基于LabVIEW的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)習(xí)平臺(tái)

王詠寧　毛多鷺

摘 要： 為了提高“微型計(jì)算機(jī)原理”教學(xué)質(zhì)量，以LabVIEW軟件為主要開發(fā)工具，針對(duì)“微型計(jì)算機(jī)原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問題，通過仿真、演示、驗(yàn)證等功能，建立了一個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目充分融合的虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：將課程中原本抽象、枯燥的理論知識(shí)生動(dòng)、形象的展示出來，無需任何硬件就能方便的對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)習(xí)和驗(yàn)證，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有顯著效果。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 微機(jī)原理； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 學(xué)習(xí)平臺(tái)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）18?0033?03

Abstract： In order to improve the teaching quality of microcomputer principle， and solve the problems appearing in the process of microcomputer principle experimental teaching， a virtual learning platform fully fused theory and practice was established by taking LabVIEW as main development tool. The abstract and boring theory knowledges are exhibited by the vivid image mode， in which there is no any hardware to be needed to learn and validate experimental projects conveniently. Moreover， it has a significant effect to improve the quality of experimental teaching.

Keywords： LabVIEW； microcomputer principle； experimental teaching； learning platform

微型計(jì)算機(jī)原理是研究微型計(jì)算機(jī)的硬件組成與結(jié)構(gòu)、工作原理與外部設(shè)備接口技術(shù)的課程，也是計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)電等專業(yè)重要的硬件課程，是進(jìn)一步從事工程應(yīng)用的重要基礎(chǔ)[1]。但由于微機(jī)內(nèi)部芯片的高度集成化，在實(shí)際教學(xué)中其工作原理抽象難講，各時(shí)序狀態(tài)下信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化也很難用語言描述，學(xué)習(xí)者往往難以理解。傳統(tǒng)的多媒體課件由于缺乏有效的交互和實(shí)時(shí)控制，也無法取得較好的效果[2]，大多實(shí)驗(yàn)由于受到硬件環(huán)境的制約，也不便于學(xué)習(xí)者隨時(shí)隨地行進(jìn)學(xué)習(xí)、驗(yàn)證和應(yīng)用。LabVIEW是圖形化的編程語言，具有開發(fā)效率高、界面美觀友好、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，利用LabVIEW針對(duì)微機(jī)原理課程教學(xué)和學(xué)習(xí)的需要，設(shè)計(jì)出友好的學(xué)習(xí)界面，學(xué)習(xí)者可實(shí)時(shí)操作，將信號(hào)時(shí)序直觀的顯示出來，并通過實(shí)驗(yàn)應(yīng)用環(huán)節(jié)加深理解，不受時(shí)間、環(huán)境等因素限制。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，可以進(jìn)行對(duì)照演示，在觀察現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過程中強(qiáng)化對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，有效地提高學(xué)習(xí)者的積極性和主動(dòng)性[4]。

1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

自主學(xué)習(xí)平臺(tái)以圖形化編程語言LabVIEW為主體開發(fā)軟件，把虛擬儀器引入教學(xué)及實(shí)驗(yàn)中，操作簡(jiǎn)單、形象直觀。教師可以實(shí)時(shí)進(jìn)行演示和講解，學(xué)生可以自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過知識(shí)介紹、功能仿真演示、應(yīng)用舉例、問題分析等模塊，逐步加深學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。學(xué)習(xí)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

微機(jī)原理中接口部分內(nèi)容枯燥難懂，而實(shí)驗(yàn)又受場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)條件的限制，一直是教學(xué)中的難點(diǎn)[5]，以74LS138譯碼器及可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Intel 8253等接口芯片為例，按模塊分別介紹學(xué)習(xí)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 知識(shí)介紹模塊

選擇相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)入知識(shí)介紹模塊，了解課程中常用接口芯片的相關(guān)知識(shí)，如圖2所示。選擇74LS138譯碼器知識(shí)介紹，在前面板使用字符輸出及圖片輸出控件，將芯片的功能、引腳等知識(shí)以文字和圖片形式顯示，使學(xué)習(xí)者在使用前熟悉其工作原理。

