基于虛擬儀器的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】本文任務(wù)是了解國內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究成果，結(jié)合所學(xué)知識(shí)采用美國NI公司提出的LabVIEW虛擬軟件設(shè)計(jì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)之處：作為高新儀器，虛擬儀器可以與網(wǎng)絡(luò)連接，LabVIEW的Web發(fā)布功能可以將該數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)布到獨(dú)立網(wǎng)站中，為學(xué)生提供一個(gè)自主學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器 虛擬實(shí)驗(yàn)室 LabVIEW 數(shù)字邏輯電路

一、虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)的背景

1.1 虛擬儀器的簡介

虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱Vi）是有美國國家儀器NI公司首次推出的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。它有硬件和軟件兩個(gè)基本因素。硬件主要由數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）構(gòu)成，軟件部分由VISA虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件組成。目前，最著名的虛擬儀器系統(tǒng)是NI的LabVIEW。它是一種專業(yè)圖形化編程語言（G語言）開發(fā)平臺(tái)，類似于C/C++開發(fā)環(huán)境，但又有很大的區(qū)別。其他的計(jì)算機(jī)語言都是采用文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW則是使用圖標(biāo)、控件連接成流程圖，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

1.2 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)生

對(duì)各大高等理工科院校來說，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。很多理工科專業(yè)的學(xué)科都是將理論和實(shí)踐緊密結(jié)合在一起的。通過實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對(duì)課本上的理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和創(chuàng)新能力，增加對(duì)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，以及在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)室是教學(xué)活動(dòng)的重要陣地，也是科研基地。但是，目前很多高校由于資金缺乏、地域時(shí)間的限制、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的不足和質(zhì)量問題、教學(xué)方式和內(nèi)容的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)不完善，給老師和學(xué)生都帶來了很大的不便。虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)，很好的解決了這些問題，不僅引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)，而且指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正常的實(shí)驗(yàn)操作，從而獲得感性和理性上的認(rèn)識(shí)。

二、虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

隨著對(duì)虛擬儀器的研究和開發(fā)，人們已經(jīng)不滿足只能在固定的安裝有虛擬儀器軟件的電腦上才能使用虛擬儀器技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)的局限，此時(shí)，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)就解決了很多問題。虛擬實(shí)驗(yàn)室（VirtualLaboratory）是由美國WilliamWolf教授提出的一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。通過虛擬實(shí)驗(yàn)室，人們就少了地域和時(shí)間限制帶來的麻煩，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在做實(shí)體硬件實(shí)驗(yàn)操作的不便，充分體現(xiàn)“軟件就是儀器”，實(shí)現(xiàn)儀器、設(shè)備、數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)資源的共享。

2.1 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室在國外的研究

目前很多高校已經(jīng)將虛擬儀器技術(shù)引用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)上來，給學(xué)生們的理論實(shí)踐學(xué)習(xí)帶來了很大的幫助。

美國勃蘭特大學(xué)機(jī)電工程系建立了一個(gè)基于虛擬儀器的功能完善的本科生實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)在老師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)室利用了LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能，通過IE等瀏覽器，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和操作這些虛擬工具。這樣的好處是便于初學(xué)者更快了解和使用虛擬儀器；避免耗費(fèi)時(shí)間和精力在實(shí)驗(yàn)器材的挑選、檢測(cè)和寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無關(guān)的事情上面；提供了一些傳統(tǒng)儀器不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。

Palermo大學(xué)電機(jī)工程系開發(fā)了一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)用來測(cè)量電網(wǎng)上負(fù)荷瞬變時(shí)電閃量，將傳統(tǒng)的電閃測(cè)量儀器中信號(hào)濾波、調(diào)制的部分利用LabVIEW提供的強(qiáng)大的時(shí)域、頻域分析、計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)，使用數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），組建測(cè)試系統(tǒng)更便宜，更靈活，在達(dá)到同樣功能的同時(shí)，能完成更多的分析顯示功能。

