基于LabVIEW的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺

劉麗君+榮黎+姚玉潔+莫翔貴

摘 要：設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，論述了平臺的主要功能和實(shí)現(xiàn)方法。針對如今高校電子類實(shí)驗(yàn)室設(shè)備少而且陳舊，實(shí)驗(yàn)過程中損耗大，難以滿足現(xiàn)在的教育要求，通過使用虛擬儀器，替代傳統(tǒng)的電子設(shè)備來完成更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時結(jié)合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能，有效的提高實(shí)驗(yàn)效率，減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和人才的培養(yǎng)起來非常積極的作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路實(shí)驗(yàn) 虛擬儀器 LabVIEW

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校提高理工科學(xué)生動手能力的重要組成部分，它在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，創(chuàng)新思維等方面起了非常重要的作用。因而創(chuàng)造一個優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)環(huán)境對人才的培養(yǎng)是必不可少的。

但是，就目前大多數(shù)高校的傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)室[1]來講，實(shí)驗(yàn)設(shè)備層次不齊而且大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后于實(shí)驗(yàn)的要求。滯后且稀少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)致部分同學(xué)難以全部參與和投入 ，沒能充分了解和掌握實(shí)驗(yàn)全過程。另外，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容側(cè)重于理論的驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容十分單一，同學(xué)們基本按照實(shí)驗(yàn)書和老師的指導(dǎo)按部就班的完成實(shí)驗(yàn)，這將學(xué)生們的思維限制在一個狹窄的范圍內(nèi)，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高，從而很大程度上制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和人才質(zhì)量的提高。因而改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室迫在眉睫。

虛擬儀器是解決這個問題的方法之一。虛擬儀器[2]是以計(jì)算機(jī)為核心，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與計(jì)算機(jī)融為一體。目前，最著名的虛擬儀器系統(tǒng)是NI的LabVIEW。運(yùn)用LABVIEW技術(shù)，通過對實(shí)驗(yàn)設(shè)備與元器件模塊化設(shè)計(jì)，在使用時只需點(diǎn)擊選擇該模塊，就可以方便的使用這些模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這大大的節(jié)省了實(shí)驗(yàn)器材的費(fèi)用，而且虛擬器材更新速度快。這對培養(yǎng)學(xué)生的動手與創(chuàng)新能力有很大的幫助[3]。

一、平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目利用NI ELVIS平臺中的LabVIEW，其設(shè)計(jì)思想是基于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能 ，采用接口標(biāo)準(zhǔn)化的硬件、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而對數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示則通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，即采用“軟面板“，我們可根據(jù)需要自己定義儀器功能[4]，這樣既可以避開硬儀器問題，而突出、強(qiáng)化對學(xué)生分析及解決問題能力的訓(xùn)練，使虛擬儀器更好的為教學(xué)服務(wù)[5]。該項(xiàng)目主要針對的是數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)， 結(jié)合虛擬儀器自身特點(diǎn)及數(shù)電實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，利用LabVIEW完成數(shù)電實(shí)驗(yàn)，后期可繼續(xù)利用NI Multisim和NI ELVIS相結(jié)合完成模電實(shí)驗(yàn)。

在數(shù)電實(shí)驗(yàn)中，由于虛擬儀器LabVIEW中提供的布爾運(yùn)算VI比較完備，再加上系統(tǒng)本身圖形化的語言風(fēng)格，完全可以做到將“程序——邏輯圖——實(shí)驗(yàn)過程——輸入輸出”等過程的結(jié)合，使過程簡單明晰，可以完成數(shù)字邏輯電路中幾乎所有的實(shí)驗(yàn)及演示，如：半加器、全加器、比較器、計(jì)數(shù)器、與非門、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、譯碼器等等，而且，具體的實(shí)驗(yàn)或演示過程，還可運(yùn)用LabVIEW中程序執(zhí)行過程的“高亮度單步執(zhí)行”模式，充分地觀察到信號的動態(tài)流程和邏輯電路的運(yùn)算過程，甚至可以將某種邏輯運(yùn)算過程單獨(dú)開發(fā)為專門的用戶VI，形成一獨(dú)特功能的新型概念的“虛擬芯片”，供需要時直接調(diào)用。

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。另外，由于軟件容易更新，隨時可以加入最新的算法和研究成果，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能不斷發(fā)展和完善。

二、平臺的檢測與應(yīng)用

為了檢測此實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)用性和穩(wěn)定性。將本平臺應(yīng)用于中南民族大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在短短兩周的時間內(nèi)不僅完成了教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的32個學(xué)時的所有實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還完成了所有的附加實(shí)驗(yàn)，并且把許多課本上提到的芯片，但實(shí)驗(yàn)不作要求的，也全部完成。

1.實(shí)驗(yàn)實(shí)例

劃拳實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)要求：A 、B兩人劃拳，每人出兩只手，一只手可以代表 零或五。兩人同時出拳，并且口中喊出一個數(shù)字（零、五、十、十五、二十），如果喊出的數(shù)字等于A、B兩人四只手的數(shù)值，那就誰贏。但是當(dāng)兩人喊出的數(shù)字相等，結(jié)果都是打平。前面板如圖1所示。

圖1

2.虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較

通過以上實(shí)驗(yàn)的實(shí)例，學(xué)生反映到利用虛擬儀器完成實(shí)驗(yàn)，不再是枯燥的接線，或者是簡單的指示燈來觀察結(jié)果，而是有了自己的設(shè)計(jì)思想，不僅可以有更多的精力用于創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，還利用其圖形化的界面進(jìn)行直觀的實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)過程充滿新鮮感，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，學(xué)習(xí)興趣也大大的加強(qiáng)。將虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較[6]如表1所示。

表1

三、展望

為了改善實(shí)驗(yàn)條件和改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的水平，把虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)必然成為一種趨勢。通過虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以隨時將電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)搬到課堂上進(jìn)行演示，理論聯(lián)系實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)課堂，儀器搬上講臺，現(xiàn)場操作儀器，動態(tài)顯示測試原理，強(qiáng)化了教學(xué)效果。在課下，還可以使每個學(xué)生立刻進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)地反復(fù)操作儀器，教師也不必?fù)?dān)心儀器會被損壞。這樣可以大大提高學(xué)生們在實(shí)際操作中的動手能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠反復(fù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對實(shí)驗(yàn)過程的細(xì)節(jié)放大，加深實(shí)驗(yàn)者的感受，為實(shí)驗(yàn)者提供大量的實(shí)驗(yàn)機(jī)會。而且，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)的廣博，對電子技術(shù)的各方面都能系統(tǒng)便捷地學(xué)習(xí)，這是普通的實(shí)驗(yàn)根本無法比擬的。發(fā)展虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠節(jié)約大量資金和物力，減少器件的損壞，并且能夠不斷更新，利用現(xiàn)有的豐富的計(jì)算機(jī)資源，進(jìn)行學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)和仿真。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立有很重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]伊妍萍，王健，李天石，LabVIEW在教學(xué)測試實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2002

[2]李曉華，馮玉田. 基于組件技術(shù)的虛擬儀器開發(fā)[J].上海.上海大學(xué)學(xué)報(bào)，1999

[3]北京普源精電科技有限公司，虛擬儀器在電子技術(shù)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用前景.北京，1999

[4]陳錫輝.LabVIEW8.2從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007

[5]中國電子行業(yè)信息網(wǎng).虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測控平臺.2001

[6]楊利軍，王學(xué)梅，虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].河北.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006endprint