基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字

1、基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)張兢 李成勇 李雪梅 徐偉（重慶理工大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院 重慶 ）摘要：為了適應(yīng)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，提高實(shí)驗(yàn)的開放性和靈活性。運(yùn)用基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)操作中的優(yōu)勢。通過分析虛擬儀器技術(shù)在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際運(yùn)行效果，表明了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程簡單、方便,而且具有性能穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)誤差小、使用方便靈活以及節(jié)約成本等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以得到廣泛的應(yīng)用。利用該系統(tǒng)不僅拓展了實(shí)驗(yàn)范圍和空間，而且能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù)；LabVIEW；數(shù)字電路；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中圖分類號：

2、TN 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A Design and implementation of digital circuit experiment system based on the virtual instrument technologyZHANG Jing，LI Cheng-yong，LI Xue-mei,XU Wei(Chongqing University of Technology ,College of electronic information and automation, Chongqing ,China)【Abstract】：In order to meet the need o

3、f modern experimental teaching，improve experiment of openness and flexibility. Constructing digital circuit experiment system，fully embodies the virtual instruments in experimental operation of the advantage based on the virtual instrument technology, LabVIEW . Through the analysis of digital circui

4、t experiment in actual effect of virtual instrument technology, shows the digital experiment system more simple and convenient, and some characteristics of relative stability and performance and experiments small errors and use convenient and save costs etc,so can be widely used in experiment teachi

5、ng. Not only expanded experiment scope and space, but also can exert students initiative and creativity. 【Keyword】：Virtual instrument technology ；LabVIEW；digital circuit；experiment system0 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，社會對高校學(xué)生提出了越來越高的要求，不僅要求學(xué)生具有扎實(shí)的理論知識，而且要具有較強(qiáng)的實(shí)際動手能力。可是隨著近幾年來高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在校學(xué)生人數(shù)也成倍增加。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器由于實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)

6、備、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入相對不足等因素已經(jīng)不能滿足需要，學(xué)生的實(shí)際實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練因此也得不到滿足，尤其是理工科學(xué)生，沒有實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，抽象的理論知識很難理解。虛擬儀器技術(shù)為解決這一矛盾提供了可能，虛擬儀器把計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、軟件技術(shù)相結(jié)合，除繼承傳統(tǒng)儀器的常用功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器所不能及的先進(jìn)功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是靈活性，能充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，用戶在使用過程中可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求環(huán)境。它把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力集合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并且突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送等方面

7、的限制，使使用者可以方便的對其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升級等，這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)儀器所不能比擬的。 數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電視、雷達(dá)、通信、電子計(jì)算機(jī)、自動控制、航天等各個領(lǐng)域。例如，在通信系統(tǒng)中，應(yīng)用數(shù)字電子技術(shù)的數(shù)字通信系統(tǒng)，不僅比模擬通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，而且還能應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理和控制。數(shù)字電路作為電子信息類各專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，其重要性不言而喻。其實(shí)踐環(huán)節(jié)尤為重要，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)多、數(shù)量大，電路的類型和器件選擇變化都很大，用LabVIEW 構(gòu)建的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺完全可以滿足這一要求。據(jù)此，本文以LabVIEW為開發(fā)平臺，構(gòu)造了一個實(shí)時(shí)性強(qiáng)、交互性強(qiáng)、使用方便

8、靈活以及節(jié)約成本的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。1 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 LabVIEW的使用LabVIEW作為目前國際上唯一的編譯型圖形化語言，把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能（圖形），使用線條把各種功能連接起來的簡單圖形編程方式。LabVIEW中編寫的框圖程序，很接近程序流程圖。與 C 和 BASIC 一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行

9、等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW中的程序查錯不需要先編譯，若存在語法錯誤，LabVIEW會馬上告訴用戶。只要用鼠標(biāo)點(diǎn)兩三下，就可以很快地查到錯誤的類型、原因以及錯誤的準(zhǔn)確位置，這個特點(diǎn)在程序較大的情況下特別方便。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編

