基于LabVIEW的數字虛擬芯片構建方法及應用

摘 要:基于LabVIEW的信號處理功能，構建數字邏輯虛擬芯片，進而形成虛擬芯片庫，在系統中便認進行各類邏輯圖的連接及數字電路原理圖設計，分析數字電路的邏輯功能及開展基于虛擬儀器的數字電路實驗和教學，還能拓展虛擬儀器新的應用領域。討論了基于LabVIEW的數字電路虛擬芯片構建方法及應用方法。關鍵詞:虛擬芯片; 虛擬儀器; 數字邏輯; 仿真系統

中圖分類號:TN911-34; TP216+.3 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0181-03

Design Method and Application of Digital Logic Virtual Chip Based on LabVIEW

HUANG Jin-wen， WANG Shan-fa， WANG Xiao-min

(Physics Department， Baoshan College， Baoshan 678000， China)

Abstract: The virtual chips were structured and the database of the virtual chips was formed on the basis of the signal processing function of LabVIEW. With the virtual chips， digital logic circuit diagrams can be designed， even the function analysis of logic circuits or experiment for the logical circuit teaching can be done. It is a new application domain of LabVIEW. The design method of the virtual chipis researched based on LabVIEW.

Keywords: virtual chip; virtual instrument; digital logic; simulation system

0 引 言

虛擬儀器LabVIEW目前已廣泛應用于測試領域，其出發點和歸宿是“軟件化的真實儀器”。LabVIEW同時又是一個優秀的仿真系統，但真正處于仿真目的使用的并不多見，本文提出數字“虛擬芯片”概念，并基于LabVIEW實現仿真運用。

所謂“虛擬芯片”，是在充分利用LabVIEW圖形化語言風格和強大信號處理功能的基礎上，設計具有一定顯示界面的虛擬輸入/輸出端子、能完成相應的數字邏輯運算功能或數字信號處理功能的計算機程序，也就是LabVIEW的VI。應當說這是新時期數字邏輯電路設計、實驗或教學的一種新舉措，基于LabVIEW的數字虛擬芯片和原理圖設計與其他仿真系統相比，不但有自身的特點，也是對虛擬儀器系統LabVIEW應用新領域的拓展和補充[1-2]。

1 基于LabVIEW實現虛擬數字邏輯電路仿真的可行性及優點

由前面板實現數字電路的各種控制和顯示，由程序流程圖實現數字電路的邏輯運算功能，是基于虛擬儀器LabVIEW進行數字邏輯電路仿真設計的基礎[3]。LabVIEW的前面板提供了大量數值、布爾控件。后面板提供了大量的函數模塊，使用這些函數可以很方便地調用或設計出各種門電路、編碼器、譯碼器、運算器、存儲器、觸發器、定時器、ADC/DAC等數字電路設計中常用的器件模塊。在數字電路中，高電平和低電平2種邏輯狀態可用前面板中的布爾控件提供;而電路設計中的各種模擬量可以用各種數值型控件及函數信號發生器產生和提供[4-5]。

基于LabVIEW實現虛擬數字邏輯電路的可行性及優點，還表現在以下幾方面[6-7]:

(1) 可充分使用LabVIEW強大的輸入/輸出控件資源

(2)LabVIEW中的圖形化語言風格適合數字電路的邏輯圖構建:

布爾控件圖標與數字邏輯門電路符號相近;圖形化的G語言風格適合邏輯圖的連接。

(3)可開發通用或專用的數字虛擬芯片庫(模塊庫)

(4)LabVIEW虛擬儀器可實現與外部數據的交換

2 基于LabVIEW的數字虛擬芯片設計方法

下面從一個有異步復位、置位端子的虛擬觸發器單元設計開始，以LabVIEW中邏輯運算VI作為虛擬“門電路”單元，構建通用數字邏輯芯片、計數器74160虛擬“芯片”，討論并實現該虛擬芯片的仿真應用。

2.1 具備異步復位、置位端的虛擬觸發器設計

低電平有效的異步置位、復位功能的虛擬JK觸發器特性方程可表示為:

Qn+1=RD(JQn+KQn+SD)(1)

當滿足約束條件RD+SD=1，即RD、SD不同時為有效電平(邏輯值0)時，這2個端子可作為異步置位端(SD)和異步復位端(RD)，即有:

RD=0且SD=1時，Qn+1=0，

RD=1且SD=0時，Qn+1=1，

RD=1且SD=1時，Qn+1=JQn+KQn

使用過程中應當注意滿足約束條件(當RD+SD=0時，始終有Qn+1=0)。

根據式(1)構建的低電平有效的異步置位、復位功能的JK觸發器LabVIEW后面板如圖1所示，其異步置位、復位端動作不受同步CP控制，直接實現操作(觸發器狀態直接被置位或復位)。為實現CP輸入下降沿有效的動作方式，程序中引入了條件結構控制。當無有效CP邊沿輸入時，輸入觸發器端子的數據是J=K=“1”，等價于J=K=0，觸發器處于保持狀態;只有當有效CP下降沿輸入時，觸發器才接收輸入控件J，K的數據，實現相應的動作。圖1中左下角部分程序就是實現CP下降沿輸入有效的控制程序部份。

