用LabVIEW 構(gòu)建數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)

1、重慶理工大學(xué)結(jié)課論文基于LabVIEW的虛擬數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) 學(xué) 院：_電子信息與自動(dòng)化學(xué)院_專 業(yè)：_信號(hào)與信息處理_ 課程名稱:_窗口軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境及技術(shù)_任課老師:_ 全曉莉_姓 名:_李成勇_學(xué) 號(hào):_完成時(shí)間:_2011年4_月30日_基于LabVIEW的虛擬數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)摘要: 本文較為系統(tǒng)地介紹了虛擬儀器技術(shù)，主要內(nèi)容包括：虛擬儀器的基本概念、組成及分類，對(duì)虛擬儀器技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)放性和靈活性，適應(yīng)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的分析，提出了將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路，并

2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐探討了將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，分析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的效果。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅拓展了實(shí)驗(yàn)范圍和空間，而且能夠發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向關(guān)鍵詞: 虛擬儀器技術(shù)，試驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)用，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室Design and implementation of digital circuit experiment courses system based on the virtual instrument technologyAbstract: Experiment is an important part of teachi

3、ng, in order to improve the experimental teaching of openness and flexibility to adapt to the needs of modern experimental teaching, Through the analysis of experimental teaching situation, put forward a virtual instrument technology in experimental teaching ideas, Through the practice of teaching r

4、eform experiment explored the virtual instrument technology in the teaching of the advantages of experiments analyzed the effect of experimental teaching reform. The analysis revealed the virtual instrument technology in the teaching experiment, not only to expand the experimental scope and space, b

5、ut also to help students develop initiative and creativity, experimental teaching is an important direction of development.key words：Virtual Instrument Technology，Experimental teaching，application，Virtual Instruments Lab引言 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)高校學(xué)生提出了越來(lái)越高的要求，不僅僅要求學(xué)生有基本的理論知識(shí)，而且還要有比較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力。可是隨著近幾年來(lái)高校招生規(guī)模的不斷

6、擴(kuò)大，在校學(xué)生的人數(shù)也成倍增加。學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)并沒(méi)有受到很大的影響，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作卻不能同時(shí)滿足，尤其是理工科學(xué)生，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)操作，抽象的理論知識(shí)很難理解。要是實(shí)驗(yàn)設(shè)備同學(xué)生數(shù)相應(yīng)增加，這就需要增大購(gòu)買實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)，但大多數(shù)學(xué)校并不能投入相應(yīng)的資金。虛擬儀器技術(shù)為解決這一矛盾提供了可能，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合，形成了一種新概念儀器虛擬儀器。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(cè)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、傳送等方面的限制，使使用者可以方便

7、得對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升級(jí)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(dòng)控制、航天等各個(gè)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)字電子技術(shù)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。但其又有許多實(shí)踐電路，僅僅學(xué)理論知識(shí)，沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)做輔導(dǎo)，對(duì)其抽象的知識(shí)也不能完全理解，用LabVIEW 構(gòu)建的數(shù)字電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿足這一要求。一虛擬儀器技術(shù)介紹 1.1虛擬儀器的基本概念虛擬儀器(VirtualInstruments

8、，簡(jiǎn)稱VI)的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司于1986年提出的。虛擬儀器技術(shù)最核心的思想，就是利用計(jì)算機(jī)的硬軟件資源，使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性，真正體現(xiàn)了“軟件就是儀器(The software is The instrument)”的口號(hào)。虛擬儀器是以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)，用戶可根據(jù)自己的需要通過(guò)編制不同的測(cè)試軟件來(lái)構(gòu)成各種功能的測(cè)試系統(tǒng)，其中許多硬件功能可直接由軟件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)具有極強(qiáng)的通用性和多功能性。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替

9、。所以軟件是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。它突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示存儲(chǔ)等方面的限制，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，增加了系統(tǒng)的靈活性。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)不僅能夠降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用，而且能夠節(jié)省綜合系統(tǒng)的組建時(shí)間。同時(shí)，友好的人機(jī)交互界面技術(shù)使人感覺(jué)像操控真實(shí)的儀器一樣，具有身臨其境的感受，另外，其方便的網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享。1.2 LabVIEW的基本概念LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)

10、言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與 C 和 BASIC 一樣，LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)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(chǔ)，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(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 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(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)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)

11、流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。 LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類似的控件，可用來(lái)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(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源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）用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。二實(shí)驗(yàn)教

12、學(xué)的現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著教學(xué)改革的不斷深入發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及深入應(yīng)用，教學(xué)條件有了很大的改善，但是由于一些主客觀原因，實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然存在著許多不盡人意的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1實(shí)驗(yàn)教學(xué)地位重視不足現(xiàn)在高校普遍存在的問(wèn)題是重課堂教學(xué)而忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生大多數(shù)時(shí)間都在進(jìn)行理論學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)是理論的驗(yàn)證和進(jìn)一步深化，特別是工科學(xué)生，如果沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)就像是紙上談兵，學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)沒(méi)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，從而不會(huì)有創(chuàng)造的靈感和基礎(chǔ)。2實(shí)驗(yàn)設(shè)施不能滿足實(shí)驗(yàn)需求在實(shí)驗(yàn)設(shè)施方面的不足主要表現(xiàn)在：一方面，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室大多采用是一些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備，這些儀器與設(shè)備功能單一、技術(shù)落后、通用性很差，不能適應(yīng)學(xué)科的

