基于虛擬儀器的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃燕 李成勇 重慶工程學(xué)院電子信息學(xué)院

引言：隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，我國各大高校的招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，其課程教學(xué)內(nèi)容也伴隨著發(fā)展逐步更新?lián)Q代。社會(huì)對(duì)我國高校的學(xué)生提出了愈來愈高的要求，特別是理工類的專業(yè)，要求學(xué)生在掌握理論專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)的同時(shí)，還應(yīng)具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維方式、認(rèn)真的工作態(tài)度以及扎實(shí)的實(shí)際動(dòng)手能力，能將理論與實(shí)際相結(jié)合，把知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)恰恰是培養(yǎng)這些能力和素質(zhì)的關(guān)鍵，學(xué)生只有在實(shí)驗(yàn)中，才能真正理解并運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，提升實(shí)踐能力。

在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和保存，對(duì)于獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及讓學(xué)生從中理解實(shí)驗(yàn)原理至關(guān)重要。但在如今大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，學(xué)生記錄和分析數(shù)據(jù)的方式通常是通過學(xué)生自己手工，這樣的方式往往會(huì)導(dǎo)致的較大的誤差，并且在后續(xù)整理和查詢實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，也非常不方便。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器相比較，虛擬儀器技術(shù)不僅具備計(jì)算機(jī)強(qiáng)大且靈活的處理能力，并且還擁有可擴(kuò)展性的測量和控制能力，將傳統(tǒng)的儀器設(shè)備的功能集合，一方面減少了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的成本以及每次實(shí)驗(yàn)所需的經(jīng)費(fèi)，另一方面還能隨時(shí)隨地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和傳輸，提供維護(hù)、擴(kuò)展、升級(jí)等功能。虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到應(yīng)用，學(xué)生就可以將虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，突破實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)空間的限制，在較快地掌握實(shí)驗(yàn)儀器的基本原理和使用方法的同時(shí)，大幅度地提升自身的創(chuàng)新和自主學(xué)習(xí)能力，這在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是一種先進(jìn)的技術(shù)手段。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程分析

在如今的高校數(shù)字電子技術(shù)課程中，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)總的來說可以分為兩類：一類是基本邏輯電路實(shí)驗(yàn)，其中包括組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)和時(shí)序邏輯電路實(shí)驗(yàn)，如編碼器、譯碼器、RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器等；另一類是綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包括信號(hào)發(fā)生器、七段數(shù)碼管、數(shù)字時(shí)鐘等。本系統(tǒng)選取部分基本邏輯電路實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析并搭建系統(tǒng)的前面板及程序框圖，當(dāng)學(xué)生想要進(jìn)行某個(gè)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以直接在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)總面板上點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)按鈕，就能夠進(jìn)入到所搭建的相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K當(dāng)中，充分體現(xiàn)虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，并且具有可開發(fā)性、穩(wěn)定性、實(shí)用性等特點(diǎn)，對(duì)于提高我國高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量來說至關(guān)重要。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性分析

在LabVIEW的前面板中提供了大量的虛擬元器件，包括各種形式的開關(guān)、按鈕、指示燈、波形顯示器等等。

只需根據(jù)需求，自定義的在前面板設(shè)計(jì)元器件的位置擺放，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)要求點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)即可開始實(shí)驗(yàn)并能直觀的觀察到實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果。

在LabVIEW的程序框圖面板中，函數(shù)選板里具備了眾多的信號(hào)處理、運(yùn)算，以及數(shù)值運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等函數(shù)模塊，調(diào)用這些模塊就可以設(shè)計(jì)并搭建出各種數(shù)字電路的基礎(chǔ)以及綜合實(shí)驗(yàn)，如編碼器、譯碼器、運(yùn)算器、觸發(fā)器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字時(shí)鐘等。

在數(shù)字電路中，通常存在諸多的模擬量以及高電平和低電平這兩種相對(duì)立的邏輯狀態(tài)。在LabVIEW的控件選板中恰好包含了大量數(shù)值、布爾控件，因此，數(shù)值控件便可以用來表示實(shí)驗(yàn)的各種模擬量，其數(shù)字電路的兩種對(duì)立狀態(tài)也可以巧妙的通過同樣具有真值和假值兩種對(duì)立狀態(tài)的布爾控件來表示。