10、程對前面板上的對象進(jìn)行控制。LabVIEW 的圖形化代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。其主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；（2）可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器；（3）使用者可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。（4）同傳統(tǒng)的編程語言相比，采用LabVIEW圖形編程方式可以節(jié)省大約80的程序開發(fā)時(shí)間，并且其運(yùn)行速度幾乎不受影響。1.2數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)分析數(shù)字電路中的物理量的變化在時(shí)間和數(shù)量上都是離散的。也就是說，它們的變化在時(shí)間上是不連續(xù)的，總是發(fā)生在一系列離散的瞬間，這一類物理量也叫數(shù)字量。

11、用數(shù)字量表示的信號就是數(shù)字信號，在數(shù)字電路課程所有的實(shí)驗(yàn)中都使用數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)其功能，這些信號通常是0、1表示的二進(jìn)制序列。而LabVIEW中的布爾量正好符合這些特點(diǎn)，只需把二進(jìn)制序列用布爾量的真假來表示即可，這為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了方便。數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)可以分為兩類：一類是基本邏輯電路實(shí)驗(yàn)，也是常用的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，其中包括組合邏輯電路如編碼器、譯碼器、選擇器等，時(shí)序電路實(shí)驗(yàn)如觸發(fā)器、寄存器、計(jì)數(shù)器等，這些是掌握數(shù)字電路的基礎(chǔ)。另一類是綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如數(shù)字頻率計(jì)、數(shù)字時(shí)鐘、波形發(fā)生器等，本文在設(shè)計(jì)的過程中主要選擇了六種比較常用的綜合電路，以數(shù)字時(shí)鐘電路為例進(jìn)行分析。這些實(shí)驗(yàn)由基本實(shí)驗(yàn)電路組合而成，原

12、理相同，設(shè)計(jì)方法不盡相同。其它的綜合實(shí)驗(yàn)都可以用LabVIEW實(shí)現(xiàn)，主要是掌握基本原理和方法，本系統(tǒng)主要用于初學(xué)數(shù)字電路者掌握基本邏輯電路。1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對數(shù)字電路的所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類后，就可以用LabVIEW設(shè)計(jì)整個實(shí)驗(yàn)總面板，整個面板的功能要求實(shí)現(xiàn)這些數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，根據(jù)LabVIEW的特點(diǎn)，分前后兩個面板，前面板相當(dāng)于實(shí)物儀器中的外部控制面板，后面板是實(shí)現(xiàn)前面板功能的程序圖，相當(dāng)于實(shí)物儀器中的內(nèi)部電路。如圖1是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總面板，圖中的按鈕都是布爾量控制，點(diǎn)下去實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能，和實(shí)物儀器按鍵功能一樣，圖2是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總程序圖，整個程序框圖中主要調(diào)用了事件結(jié)構(gòu)（Eve

13、nt Structure）、While循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)（Case Structure）等典型函數(shù)模塊完成了16個事件的響應(yīng)和實(shí)現(xiàn)等功能。然后根據(jù)各個實(shí)驗(yàn)原理用LabVIEW分別進(jìn)行模塊編程，進(jìn)行子程序調(diào)用，即可完成整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。整個系統(tǒng)都是界面化的，使用者只需點(diǎn)擊相應(yīng)的功能項(xiàng)就可以實(shí)現(xiàn)其功能，這樣設(shè)計(jì)的總面板功能齊全，操作簡單，使學(xué)生容易理解各個電路的功能，進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練和自主學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生的能力培養(yǎng)。圖1 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總面板圖2 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總程序圖2系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，下面就兩個模塊的功能和設(shè)計(jì)過程進(jìn)行闡述。2.1基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K以譯碼器實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)

14、行模塊功能分析，譯碼器的邏輯功能是將每個輸入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)的輸出高、低電平信號。3-8譯碼器電路是最常用的一種小規(guī)模集成電路，它有3個二進(jìn)制輸入端A、B、C和8個譯碼輸出端y0y7。對輸入A、B、C的值進(jìn)行譯碼，就可以確定輸出端y0y7的哪一個輸出端變?yōu)橛行Вǖ碗娖剑瑥亩_(dá)到譯碼的目的。譯碼器前面板如圖3，面板中只用到15個布爾量作為按鈕進(jìn)行控制，面板非常簡單，程序面板如圖4，只調(diào)用了事件結(jié)構(gòu)、While循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)函數(shù)模塊就可以完成譯碼功能。譯碼器電路設(shè)計(jì)的時(shí)候用LabVIEW 中的布爾量代替數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的1，0來表示高低電平，使用簡單，效果相同。本系統(tǒng)中G是選通端（低電平）

