基于LabVIEW的虛擬實驗平臺設(shè)計

鐘敏靜

【摘 要】本文運用LabVIEW軟件設(shè)計了一個虛擬實驗平臺，運用模塊化的思想，實現(xiàn)了一系列電路基礎(chǔ)實驗。實踐證明，基于LabVIEW的虛擬實驗平臺，不僅節(jié)約了成本，而且能夠幫助學(xué)生們熟練掌握實驗基礎(chǔ)知識及其應(yīng)用方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研興趣。其更新和調(diào)整的實驗方法，也提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量與效率。促進了實驗技術(shù)的進步。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW；虛擬儀器；實驗平臺

【Abstract】In this paper， using LabVIEW software design in a virtual experiment platform. To achieve a series of basic experiment circuit based on the idea of modularization. Practice has proved， The virtual experiment platform based on LabVIEW， not only save the cost， but also can help the students master the experimental basic knowledge and application methods， is helpful to cultivate students innovation ability and scientific research interest. Its update and adjust the experimental methods， but also improved the quality and efficiency of experiment teaching. Promote the progress of the experimental technology.

【Key words】LabVIEW； Virtual instrument； Digital circuit

0 引言

高校實驗教學(xué)的地位舉足輕重，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及解決問題的能力。隨著高校擴招，學(xué)生人數(shù)年年增多，現(xiàn)有的設(shè)備大多數(shù)已無法滿足日益增長的實驗要求。有的實驗課程幾個學(xué)生共用一臺設(shè)備儀器，無法真正鍛煉學(xué)生獨立思考的能力。并且實驗設(shè)備費用較高，投入較大，維修成本高，由于各高校自身條件限制，很難滿學(xué)生開設(shè)所有的實驗課程。美國NI公司推出的LabVIEW軟件語言靈活、開放。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。用軟件代替儀器儀表，大幅降低科研成本，實驗功能易于擴充與管理。同時虛擬實驗突破了時間與地點的限制，在教學(xué)與科研領(lǐng)域具有廣闊的前景，是實驗教學(xué)的全新發(fā)展方向。[1]

1 虛擬數(shù)字電路實驗平臺的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段數(shù)字電子實驗室里，利用數(shù)電實驗箱即可完成基礎(chǔ)性和綜合性的實驗操作，本文利用LabVIEW開發(fā)軟件中的多個虛擬控件組建了一個虛擬的數(shù)字電路實驗平臺來完成與實驗箱相同的實驗任務(wù)。該虛擬實驗平臺由七段字形顯示器、邏輯電平指示器、七段譯碼器、數(shù)字集成塊、脈沖/電平轉(zhuǎn)換、脈沖發(fā)生器、邏輯高低電平開關(guān)、時鐘發(fā)生器及偏置電源組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

其中，時鐘/脈沖信號源可以為數(shù)字電路提供不同頻率、波形的時鐘信號和脈沖信號。七段字形顯示器可以把電路的狀態(tài)以十進制的方式呈現(xiàn)出來，例如時鐘顯示。邏輯電平指示器主要作用是對輸出電平的高低進行顯示。輸入邏輯電平開關(guān)可以為數(shù)字電路輸入與輸出之間邏輯關(guān)系的分析提供高低電平。數(shù)字集成塊是所有芯片的集中區(qū)，也是核心區(qū)域。偏置電源為各類電路正常工作提供有效的電壓。[2]

1.1 虛擬JK觸發(fā)器設(shè)計

將設(shè)計好的JK觸發(fā)器封裝到一個子VI，其基本邏輯功能已經(jīng)實現(xiàn)。然后利用LabVIEW的循環(huán)結(jié)構(gòu)和移位寄存器以及調(diào)用時鐘信號來實現(xiàn)時鐘信號驅(qū)動下的持續(xù)觸發(fā)。我們將一次時鐘翻轉(zhuǎn)過程封裝成一個子VI。

1.2 虛擬四位加法器設(shè)計

多位全加器連接可以是逐位進位，也可以是超前進位。逐位進位也稱串行進位，其邏輯電路簡單，但速度也較低。四位全加器可對兩個多位二進制數(shù)進行加法運算，同時產(chǎn)生進位。當(dāng)兩個二進制數(shù)相加時，較高位相加時必須加入較低位的進位項，以得到輸出為和和進位。設(shè)計一位全加器并封裝成子VI。其前面板和程序框圖如圖2所示。

2 虛擬電路實驗平臺

虛擬電路實驗平臺主要介紹一下支路電流法的設(shè)計，該實驗電路的前面板通過自定義控件建立，如圖3所示。其中的電阻與電源都是數(shù)值型的輸入控件，數(shù)值大小是可以調(diào)節(jié)的。支路電流通過數(shù)值型顯示控件表示。

使用單位轉(zhuǎn)換節(jié)點實現(xiàn)有單位數(shù)據(jù)和無單位數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，使用MathScript 節(jié)點生成線性方程組的系數(shù)矩陣和已知向量，利用求解線性方程VI 即Solve Linear Equations.vi求解。[3]

3 總結(jié)

本文結(jié)合現(xiàn)有的實驗室條件，采用LabVIEW技術(shù)實現(xiàn)電路基礎(chǔ)實驗設(shè)計，為現(xiàn)階段高校實驗教學(xué)中的缺陷提供了有效的解決方法。在此基礎(chǔ)之上我們可以將該實驗平臺主VI進行網(wǎng)絡(luò)化，提過瀏覽器可以從遠程登錄進入虛擬實驗平臺的主界面，點擊各個選項可以進行相應(yīng)模塊的虛擬實驗操作，隨時隨地進行實驗教學(xué)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【參考文獻】

[1]伍朝陽.《基于LabVIEW的虛擬實驗的設(shè)計與實現(xiàn)》[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（12）：58.

[2]張小兵，徐善永.《電工與電子技術(shù)實踐教程》[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015（5）：90-91.

[3]司慧玲.《基于LabVIEW的虛擬電路實驗的設(shè)計》[J].電子設(shè)計工程，2013（12）：83-84.

[責(zé)任編輯：王楠]