13、發(fā)展。另一方面，不斷擴(kuò)大的學(xué)生數(shù)量與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量之間的矛盾已經(jīng)非常明顯，許多普通院校都沒(méi)有足夠的經(jīng)費(fèi)購(gòu)置大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如何在不降低教學(xué)質(zhì)量的前提下使學(xué)校以最少的經(jīng)費(fèi)投資達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果，保證每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)很好地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)成了許多高校面臨的重要問(wèn)題。3實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的功能單一、適應(yīng)面窄，不利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性有許多實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不很合理，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)太多，學(xué)生只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的步驟和內(nèi)容去做，不利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。如何把學(xué)生推到實(shí)驗(yàn)主體的位置上，充分挖掘和發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，引導(dǎo)他們向自己的未知領(lǐng)域邁進(jìn)，是至關(guān)重要的。另外，有些實(shí)驗(yàn)太專，只能針對(duì)某一課程而不能兼顧其他

14、課程達(dá)到綜合訓(xùn)練的效果。4實(shí)驗(yàn)資源不能有效利用，開(kāi)放程度較差，管理維護(hù)不便傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有固定的硬件構(gòu)成，只能進(jìn)行特定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)操作，當(dāng)需要增加新的功能時(shí)就需要更新硬件或者購(gòu)買新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，投資較大，而且系統(tǒng)不便維護(hù)。因此，如何改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能夠利用最先進(jìn)的技術(shù)去積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量是每個(gè)高校都面臨的問(wèn)題，探討新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段是目前教育形式的必然要求，是“全面推進(jìn)素質(zhì)教育，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)”的教學(xué)指導(dǎo)思想得以落實(shí)的必然途徑。三、用LabVIEW 搭建數(shù)字電路課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)3.1 數(shù)字電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)分類數(shù)字電路中的物理量的

15、變化在時(shí)間和數(shù)量上都是離散的。也就是說(shuō)，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。用數(shù)字量表示的信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字電路課程所有的實(shí)驗(yàn)中都使用數(shù)字信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，這些信號(hào)通常是0、1表示的二進(jìn)制序列。而LabVIEW中的布爾量真好符合這些特點(diǎn)，我們只需把二進(jìn)制序列用布爾量的真假來(lái)表示即可，這為我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了方便。我們可以將數(shù)字電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)大致分為兩類：一類是基本邏輯電路實(shí)驗(yàn)，也是我們常用的數(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)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)。另一類是綜合設(shè)計(jì)

16、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，筆者在設(shè)計(jì)的過(guò)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，同樣可以設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要用于初學(xué)數(shù)字電子技術(shù)者掌握基本邏輯電路。我們對(duì)所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類后，就可以用LabVIEW設(shè)計(jì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)總面板，整個(gè)面板的功能要求實(shí)現(xiàn)這些數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)，根據(jù)LabVIEW的特點(diǎn)，分前后兩個(gè)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3.1.1是筆者搭建的總面

17、板，3.1.2是后面板的程序圖。3.1.1 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總面板 3.1.2 后面板的程序圖 3.2 各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K分析本系統(tǒng)由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，接下來(lái)就兩個(gè)模塊分別分析一下。、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K我們以譯碼器實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行模塊功能分析，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(gè)二進(jìn)制輸入端A、B、C和8個(gè)譯碼輸出端y0y7。對(duì)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(gè)輸出端變?yōu)橛行Вǖ碗娖剑?，從而達(dá)到譯碼的目的。筆者用LabVIEW設(shè)計(jì)的譯碼器前面板如圖3.2.1，程序面板如圖3.2.2。3.2.1 譯碼器電路前面板3.2.2 譯碼器電路程序面板 本系統(tǒng)中G

18、是選通端（低電平），通過(guò)操作本實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以讓學(xué)生清楚的看到譯碼器電路的功能，的目的寫(xiě)出真值表，達(dá)到學(xué)習(xí)的目的，是抽象問(wèn)題可以簡(jiǎn)單化。 、我們以數(shù)字時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行模塊功能分析，筆者根據(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(hào)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(yǔ)言編寫(xiě)，分時(shí)分秒各個(gè)模塊，比較復(fù)雜，而LabVIEW用圖標(biāo)搭建，模塊單一，功

19、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5是數(shù)字時(shí)鐘顯示面板，圖6是數(shù)字時(shí)鐘程序面板。3.2.3 數(shù)字時(shí)鐘顯示面板3.2.4 數(shù)字時(shí)鐘程序面板整個(gè)程序面板只用到LabVIEW中for循環(huán)結(jié)構(gòu)和case選擇結(jié)構(gòu)，只要搞清楚數(shù)字時(shí)鐘的原理，設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)的功能與其它語(yǔ)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。四 結(jié)論(1)本文是基于LabVIEW技術(shù)開(kāi)發(fā)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)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(guò)程較其它一些語(yǔ)言設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單、方便,而且具有性能相對(duì)穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)中誤差較小、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。與傳統(tǒng)的儀器相比，無(wú)論是從儀器的成本、智能化處理能力、開(kāi)發(fā)難度與升級(jí)周期，還是移植性、儀器功能的定義上，虛