2.2 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室在國內(nèi)的研究

在很多全日制高等院校里，由于實(shí)際因素的限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室并不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，特別是像數(shù)字電路這類實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，而虛擬實(shí)驗(yàn)室彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足，目前國內(nèi)許多的大學(xué)和研究院已經(jīng)開始研制和開發(fā)虛數(shù)字電路虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)。

中國石油大學(xué)已經(jīng)在本校的遠(yuǎn)程教育學(xué)院《數(shù)字電子技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用自己開發(fā)的數(shù)字電子技術(shù)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并還專門開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站。

河北工業(yè)大學(xué)運(yùn)用EWB和HTML技術(shù)開發(fā)了基于WWW的電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作，并自己動(dòng)手觀察基本電路分析、模擬電路和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試并記錄結(jié)果。

三、虛擬儀器在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用及意義

隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器在自動(dòng)測(cè)控領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用。而虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)或教學(xué)，是虛擬儀器系統(tǒng)在測(cè)試領(lǐng)域之外的又一應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在電子電路、模擬電路和數(shù)字邏輯電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，更能充分的發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)越性，使得教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研過程變得更加直觀形象，高效方便，同時(shí)也解決了一些不能實(shí)現(xiàn)的硬件電路實(shí)驗(yàn)。

電路、模擬電子和數(shù)字電子都是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程。電路以基本電路理論和應(yīng)用知識(shí)為提綱，主要分析電路中的各種電磁現(xiàn)象和過程，重點(diǎn)講述的是各種基本電路定律和電路分析方法。模擬電路主要內(nèi)容包括半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)、放大電路、運(yùn)算電路以及波形的產(chǎn)生和信號(hào)的發(fā)生電路等。數(shù)字電子主要包括門級(jí)電路、組合電路、時(shí)序電路等。這些都是實(shí)踐性較強(qiáng)的科目，傳統(tǒng)模式下的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)都是在硬件電路實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)際操作完成的。由于儀器設(shè)備的不完善，有些硬件電路實(shí)驗(yàn)不能實(shí)現(xiàn)或者是得不到理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，這給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了很大的不便。

四、基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字邏輯電路仿真的可行性及優(yōu)點(diǎn)

由前面板實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的各種控制和顯示，由程序流程圖實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的邏輯運(yùn)算功能，由連線板來實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的輸入和輸出，是基于虛擬儀器LabVIEW進(jìn)行數(shù)字邏輯電路仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。避免了傳統(tǒng)的基于文本的編程語言的復(fù)雜性，LabVIEW編寫程序只需會(huì)使用圖標(biāo)連成框圖；并且還可以根據(jù)用戶的需要自定義虛擬儀器的功能，降低了傳統(tǒng)儀器的功能限制，更快捷的完成實(shí)驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)。

五、結(jié)語

目前，虛擬儀器的發(fā)展越來越快，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣，充分利用LabVIEW強(qiáng)大的功能特點(diǎn)及在測(cè)試和控制上的優(yōu)越性構(gòu)建數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)于各大高校的理工科來說，不管是教學(xué)實(shí)踐還是理論研究都提供了很好的運(yùn)用空間和很大的技術(shù)平臺(tái)。在電子技術(shù)專業(yè)課程上，該系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在硬件儀器操作和器材選擇上的不便，還避免了地域和時(shí)間的限制。對(duì)于學(xué)生來說，可以更快更方便的理解和掌握理論知識(shí)并應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中去。同時(shí)隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)將傳統(tǒng)物理測(cè)試儀器模擬化，避免了傳統(tǒng)儀器和人為造成的誤差，便于調(diào)試和觀察，使得試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]徐有棟.基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.

[2]王行娟.基于LabVIEW的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007年.

[3]張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2008年.

[4]王群燕，商建東，胡東方.基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究[J].礦山機(jī)械，2006年第34卷9期：123-125.