql_con.Close(); catch(Exception) MessageBox.Show(查询失败，请检查网络！, 错

30、误, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error); /修改账户信息public void SqlModify() try str = server=Localhost;database=student;Trusted_Connection=SSPI; str2 = update t_info set tname = + txtname.Text.Trim() + ,sex = + comboBox.Text.Trim() + ,psw = + txtpsw.Text.Trim() + where tno = + txtid.Text.Trim();

31、sql_con = new SqlConnection(str); sql_com = new SqlCommand(str2, sql_con); sql_con.Open(); sql_com.ExecuteNonQuery(); sql_con.Close(); MessageBox.Show(修改成功！, 提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); catch(Exception) MessageBox.Show(修改失败，请检查网络！, 错误, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.

32、Error); /删除账户信息public void SqlDelete() try string strcom = delete from t_info where tno = + tno; sql_com = new SqlCommand(strcom, sql_con); sql_con.Open(); sql_com.ExecuteNonQuery(); sql_con.Close(); MessageBox.Show(删除成功！, 提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); catch(Exception) Messa

33、geBox.Show(删除失败，请检查网络！, 错误, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error); 相应的界面如图1720所示。图17 添加账户对话框图18 查询账户信息对话框图19 修改账户信息对话框图20 删除账户对话框 登录管理private void loginBtn_Click(object sender, EventArgs e) IPAddress ip; /效劳器IP地址 if (IPAddress.TryParse(Iptxt.Text, out ip) int port;/端口&port65535|port0 if (int.T

34、ryParse(Porttxt.Text, out port) string sqlstr = Data Source= + Iptxt.Text.Trim() + , + 1433 + ;Network Library=DBMSSOCN;Initial Catalog=student;User Id =sa;Password=1216657001; sql_con = new SqlConnection(sqlstr);tryif (Accounttxt.Text = string.Empty | Passwordtxt.Text = string.Empty)/账号检查MessageBox

35、.Show(账号密码不允许为空！, 错误提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);else/登录到效劳器sql_con.Open();sql_com = new SqlCommand(select tno from t_info, sql_con);sqldr = sql_com.ExecuteReader();bool flag = false;while (sqldr.Read()if (sqldr0.ToString().Trim() = Accounttxt.Text.Trim()flag = true;break;sqldr.Cl

36、ose();if (flag)sql_com = new SqlCommand(select * from t_info where tno= + Accounttxt.Text.Trim(), sql_con);sqldr = sql_com.ExecuteReader();sqldr.Read();user.tno = Accounttxt.Text.Trim();user.tname = sqldr1.ToString().Trim();user.ip = Iptxt.Text.Trim();user.port = port;if (sqldr3.ToString().Trim() =

37、Passwordtxt.Text.Trim()Random random = new Random();user.udpport=random.Next(10024, 65500);user.tpsw = Passwordtxt.Text.Trim();sqldr.Close(); sql_con.Close();this.Hide();MainFrm mainfrm = new MainFrm();mainfrm.user = user;mainfrm.Show();elsesqldr.Close(); sql_con.Close();MessageBox.Show(密码错误，请重新输入！,

38、 错误提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);Passwordtxt.Text = string.Empty;elsesqldr.Close(); sql_con.Close();MessageBox.Show(你输入的账号不存在，请重新输入, 错误提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);Accounttxt.Text = string.Empty;Passwordtxt.Text = string.Empty;catch (Exception)MessageBox.Show(登录失

39、败，请检查网络！, 错误提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);elsePorttxt.Text = string.Empty;MessageBox.Show(端口错误，请重新输入！, 错误提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);elseMessageBox.Show(效劳器地址填写错误，请重新输入！, 错误提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);Iptxt.Text = string.Empty;登录界面如图21所示。图21

40、登录对话框 密码修改public void SqlSetPsw() try String str = Data Source= + user.ip + , + 1433 + ;Network Library=DBMSSOCN;Initial Catalog=student;User Id =sa;Password=1216657001; sql_con = new SqlConnection(str); sql_com = new SqlCommand(update t_info set psw = + textBox2.Text.ToString() + where tno= + user.

41、tno); sql_com.Connection = sql_con; sql_con.Open(); sql_com.ExecuteScalar(); sql_con.Close(); MessageBox.Show(密码修改成功,请重新登录！, 提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); catch (Exception) MessageBox.Show(修改失败！, 错误提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error); textBox1.Text = string.Empty; textBox2.Text = string.Empty; textBox3.Text = string.Empty; 修改密码界面如图22所示。图22 修改密码对话框 浏览学生信息 public void SqlScan( ) str2 = select s