圖1 異步置位、復位功能的虛擬JK觸發器后面板

定義圖1中VI的各輸入、輸出端子，編輯好相應的VI圖標，將其保存為一獨立VI文件，最后得到對應的VI圖標及連線如圖2所示。這樣的VI圖標即可看作一個虛擬觸發器。

圖2中2個圖標為同一VI在LabVIEW中的2種不同顯示方式，且2個圖標為同一VI分別以不同文件名保存的2個文件。(程序完全相同)

2.2 基于虛擬JK觸發器及LabVIEW虛擬“邏輯門”構建74161芯片

虛擬儀器LabVIEW中的邏輯運算VI，可以完成各種基本邏輯運算，在仿真數字邏輯電路時可當作虛擬的“門電路”直接使用[8-9]，部份圖標如圖3所示。

圖2 異步置位、復位功能的虛擬JK觸發器圖標及連線端子

圖3 LabVIEW中的邏輯運算VI

集成計數器74161的內部邏輯圖如圖4所示[10]。

圖4 74161邏輯圖

它是4位二進制同步加法計數器，有異步清零、預置數端子和兩個使能控制端子，各端子的含義如下[10]:

(1) RD:異步清零端，低電平有效

(2) LD:預置數使能控制端，低電平有效

(3) 預置數據輸入端:A、B、C、D

(4) CP:時鐘輸入端，上升沿有效

(5) 狀態輸出端:QA~QD

(6) RCO:進位輸出

74161的邏輯功能[10]:

(1) 異步清零功能:當RD=0時，不管其余輸入端狀態如何，計數器均被置零，且不受CP控制，故稱為“異步清零”。

(2) 同步并行預置數功能:當RD=1且LD=0時，每一個有效CP都將A、B、C、D輸入端的數據傳送至QA~QD狀態端子接收。

(3) 狀態數據保持功能:當RD=LD=1，且ET#8226;EP=0時，無論CP有無，計數器處于保持狀態(QA~QD保持不變)。保持狀態分2種情況:

EP=0，ET=1:進位輸出RCO保持不變;ET=0，無論EP為何值，進位輸出RCO=0。

(4) 計數功能:當RD=LD=EP=ET=1時，電路處于正常的加法計數狀態。

根據74161邏輯圖，編制相應的LabVIEW后面板，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，對應很好。

圖5 虛擬芯片74161后面板

保留并定義所有輸入端和輸出端子，編輯圖標，將程序保存為子VI，稱之為虛擬74161芯片，其VI圖標及連線端口如圖6所示。

圖6 74161虛擬芯片圖標及端口連線

下面討論虛擬芯片74161設計及應用。

運用1片74161及LabVIEW系統中的邏輯運算VI(相當于虛擬門)圖標直接連接，構建一個14進制計數器，實驗后面板(虛擬邏輯圖)如圖7所示。

圖7所示后面板中用一片74161虛擬芯片，基于74161置數歸零法來實現14進制計數功能(帶進位輸出)。計數容量為0000~1101，置數控制端輸入取LD=QDQCQBQA，進位RCO=QDQCQBQA。

相應的實驗前面板如圖8所示。計數狀態設置為RD=EP=ET=“True”，相當于邏輯1，可從CP控件手動輸入計數脈沖實現計數并實驗。圖中顯示為計數至1101時，進位輸出為1的狀態。當下一個CP到來時，則全部清零重新計數。

仿真實驗的結果表明，虛擬74161具有實際電路芯片相同的邏輯功能。

圖7 單片74161虛擬芯片的直接連接仿真實驗后面板

圖8 單片74161虛擬芯片構建14進制計數器仿真實驗前面板

3 時序虛擬芯片設計應注意的關鍵問題

對于組合邏輯，只須按邏輯圖直接進行連線即可，但對于時序邏輯，應當注意下述問題:

(1) 需要將狀態數據緩存時，應當在數據傳遞過程中使用反饋節點或移位寄存器。

(2) 任一觸發器或時序芯片單元，在同一虛擬電路中不能重復使用(調用)文件名相同的同一子VI程序。

原因是當調用某時序子VI時，其保存的狀態數據將發生變化，從而導致用到同一VI的其他經程序單元狀態數據發生不可預知的錯誤。即虛擬電路中使用的任一時序單元對應的子VI都應當保證是惟一的獨立(子)程序，要多次使用就必須分別以不同文件名保存后再分別調用。

4 結 語

將虛擬儀器的強大功能應用于數字邏輯電路的仿真，在虛擬儀器系統中構建各種虛擬“芯片”，并以此作為虛擬“元件”，可進一步“搭建”各種虛擬“數字電路”。虛擬儀器應用于數字電路的仿真技術，可以高效快捷地設計數字電路的原理圖、分析數字電路的邏輯功能及開展基于虛擬儀器的數字電路實驗、教學，同時還能拓展虛擬儀器新的應用領域。

參考文獻

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