基于虚拟仪器技术的数字电路实验系统研究

2014-05-02全晓莉周南权

实验技术与管理 2014年4期

全晓莉，周南权

（1.重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆 400054；2.重庆航天职业技术学院电子工程系，重庆 400021）

实验教学是高等理工科教育中的一个重要环节，很多学科都以实验课程为基础。通过实验，可以加深学生对所学理论知识的理解，把理论知识灵活地运用到实践中；可以培养学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力以及科技创新能力。但是课程教学改革的实施和高校招生规模的扩大，使一般学校的实验室和实验仪器数量很难满足实验教学的需求。

基于虚拟仪器的实验教学系统是建立在软件教学基础上的［1］，虚拟仪器具有交互性、数字化、模块化、易于网络化等明显特点，十分有利于从整体上提高我国高校的实验教学水平。所以，高等院校应十分重视虚拟仿真实验教学模式的应用［2］，需要研发虚拟实验仪器、创新实验手段和方式、优化教学活动，不断革新实践教学［3－4］。

笔者在对传统数字电路实验教学方式进行分析的基础上，探索将虚拟仪器技术用于数字电路的实验教学中，利用LabVIEW开发平台设计出一套低成本、高收益、方便升级的数字电路教学虚拟实验系统［5－6］。

1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器是利用计算机的显示器代替传统仪器的面板，利用计算机的鼠标和键盘操作虚拟仪器的功能按钮，由基于计算机的I／O接口设备完成数据（信号）的采集和调理，利用LabVIEW软件实现数据（信号）的分析处理、表达与储存，从而实现多种仪器功能的一种基于电子计算机的仪器系统［7］。虚拟仪器的实质是利用计算机技术来拓展传统仪器的功能，是基于计算机的仪器。

软件是虚拟仪器的关键。当基本硬件电路确定后，就可以通过不同的编程实现不同仪器的功能，用户可以根据自己的需要，设计、研发自己的虚拟仪器系统［8］。虚拟仪器具有操作方便、容易实现教师与学生互动的优点，有助于提高教学效率和教学质量，它将成为高校实验教学和科研的重要手段和方法。

2 虚拟实验系统的设计

基于虚拟仪器技术的数字电路实验系统包括验证性实验和综合性实验两部分。验证性实验的目的在于使学生掌握逻辑电路的功能、特点及其应用；综合性实验主要是培养学生的电路设计能力。验证性实验主要是对课堂理论知识的验证，用LabVIEW软件进行数字逻辑电路仿真具有形象、逼真、便捷的特点［9］；设计综合性实验安排学生进入实验室动手实践，将基于LabVIEW软件开发的虚拟实验平台和传统的基于实验室物理环境的实验相结合，有效地提高实验教学效果。图1为实验系统的结构图，图中每一个实验项目模块都是一个独立的实验子系统，可以完成特定的实验内容。

图1 虚拟实验系统的构造

验证性实验主要用于教学实验的仿真，因此与硬件相关的部分都需要用软件来模拟；而综合性实验需要用到一些硬件设备来辅助完成设计。LabVIEW中包含了大量的函数模块，如信号仿真模块、信号调理模块和信号分析处理模块等，利用这些功能强大的函数模块以及不同类型的输入控件和显示控件，可以方便地实现测试过程的模拟、实验数据的分析和结果的显示等［10－11］。

3 虚拟实验的应用实例

“软件就是仪器”。本文以移位寄存器实验子系统为例，介绍用LabVIEW开发虚拟实验的基本思路。

寄存器用于寄存一组二值代码。由于一个触发器可以寄存一位二值代码，所以多个触发器共同组成的一组触发器就可以储存一组二值代码，在多个触发器基础上对时钟信号和输入信号进行正确的连接就可以实现寄存器。移位寄存器除了存储功能外，还具有数据移位功能，即在时钟脉冲信号的驱动下，寄存器里的二值代码依次左移或者右移，因此在数据的串行／并行转换、数值运算和处理等许多过程中，移位寄存器有广泛的应用。

本文使用4个D触发器组成4位移位寄存器，但实际上使用其他类型的触发器（如JK触发器等）也可以实现相同的功能。从执行顺序上看，该程序实际上是一个串行的触发器序列，每一个触发器在时钟信号的驱动下输出一位状态信号，除第一个D触发器的输入信号是DI外，其他触发器的输入信号正是前一个触发器上一个时钟周期内储存的信号。于是，时钟每进行一个周期，就可以将触发器所储存的状态信号送入下一个触发器中，而第一个触发器新接收的信号为输入信号DI，这样就实现了移位寄存器的逻辑仿真过程［12］。

虚拟移位寄存器的前面板如图2所示，图中时钟的频率、占空比和移位寄存器移位的位数等参量都可以由用户自己选择。虚拟移位寄存器的主程序设计如图3所示，整个程序框图中主要调用了事件结构（E－vent Structure）、While循环结构、条件结构（Case Structure）、Bollean Array to Digital.vi、数字信号显示器（Digital Waveform Graph）以及已经设计好的 D触发器.vi和时钟.vi两个子程序等典型函数模块，完成4个事件的响应。

图2 移位寄存器前面板

需特别说明的是，由于同时调用了若干个“D触发器.vi”子程序［13］，而默认状态下LabVIEW 调用子vi时，是将这些vi看作同一个vi重复执行，所以会造成各个触发器状态之间的影响，产生逻辑错误。因此，一定要将“D触发器.vi”设为可重入vi。设置为可重入vi后，允许LabVIEW在调用多个相同的子vi时将其视作若干个独立的子vi分别执行，这样就不会互相产生影响。

该程序仿真了5个时钟周期的过程，若需要拓展，可在此基础上自行作出修改。实际上，通过数据置入方式不同和输入脉冲的不同，可以利用移位寄存器实现串行／并行或并行／串行之间的转换。