基于ＬａｂＶＩＥＷ的數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

吳正明　李　君

摘要 利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，在計(jì)算機(jī)上通過對前面板和后面板的編寫來完成實(shí)驗(yàn)室及電子課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所涉及的數(shù)字電路的制作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的邏輯功能的模擬仿真，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中具有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器；數(shù)字電路；仿真

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-489X（2009）02-0081-02

隨著低成本高性能的計(jì)算機(jī)資源普及運(yùn)用，數(shù)字化儀器平臺逐漸取代傳統(tǒng)電子儀器已成為一種趨勢。我國理工科學(xué)校的教學(xué)、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備，特別是電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有些儀器設(shè)備價格十分昂貴。因此購置儀器設(shè)備的巨大投入經(jīng)費(fèi)，一般學(xué)校難以承受，造成儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研效果[1]。如果把虛擬儀器運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研中，不但可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，而且能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的質(zhì)量與效率。

1 LabVIEW的編程簡介[2-3]

在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序稱之為VI。VI是LabVIEW的核心，由一個人機(jī)交互的界面——前面板(Front Panel)和相當(dāng)于源代碼功能的框圖程序——后面板（Diagram）組成。

前面板是程序的界面，在這一界面上有控制量(Controls)和顯示量(Indicators)兩類對象。在前面板中，控制量模擬儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的框圖程序，例如開關(guān)、旋鈕；而顯示量則是模擬儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，例如用于顯示波形的窗口等。每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序。框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。框圖程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。

后面板又稱代碼窗口或流程圖，是VI圖形化的源程序，在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出等功能。流程圖中包括前面板上對象的連線端子，還有一些前面板上沒有但編程必須有的對象，如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。

2 數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)[3-4]

在電子技術(shù)課程中，數(shù)字電路作為電類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)是十分重要的環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)包括半加器、全加器、數(shù)據(jù)選擇器等內(nèi)容。

2.1 半加器的設(shè)計(jì)半加器電路是指對兩個輸入數(shù)據(jù)位進(jìn)行加法，輸出一個結(jié)果位，不考慮低位數(shù)據(jù)的進(jìn)位，產(chǎn)生進(jìn)位輸出的加法器電路。

輸入信號：A、B；輸出信號：本位和S，向高位的進(jìn)位C。邏輯表達(dá)式為：，C=AB。

根據(jù)其邏輯關(guān)系用LabVIEW編寫流程圖，如圖1所示。

其實(shí)現(xiàn)功能為：當(dāng)單獨(dú)按開關(guān)A或B時S亮，當(dāng)開關(guān)A，B同時開時C亮，S暗。

2.2 全加器的設(shè)計(jì)在相加的過程中，除最低位外，其余各位既要考慮本位的被加數(shù)Ai和Bi，還要考慮低位向本位的進(jìn)位Ci-1，就是說低位的Ci-1也作為一個獨(dú)立的變量參與運(yùn)算。因此，所謂全加就是求取三個變量（本位Ai、加數(shù)Bi輸入以及低位向本位進(jìn)位Ci-1）的和S及本位向高位的進(jìn)位Ci。

因?yàn)槿悠魇腔诎爰悠髯龀傻模渲胁糠蛛娐肥前爰悠鳎钥梢岳肔abVIEW中子VI的功能將半加器打包成一個子程序，作為VI模塊調(diào)用。如圖2所示。

2.3 平臺的構(gòu)建最后以相同的步驟完成減法器、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器、譯碼顯示等模塊的設(shè)計(jì)，再將實(shí)驗(yàn)仿真模塊整合到一個平臺中，使用時只需點(diǎn)擊選擇模塊按鈕，就能調(diào)用其實(shí)驗(yàn)?zāi)K。這樣在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就可以非常方便地使用和查看各個模塊的功能。這就構(gòu)成一個數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺，如圖3所示。

3 總結(jié)

數(shù)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)是電子技術(shù)課程必須進(jìn)行的一項(xiàng)教學(xué)活動。用虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)各種不帶相關(guān)功能硬件的“虛擬實(shí)驗(yàn)平臺”，不但簡單易行，且交互性、可操作性和真實(shí)感與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)儀器基本相同[5]。由它們組成一個個虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，可以讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬操作，并為實(shí)際使用虛擬儀器設(shè)備和后續(xù)的課程設(shè)計(jì)打下較好的基礎(chǔ)，還可降低教師的勞動強(qiáng)度，減少儀器設(shè)備的損耗，又可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效果。以數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺為例，根據(jù)實(shí)際使用的虛擬儀器模塊整合成一個實(shí)驗(yàn)平臺，可以組建一個基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)室。

參考文獻(xiàn)

[1]周求湛,等.虛擬儀器與LABVIEW7 Express程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版,2004

[2]美國NI公司.LabVIEW基礎(chǔ)教程[M].汪敏生,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002

[3]楊樂平,李海濤,等.LabVIEW高級程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003

[4]北京中科泛華測控技術(shù)有限公司.計(jì)算機(jī)虛擬儀器圖形編程LabVIEW實(shí)驗(yàn)教材[M].1998

[5]武一.基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的仿真[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007