LabVIEW的程序編寫過程是利用計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)，將代表不同功能的圖標(biāo)（VI）進(jìn)行選擇、組合，并且用表示數(shù)據(jù)流向的連線連接起來。不僅實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方式十分簡單，其可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)需求與傳統(tǒng)硬件設(shè)備的功能也大致相同，同時(shí)還能進(jìn)行思維的擴(kuò)展，提高操作性和可應(yīng)用性范圍。因此，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和經(jīng)費(fèi)成本有限的高校來說，虛擬儀器技術(shù)除了能提高教學(xué)質(zhì)量與效果之外，也具有非常高的便捷性和實(shí)用性，能夠提高大部分學(xué)生的參與程度，讓更多的學(xué)生投入實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的分類，列舉分析構(gòu)建系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的詳細(xì)設(shè)計(jì)，其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K以全加器設(shè)計(jì)為例，綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K以秒表計(jì)時(shí)器。

2.1 全加器

在數(shù)字電路系統(tǒng)中，有一項(xiàng)最重要的基本任務(wù)——算術(shù)運(yùn)算。而在數(shù)字系統(tǒng)中的算術(shù)運(yùn)算與常規(guī)運(yùn)算不同的是，它所有的加、減、乘、除均是通過加法來進(jìn)行的。因此，加法器被稱之為數(shù)字電路系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)也最為重要的模塊。

在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)不考慮低位來的進(jìn)位的加法即是半加。而全加不同，除了最低位之外，在其它位的加法上，全加需要考慮到低位向本位的進(jìn)位。能夠?qū)崿F(xiàn)全加運(yùn)算的電路就稱之為全加器。它具有三個(gè)輸入端：加數(shù)Ai、被加數(shù)Bi還有相鄰低位來的進(jìn)位數(shù)Ci-1；以及兩個(gè)輸出端：和數(shù)Si和向高位的進(jìn)位Ci+1。

當(dāng)輸入端或輸出端為“1”的狀態(tài)時(shí)，布爾控件被點(diǎn)亮，為“0”的狀態(tài)時(shí)則不亮；選定輸入端的值后，點(diǎn)擊確定按鈕，輸出端顯示相應(yīng)結(jié)果，點(diǎn)擊退出按鈕，退出本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。

在本模塊中，當(dāng)輸入端Ai、Bi、Ci-1的布爾控件被點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，即為“1”的狀態(tài)的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，其輸出端和數(shù)Si的布爾控件被點(diǎn)亮，否則不亮。輸出高位進(jìn)位的Ci+1則是當(dāng)輸入端的布爾控件被點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)為2個(gè)及2個(gè)以上時(shí)，其布爾控件才會(huì)被點(diǎn)亮，否則同樣不亮。例如當(dāng)輸入端為“100”的狀態(tài)時(shí)，輸出端和數(shù)Si的布爾控件則會(huì)被點(diǎn)亮，而輸出高位進(jìn)位的Ci+1的布爾控件則不亮。

2.2 時(shí)鐘及秒表計(jì)時(shí)器

時(shí)鐘在人類歷史上已有幾千年的歷史，并且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的發(fā)展，人們的生活也逐漸無法離開時(shí)鐘，它已經(jīng)徹底融入了人們的日常生活，成為一種不可或缺的存在。而在各類比賽以及許多實(shí)驗(yàn)測量當(dāng)中，數(shù)字式秒表也是一種至關(guān)重要的計(jì)時(shí)工具。因此，本次綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)就把時(shí)鐘與數(shù)字式秒表計(jì)時(shí)器的功能結(jié)合，讓它可以在正常進(jìn)行開始、停止、復(fù)位并記錄時(shí)間的同時(shí)，方便人們觀察時(shí)間，其功能簡潔明了，使用方法簡單，易于操作。

當(dāng)水平搖桿開關(guān)波動(dòng)到“時(shí)間”時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間模式，自動(dòng)顯示當(dāng)前時(shí)間；當(dāng)水平搖桿開關(guān)波動(dòng)到“秒表”時(shí)，啟動(dòng)秒表模式，點(diǎn)擊“開始”按鈕進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)，點(diǎn)擊“停止”按鈕停止當(dāng)前計(jì)時(shí)，點(diǎn)擊“清零”按鈕重置當(dāng)前記錄的時(shí)間，點(diǎn)擊“保存”按鈕將保存的數(shù)據(jù)顯示在左側(cè)的文本框中，并存儲(chǔ)在指定的記事本文件里。

2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總面板模塊

實(shí)驗(yàn)總面板就是將所有的實(shí)驗(yàn)仿真模塊整合到一個(gè)平臺(tái)當(dāng)中，學(xué)生只需在使用時(shí)點(diǎn)擊選擇相應(yīng)的模塊按鈕，就能調(diào)用其實(shí)驗(yàn)?zāi)K，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且還能非常方便快捷地進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程也清晰明了。通過這樣一個(gè)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生不僅能鞏固每一門課程的理論知識(shí)，更能利用這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，讓學(xué)生根據(jù)自己的想法搭建自己的系統(tǒng)模塊。

