用LabVIEW 構(gòu)建數(shù)字電路課程實驗

1、重慶理工大學結(jié)課論文基于LabVIEW的虛擬數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) 學 院：_電子信息與自動化學院_專 業(yè)：_信號與信息處理_ 課程名稱:_窗口軟件開發(fā)環(huán)境及技術(shù)_任課老師:_ 全曉莉_姓 名:_李成勇_學 號:_完成時間:_2011年4_月30日_基于LabVIEW的虛擬數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)的研究與實現(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，對虛擬儀器技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行了展望。實驗是教學中的一個重要環(huán)節(jié)，為了提高實驗教學的開放性和靈活性，適應現(xiàn)代實驗教學的需要，通過對實驗教學現(xiàn)狀的分析，提出了將虛擬儀器技術(shù)應用于實驗教學的思路，并

2、通過實驗教學改革實踐探討了將虛擬儀器技術(shù)應用于實驗教學的優(yōu)勢，分析了實驗教學改革的效果。通過分析發(fā)現(xiàn)將虛擬儀器技術(shù)應用于實驗教學，不僅拓展了實驗范圍和空間，而且能夠發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，是實驗教學的一個重要發(fā)展方向關(guān)鍵詞: 虛擬儀器技術(shù)，試驗教學，應用，虛擬儀器實驗室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 隨著科學技術(shù)的進步，社會對高校學生提出了越來越高的要求，不僅僅要求學生有基本的理論知識，而且還要有比較強的實際動手能力。可是隨著近幾年來高校招生規(guī)模的不斷

6、擴大，在校學生的人數(shù)也成倍增加。學生學習理論知識并沒有受到很大的影響，但實際實驗操作卻不能同時滿足，尤其是理工科學生，沒有實驗操作，抽象的理論知識很難理解。要是實驗設(shè)備同學生數(shù)相應增加，這就需要增大購買實驗設(shè)備經(jīng)費，但大多數(shù)學校并不能投入相應的資金。虛擬儀器技術(shù)為解決這一矛盾提供了可能，隨著計算機技術(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，計算機技術(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(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、得對其進行維護、擴展、升級等，這些特點是傳統(tǒng)儀器所不能比擬的。 數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用于電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等各個領(lǐng)域。例如，在通信系統(tǒng)中，應用數(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、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(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。但其又有許多實踐電路，僅僅學理論知識，沒有相應的實驗做輔導，對其抽象的知識也不能完全理解，用LabVIEW 構(gòu)建的數(shù)字電子虛擬實驗平臺可以滿足這一要求。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、，簡稱VI)的概念，是美國國家儀器公司于1986年提出的。虛擬儀器技術(shù)最核心的思想，就是利用計算機的硬軟件資源，使本來需要硬件實現(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。虛擬儀器是以通用計算機為核心的硬件平臺，用戶可根據(jù)自己的需要通過編制不同的測試軟件來構(gòu)成各種功能的測試系統(tǒng)，其中許多硬件功能可直接由軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)具有極強的通用性和多功能性。虛擬儀器應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儀器都被計算機軟件所代替

9、。所以軟件是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，當基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。它突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示存儲等方面的限制，實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，增加了系統(tǒng)的靈活性。應用虛擬儀器技術(shù)不僅能夠降低系統(tǒng)的開發(fā)與維護費用，而且能夠節(jié)省綜合系統(tǒng)的組建時間。同時，友好的人機交互界面技術(shù)使人感覺像操控真實的儀器一樣，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是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語

10、言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，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)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(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、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)行等等，便于程序的調(diào)試。 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(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，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。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(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器；（3）用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。二實驗教

12、學的現(xiàn)狀近年來，隨著教學改革的不斷深入發(fā)展以及計算機技術(shù)的發(fā)展及深入應用，教學條件有了很大的改善，但是由于一些主客觀原因，實驗教學仍然存在著許多不盡人意的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1實驗教學地位重視不足現(xiàn)在高校普遍存在的問題是重課堂教學而忽視實驗教學，學生大多數(shù)時間都在進行理論學習。實驗是理論的驗證和進一步深化，特別是工科學生，如果沒有足夠的實驗就像是紙上談兵，學生對所學知識沒有一個感性認識，從而不會有創(chuàng)造的靈感和基礎(chǔ)。2實驗設(shè)施不能滿足實驗需求在實驗設(shè)施方面的不足主要表現(xiàn)在：一方面，現(xiàn)在實驗室大多采用是一些傳統(tǒng)的實驗儀器與設(shè)備，這些儀器與設(shè)備功能單一、技術(shù)落后、通用性很差，不能適應學科的

