基于虛擬儀器技術的數字

1、基于虛擬儀器技術的數字電路實驗系統的設計與實現張兢 李成勇 李雪梅 徐偉（重慶理工大學 電子信息與自動化學院 重慶 ）摘要：為了適應現代實驗教學的需要，提高實驗的開放性和靈活性。運用基于LabVIEW的虛擬儀器技術，構建數字電路實驗系統，充分體現了虛擬儀器在實驗操作中的優(yōu)勢。通過分析虛擬儀器技術在數字電路實驗中的實際運行效果，表明了該實驗系統設計過程簡單、方便,而且具有性能穩(wěn)定、實驗誤差小、使用方便靈活以及節(jié)約成本等特點，在實驗教學中可以得到廣泛的應用。利用該系統不僅拓展了實驗范圍和空間，而且能夠充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性。關鍵詞：虛擬儀器技術；LabVIEW；數字電路；實驗系統中圖分類號：

2、TN 文獻標識碼 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 隨著科學技術的進步，社會對高校學生提出了越來越高的要求，不僅要求學生具有扎實的理論知識，而且要具有較強的實際動手能力?？墒请S著近幾年來高校招生規(guī)模的不斷擴大，在校學生人數也成倍增加。傳統的實驗儀器由于實驗場地、實驗設

6、備、實驗經費投入相對不足等因素已經不能滿足需要，學生的實際實驗訓練因此也得不到滿足，尤其是理工科學生，沒有實驗訓練，抽象的理論知識很難理解。虛擬儀器技術為解決這一矛盾提供了可能，虛擬儀器把計算機技術、電子技術、傳感器技術、信號處理技術、軟件技術相結合，除繼承傳統儀器的常用功能外，還增加了許多傳統儀器所不能及的先進功能。虛擬儀器的最大特點是靈活性，能充分利用計算機豐富的軟硬件資源，用戶在使用過程中可以根據需要添加或刪除儀器功能，以滿足不同的實驗需求環(huán)境。它把計算機強大的計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，并且突破了傳統儀器在數據處理、顯示、傳送等方面

7、的限制，使使用者可以方便的對其進行維護、擴展、升級等，這些特點是傳統儀器所不能比擬的。 數字電子技術已經廣泛地應用于電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等各個領域。例如，在通信系統中，應用數字電子技術的數字通信系統，不僅比模擬通信系統抗干擾能力強、保密性好，而且還能應用電子計算機進行信息處理和控制。數字電路作為電子信息類各專業(yè)的主要技術基礎課程之一，其重要性不言而喻。其實踐環(huán)節(jié)尤為重要，數字電路實驗學時多、數量大，電路的類型和器件選擇變化都很大，用LabVIEW 構建的數字電路虛擬實驗平臺完全可以滿足這一要求。據此，本文以LabVIEW為開發(fā)平臺，構造了一個實時性強、交互性強、使用方便

8、靈活以及節(jié)約成本的數字電路虛擬實驗系統。1 數字電路實驗系統的結構設計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，把復雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標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，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等等。LabVIEW 也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執(zhí)行

9、等等，便于程序的調試。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。只要用鼠標點兩三下，就可以很快地查到錯誤的類型、原因以及錯誤的準確位置，這個特點在程序較大的情況下特別方便。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW 則采用數據流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定了VI及函數的執(zhí)行順序。LabVIEW 提供很多外觀與傳統儀器（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。使用圖標和連線，可以通過編

10、程對前面板上的對象進行控制。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。其主要特點有以下幾點：（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)揮計算機的能力，有強大的數據處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器；（3）使用者可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。（4）同傳統的編程語言相比，采用LabVIEW圖形編程方式可以節(jié)省大約80的程序開發(fā)時間，并且其運行速度幾乎不受影響。1.2數字電路課程實驗分析數字電路中的物理量的變化在時間和數量上都是離散的。也就是說，它們的變化在時間上是不連續(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字量。

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

12、理相同，設計方法不盡相同。其它的綜合實驗都可以用LabVIEW實現，主要是掌握基本原理和方法，本系統主要用于初學數字電路者掌握基本邏輯電路。1.3實驗系統總體結構設計對數字電路的所有實驗進行分類后，就可以用LabVIEW設計整個實驗總面板，整個面板的功能要求實現這些數字電路實驗，根據LabVIEW的特點，分前后兩個面板，前面板相當于實物儀器中的外部控制面板，后面板是實現前面板功能的程序圖，相當于實物儀器中的內部電路。如圖1是數字電路實驗系統總面板，圖中的按鈕都是布爾量控制，點下去實現其相應的功能，和實物儀器按鍵功能一樣，圖2是數字電路實驗系統的總程序圖，整個程序框圖中主要調用了事件結構（Eve