3 測試與調(diào)試

3.1 調(diào)試方法及工具

（1）錯(cuò)誤列表。LabVIEW的編譯過程不像傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)開發(fā)語言，需要程序員進(jìn)行手動(dòng)的編譯，相反，其過程在后臺(tái)自動(dòng)編譯并且將編譯后的目標(biāo)代碼存儲(chǔ)在VI文件中的同時(shí)，還能夠?qū)崟r(shí)地判斷代碼編寫是否正確，其結(jié)果是否能夠正常顯示，連線或節(jié)點(diǎn)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果出現(xiàn)運(yùn)行的異常和中斷，LabVIEW將會(huì)自動(dòng)的彈出錯(cuò)誤列表對(duì)話框，對(duì)話框里會(huì)顯示當(dāng)前VI程序中所出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在錯(cuò)誤列表對(duì)話框中，雙擊其中某項(xiàng)錯(cuò)誤，就可以快速直接的定位到該錯(cuò)誤，并且按照提示的錯(cuò)誤內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的修改。

（2）斷點(diǎn)工具。斷點(diǎn)可以設(shè)置在LabVIEW程序面板中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者連線，其作用就是讓程序在運(yùn)行過程中，當(dāng)運(yùn)行到設(shè)置了斷點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)或連接線時(shí)暫停運(yùn)行，從而檢查在某一段程序編寫中，是否出現(xiàn)編寫上的邏輯錯(cuò)誤，達(dá)到快速定位錯(cuò)誤源的目的。除此之外，還可以用于檢驗(yàn)?zāi)骋欢纬绦虻倪\(yùn)行結(jié)果是否正確，因此，該工具通常與探針工具結(jié)合使用。

3.2 調(diào)試結(jié)果

基本邏輯電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，部分實(shí)驗(yàn)?zāi)K輸出端的布爾控件顯示結(jié)果與理論結(jié)果不同，如譯碼器的輸出結(jié)果與理論結(jié)果恰恰相反。通過反復(fù)研究實(shí)驗(yàn)電路的邏輯圖，以及檢查程序中的連線及邏輯運(yùn)算、數(shù)值運(yùn)算是否應(yīng)用正確后，發(fā)現(xiàn)是輸入端的按名稱解除捆綁的元素順序錯(cuò)誤。經(jīng)過修改元素順序后。

綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，時(shí)鐘及秒表計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)數(shù)碼管顯示順序紊亂、計(jì)時(shí)器無法暫停等問題。通過利用上述工具，檢測程序中出現(xiàn)錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)或連線的位置，查看數(shù)據(jù)流的走向及程序執(zhí)行情況等，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示順序紊亂是由于簇中布爾控件的順序錯(cuò)誤，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)字所需要顯示的布爾控件，再進(jìn)行重新排序簇中控件后，數(shù)碼管能夠正常顯示對(duì)應(yīng)數(shù)字；由于計(jì)時(shí)器是通過循環(huán)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，所以程序中設(shè)置了若干個(gè)while循環(huán)，如果要退出循環(huán)，即暫停或停止計(jì)時(shí)，則需要按照不同的條件依次退出每一層循環(huán)，而計(jì)時(shí)器無法暫停就是循環(huán)沒有退出成功造成的。理清條件退出思路，再以此進(jìn)行修改和不斷嘗試后,最終調(diào)試成功，程序正常運(yùn)行，所實(shí)現(xiàn)的功能達(dá)到預(yù)期。

4 總結(jié)

虛擬儀器技術(shù)具有非常高的靈活性和可擴(kuò)展性，在節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)成本的同時(shí)，還能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果，給學(xué)生提供一個(gè)身臨其境的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生找到學(xué)習(xí)知識(shí)的樂趣。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)逐漸成為我國高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必不可少的一部分，而虛擬儀器技術(shù)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合，毋庸置疑的具有很高的性價(jià)比，并且還能充分達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和效果。

使用LabVIEW編寫圖形化的程序，不但適用于數(shù)字電路的各種基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，更能簡化其電路設(shè)計(jì)過程，讓學(xué)生更加簡潔而又充分的理解到實(shí)驗(yàn)原理。基于虛擬儀器技術(shù)在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，將會(huì)在未來提高教學(xué)效果的同時(shí)，全面提升我國的教育教學(xué)及科學(xué)研究的質(zhì)量。