2.2 工作方式學(xué)習(xí)及仿真演示模塊

微機(jī)原理是一門工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)課程，掌握了相關(guān)芯片的工作方式，才能為后續(xù)的動(dòng)手實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。本模塊中將定時(shí)計(jì)數(shù)器8253、中斷控制器8259、并行接口芯片8255等可編程接口的工作方式及時(shí)序變化進(jìn)行虛擬仿真，學(xué)習(xí)者可根據(jù)需要自主選擇相應(yīng)方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，并通過演示功能進(jìn)行交互體會(huì)見圖3。選擇8253定時(shí)計(jì)數(shù)器操作界面，8253的6種工作方式分放在6個(gè)選項(xiàng)卡中，在下拉列表中可選擇正常計(jì)數(shù)、門控信號(hào)影響和重寫入計(jì)數(shù)值3種過程，界面可圖文并茂的顯示相關(guān)文字說明和圖例，單擊演示按鈕后即可打開演示窗口，學(xué)習(xí)者可通過設(shè)置不同參數(shù)實(shí)時(shí)顯示出該工作方式下各種信號(hào)引起的時(shí)序變化情況。

仿真演示界面以8253工作方式四為例進(jìn)行介紹，如圖4所示。操作前面板設(shè)計(jì)中使用了數(shù)值輸入、波形顯示、布爾控制等控件，學(xué)習(xí)者可自行設(shè)置計(jì)數(shù)初值，選擇重寫入計(jì)數(shù)值，改變GATE門控信號(hào)、暫停等操作。實(shí)時(shí)觀察OUT輸出信號(hào)的變化，8253方式四為軟件啟動(dòng)，不自動(dòng)重復(fù)計(jì)數(shù)，寫入控制字后OUT輸出高電平，若GATE=1，則裝入計(jì)數(shù)初值后立即開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束后，OUT輸出一個(gè)CLK周期寬的負(fù)脈沖[6]。重寫計(jì)數(shù)值及GATE信號(hào)變化對(duì)OUT輸出的影響都可由學(xué)習(xí)者自行操作觀察。整個(gè)仿真程序由一個(gè)While循環(huán)構(gòu)成，由“退出”按鈕控制循環(huán)結(jié)束，內(nèi)部用一個(gè)While循環(huán)通過頻率參數(shù)控制信號(hào)輸出的速度[7]。時(shí)鐘信號(hào)CLK、寫信號(hào)WE、門控信號(hào)GATE、輸出信號(hào)OUT、計(jì)數(shù)初值等變量進(jìn)入循環(huán)體內(nèi)，CLK信號(hào)在循環(huán)體中由移位寄存器回送并轉(zhuǎn)向產(chǎn)生周期性變化的時(shí)鐘信號(hào)[8]，循環(huán)體內(nèi)通過多個(gè)CASE結(jié)構(gòu)選擇在重寫入計(jì)數(shù)值、GATE信號(hào)變化及計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)對(duì)OUT輸出信號(hào)的影響。

3 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用舉例

本模塊按EL?I實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境，對(duì)各接口實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)模擬仿真。如圖5所示為8255并行口實(shí)驗(yàn)?zāi)M界面，學(xué)習(xí)者可打開實(shí)驗(yàn)說明了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，掌握實(shí)驗(yàn)原理，通過數(shù)字輸入鍵設(shè)置8255工作方式控制字，下方對(duì)應(yīng)的文本顯示框中會(huì)實(shí)時(shí)顯示出相應(yīng)的工作方式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，寫入控制字10010000B后，將A口設(shè)置為輸入口，連接8個(gè)開關(guān)；B口設(shè)置為輸出口，連接8個(gè)發(fā)光二極管，選擇方式0工作[9]?？稍贑S0?CS7中任選一個(gè)與8255的選片信號(hào)CS8255相連，相應(yīng)的端口地址如下文體框中顯示，設(shè)置正確后可實(shí)時(shí)通過開關(guān)控制發(fā)光二極的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)程序中提供了參考程序見圖6。

4 結(jié) 語

利用LabVIEW將微機(jī)原理中各種時(shí)序關(guān)系及接口實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真，能將枯燥抽象的理論變得生動(dòng)可見；通過友好的操作界面可實(shí)時(shí)進(jìn)行演示、驗(yàn)證，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)；LabVIEW開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)效率高、成本低、本系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展功能[10]，可極大地豐富微機(jī)原理教學(xué)方法，是一套很好的輔助教學(xué)工具，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

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