13、nt Structure）、While循環(huán)結構、條件結構（Case Structure）等典型函數模塊完成了16個事件的響應和實現等功能。然后根據各個實驗原理用LabVIEW分別進行模塊編程，進行子程序調用，即可完成整個實驗系統。整個系統都是界面化的，使用者只需點擊相應的功能項就可以實現其功能，這樣設計的總面板功能齊全，操作簡單，使學生容易理解各個電路的功能，進行實踐訓練和自主學習，有利于學生的能力培養(yǎng)。圖1 數字電路實驗系統總面板圖2 數字電路實驗系統總程序圖2系統模塊結構設計本系統由基礎實驗模塊和綜合實驗模塊組成，下面就兩個模塊的功能和設計過程進行闡述。2.1基礎實驗模塊以譯碼器實驗為例進

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制代碼譯成對應的輸出高、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?，從而達到譯碼的目的。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行控制，面板非常簡單，程序面板如圖4，只調用了事件結構、While循環(huán)結構、條件結構函數模塊就可以完成譯碼功能。譯碼器電路設計的時候用LabVIEW 中的布爾量代替數字電路實驗中的1，0來表示高低電平，使用簡單，效果相同。本系統中G是選通端（低電平）

15、，通過操作本實驗過程，可以讓學生直觀的看到譯碼器電路的工作性質，寫出譯碼器電路的真值表，達到學習和實驗的目的。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上，可以進一步創(chuàng)新，只要進行小范圍改動，就可以實現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，只是把相應的布爾量進行真假確定，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譯碼器面板的基礎上，增加用布爾量組成具有七段數碼管顯示功能的LED，和平常使用的實物LED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上增加顯示9-15的選擇結構，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綜合實驗模塊以數字時鐘實驗為例進行模塊功能分析，根據LabVIEW 中布爾量真假變換，用布爾量組成具有七段數碼管顯示功能的LED。一般的數字時鐘具有時、分、秒計數顯示功能，小時為24進制，分鐘和秒為60進制顯示，設置復位功能，本系統的復位時間是【12：00：00】。設計原理與EDA設計數字時鐘原理一樣，都是數字信號0,1控制完成秒分時的計數任務，到相應的進制進位即可，EDA是用VHDL語言編寫，分時分秒各個模塊，比較復雜，而

17、LabVIEW用圖標搭建，模塊單一，功能一樣，更有利于學生掌握數字時鐘的基礎設計思路。如圖7是數字時鐘顯示面板，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分別顯示時分秒。圖8是時鐘程序面板,整個程序面板只用到LabVIEW中事件結構、for循環(huán)結構和case選擇結構，根據計數器設計原理，秒分到9必須向前進一位，同時要歸零。LabVIEEW中有時鐘延遲，這為設計提供了方便，用時鐘控制計數器，只要搞清楚數字時鐘的時間間隔，設計比較簡單，實現的功能與其它語言設計的功能一樣，而且是界面化的，使用者可以很清楚的看到結果，從而使抽象的問題簡單化。圖

18、7 數字時鐘顯示面板圖8 數字時鐘程序面板3 結論(1)本文是基于LabVIEW技術開發(fā)的數字電路實驗系統的設計，整個系統可以實現數字電路課程的基礎實驗和一些綜合設計實驗，設計過程較其它一些語言設計過程簡單、方便,而且具有性能相對穩(wěn)定、實驗中誤差較小、使用方便靈活以、節(jié)約成本以及實驗結果清晰明了等特點，在實驗教學中可以得到廣泛的應用。(2) 本系統開發(fā)周期短，成本低，同時又具有很強的兼容性和擴展性，易于升級和維護。在使用過程中實物損耗率低，能夠大大提高儀器的使用效率。后續(xù)的工作是進一步完善模塊功能，優(yōu)化軟件結構，將更多流行的網絡技術應用到系統中，是系統功能更加強大，實驗效果更加明顯。(3) 實驗過程操作簡單，只需點擊相應的功能