13、發(fā)展。另一方面，不斷擴大的學生數(shù)量與現(xiàn)有的實驗設(shè)備數(shù)量之間的矛盾已經(jīng)非常明顯，許多普通院校都沒有足夠的經(jīng)費購置大量的實驗設(shè)備，如何在不降低教學質(zhì)量的前提下使學校以最少的經(jīng)費投資達到最優(yōu)的教學效果，保證每個學生都有機會很好地完成實驗教學成了許多高校面臨的重要問題。3實驗環(huán)節(jié)設(shè)計的功能單一、適應面窄，不利于發(fā)揮學生的創(chuàng)造性有許多實驗設(shè)計不很合理，驗證性實驗太多，學生只能按照實驗指導書上的步驟和內(nèi)容去做，不利于發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)造性。如何把學生推到實驗主體的位置上，充分挖掘和發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，引導他們向自己的未知領(lǐng)域邁進，是至關(guān)重要的。另外，有些實驗太專，只能針對某一課程而不能兼顧其他

14、課程達到綜合訓練的效果。4實驗資源不能有效利用，開放程度較差，管理維護不便傳統(tǒng)的實驗設(shè)備具有固定的硬件構(gòu)成，只能進行特定的實驗項目和實驗操作，當需要增加新的功能時就需要更新硬件或者購買新的實驗設(shè)備，投資較大，而且系統(tǒng)不便維護。因此，如何改革實驗教學，使學生能夠利用最先進的技術(shù)去積極主動地學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，提高實驗教學質(zhì)量是每個高校都面臨的問題，探討新的實驗教學方法和手段是目前教育形式的必然要求，是“全面推進素質(zhì)教育，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力為重點”的教學指導思想得以落實的必然途徑。三、用LabVIEW 搭建數(shù)字電路課程教學實驗系統(tǒng)3.1 數(shù)字電路教學實驗分類數(shù)字電路中的物理量的

15、變化在時間和數(shù)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(shù)字量。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驗中都使用數(shù)字信號來實現(xiàn)其功能，這些信號通常是0、1表示的二進制序列。而LabVIEW中的布爾量真好符合這些特點，我們只需把二進制序列用布爾量的真假來表示即可，這為我們設(shè)計實驗系統(tǒng)提供了方便。我們可以將數(shù)字電子技術(shù)課程的實驗大致分為兩類：一類是基本邏輯電路實驗，也是我們常用的數(shù)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(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

16、實驗如數(shù)字頻率計、數(shù)字時鐘、波形發(fā)生器等，筆者在設(shè)計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，原理相同，設(shè)計方法不盡相同。其它的綜合實驗都可以用LabVIEW實現(xiàn)，主要是掌握基本原理和方法，同樣可以設(shè)計，本系統(tǒng)主要用于初學數(shù)字電子技術(shù)者掌握基本邏輯電路。我們對所有實驗進行分類后，就可以用LabVIEW設(shè)計整個實驗總面板，整個面板的功能要求實現(xiàn)這些數(shù)字電子技術(shù)課程實驗，根據(jù)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(xiàn)前面板功能的程序圖，相當于實物儀器中的內(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)字電路實驗系統(tǒng)總面板 3.1.2 后面板的程序圖 3.2 各個實驗模塊分析本系統(tǒng)由基礎(chǔ)實驗模塊和綜合實驗模塊組成，接下來就兩個模塊分別分析一下。、基礎(chǔ)實驗模塊我們以譯碼器實驗為例進行模塊功能分析，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。筆者用LabVIEW設(shè)計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），通過操作本實驗過程，可以讓學生清楚的看到譯碼器電路的功能，的目的寫出真值表，達到學習的目的，是抽象問題可以簡單化。 、我們以數(shù)字時鐘實驗為例進行模塊功能分析，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)字時鐘具有時、分、秒計數(shù)顯示功能，小時為24進制，分鐘和秒為60進制顯示，設(shè)置復位功能，本系統(tǒng)的復位時間是【12：00：00】。設(shè)計原理與EDA設(shè)計數(shù)字時鐘原理一樣，都是數(shù)字信號0,1控制完成秒分時的計數(shù)任務(wù)，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LabVIEW用圖標搭建，模塊單一，功

19、能一樣，更有利于學生掌握數(shù)字時鐘的基礎(chǔ)設(shè)計思路。如圖5是數(shù)字時鐘顯示面板，圖6是數(shù)字時鐘程序面板。3.2.3 數(shù)字時鐘顯示面板3.2.4 數(shù)字時鐘程序面板整個程序面板只用到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)字時鐘的原理，設(shè)計比較簡單，實現(xiàn)的功能與其它語言設(shè)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(jié)果。四 結(jié)論(1)本文是基于LabVIEW技術(shù)開發(fā)的數(shù)字電路實驗系統(tǒng)的設(shè)計，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)字電路課程的基礎(chǔ)實驗和一些綜合設(shè)計實驗，設(shè)計過程較其它一些語言設(shè)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、使用方便靈活以及節(jié)約成本等特點，在實驗教學中可以得到廣泛的應用。與傳統(tǒng)的儀器相比，無論是從儀器的成本、智能化處理能力、開發(fā)難度與升級周期，還是移植性、儀器功能的定義上，虛