15、，通過操作本實(shí)驗(yàn)過程，可以讓學(xué)生直觀的看到譯碼器電路的工作性質(zhì)，寫出譯碼器電路的真值表，達(dá)到學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的目的。圖3 譯碼器電路前面板圖4 譯碼器電路程序面板在此程序的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步創(chuàng)新，只要進(jìn)行小范圍改動，就可以實(shí)現(xiàn)BCD-七段顯示譯碼器的功能，增加一個輸入端D,減少一個輸出端，對應(yīng)七段顯示譯碼器的輸出，編程思想和方法與3-8譯碼器一樣，程序不變，只是把相應(yīng)的布爾量進(jìn)行真假確定，也就是真值表的確定。七段顯示譯碼器前面板如圖5所示，在3-8譯碼器面板的基礎(chǔ)上，增加用布爾量組成具有七段數(shù)碼管顯示功能的LED，和平常使用的實(shí)物L(fēng)ED作用一樣，布爾量用0、1控制真假，真(1)則亮，假(0)則不亮來

16、進(jìn)行譯碼。七段顯示譯碼器程序面板如圖6所示，在3-8譯碼器程序面板的基礎(chǔ)上增加顯示9-15的選擇結(jié)構(gòu)，原理一樣。圖5 七段顯示譯碼器前面板圖6 七段顯示譯碼器程序面板2.2綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K以數(shù)字時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行模塊功能分析，根據(jù)LabVIEW 中布爾量真假變換，用布爾量組成具有七段數(shù)碼管顯示功能的LED。一般的數(shù)字時(shí)鐘具有時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)顯示功能，小時(shí)為24進(jìn)制，分鐘和秒為60進(jìn)制顯示，設(shè)置復(fù)位功能，本系統(tǒng)的復(fù)位時(shí)間是【12：00：00】。設(shè)計(jì)原理與EDA設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘原理一樣，都是數(shù)字信號0,1控制完成秒分時(shí)的計(jì)數(shù)任務(wù)，到相應(yīng)的進(jìn)制進(jìn)位即可，EDA是用VHDL語言編寫，分時(shí)分秒各個模塊，比較復(fù)雜，而

17、LabVIEW用圖標(biāo)搭建，模塊單一，功能一樣，更有利于學(xué)生掌握數(shù)字時(shí)鐘的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思路。如圖7是數(shù)字時(shí)鐘顯示面板，一個LED顯示器用一個簇控件，一個簇用7個布爾量構(gòu)建，和七段顯示譯碼器原理一樣，真假控制，6個LED分別顯示時(shí)分秒。圖8是時(shí)鐘程序面板,整個程序面板只用到LabVIEW中事件結(jié)構(gòu)、for循環(huán)結(jié)構(gòu)和case選擇結(jié)構(gòu)，根據(jù)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)原理，秒分到9必須向前進(jìn)一位，同時(shí)要?dú)w零。LabVIEEW中有時(shí)鐘延遲，這為設(shè)計(jì)提供了方便，用時(shí)鐘控制計(jì)數(shù)器，只要搞清楚數(shù)字時(shí)鐘的時(shí)間間隔，設(shè)計(jì)比較簡單，實(shí)現(xiàn)的功能與其它語言設(shè)計(jì)的功能一樣，而且是界面化的，使用者可以很清楚的看到結(jié)果，從而使抽象的問題簡單化。圖

18、7 數(shù)字時(shí)鐘顯示面板圖8 數(shù)字時(shí)鐘程序面板3 結(jié)論(1)本文是基于LabVIEW技術(shù)開發(fā)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和一些綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程較其它一些語言設(shè)計(jì)過程簡單、方便,而且具有性能相對穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)中誤差較小、使用方便靈活以、節(jié)約成本以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰明了等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以得到廣泛的應(yīng)用。(2) 本系統(tǒng)開發(fā)周期短，成本低，同時(shí)又具有很強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，易于升級和維護(hù)。在使用過程中實(shí)物損耗率低，能夠大大提高儀器的使用效率。后續(xù)的工作是進(jìn)一步完善模塊功能，優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)，將更多流行的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中，是系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大，實(shí)驗(yàn)效果更加明顯。(3) 實(shí)驗(yàn)過程操作簡單，只需點(diǎn)擊相應(yīng)的功能