NI ELVIS在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

摘要：為開(kāi)拓學(xué)生在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，將在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)移植到ELVIS平臺(tái)。首先介紹了美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)的虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(education laboratory virtual instrumentation suit，ELVIS)，給出了一個(gè)利用ELVIS平臺(tái)完成數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)例，根據(jù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW編程的“軟”儀器SFP以及對(duì)已有的“軟”儀器的功能進(jìn)行了部分?jǐn)U展。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；ELVIS；數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)；LabVIEW；SFP

0 引言
    目前，實(shí)踐教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要地位日益凸顯，它在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維方面尤其不可缺少。
    電路和電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修并且非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，實(shí)驗(yàn)中常用的傳統(tǒng)儀器包括：數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、直流穩(wěn)壓電源等。很多專(zhuān)業(yè)性實(shí)驗(yàn)還需要一些特殊儀器比如波特儀、直流電橋、邏輯分析儀等。熟練使用儀器是學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)必須具備的一個(gè)基本技能，但實(shí)驗(yàn)中往往由于學(xué)時(shí)緊張，儀器較多，結(jié)果學(xué)生經(jīng)常忙于調(diào)節(jié)儀器而沒(méi)有太多時(shí)間專(zhuān)注于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的效果并不理想，也不利于學(xué)生更深層次的學(xué)習(xí)和提高。而近年來(lái)，虛擬儀器的發(fā)展極其迅速，以美國(guó)NI公司為主導(dǎo)的虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為電氣測(cè)控領(lǐng)域的一個(gè)代表方向。虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想是基于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，采用接口標(biāo)準(zhǔn)化的硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示則通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，即采用“軟面板”，用戶(hù)自己定義儀器功能。如果能夠在學(xué)生通過(guò)電路實(shí)驗(yàn)已經(jīng)掌握傳統(tǒng)儀器基本使用的基礎(chǔ)上，適度引入虛擬儀器到電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，就可以避開(kāi)硬儀器問(wèn)題，而突出、強(qiáng)化對(duì)學(xué)生分析及解決問(wèn)題能力的訓(xùn)練，并且學(xué)生通過(guò)使用虛擬儀器可以提早與專(zhuān)業(yè)接觸，更有利于與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的銜接和融合。

1 NI ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
    2003年，美國(guó)NI公司針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)內(nèi)容開(kāi)發(fā)了一套ELVIS平臺(tái)(education laboratory virtual instrumentation suit)。整套平臺(tái)硬件上包括原型板，ELVIS工作臺(tái)以及625l的數(shù)據(jù)采集卡和68針數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)；軟件上包括軟前面板(soft front panel，sFP)儀器和ELVIS硬件驅(qū)動(dòng)程序(LabVIEW APIs)，軟前面板SFP儀器是根據(jù)ELVIS平臺(tái)應(yīng)用的特點(diǎn)編寫(xiě)的LabVIEW VI，模擬、代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的硬儀器。
1．1 EINIS硬件
    ELVIS工作臺(tái)與數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition，DAQ)一起完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原型板上電路的輸入輸出。工作臺(tái)主要起到連通和操作的功能，其前控制板提供了旋鈕調(diào)節(jié)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、可調(diào)電源及SFP儀器——數(shù)字萬(wàn)用表和示波器的BNC接口。
    原型板與工作臺(tái)相連，它主要提供一個(gè)搭建電路的區(qū)域并從工作臺(tái)接入電路所需要的輸入／輸出信號(hào)。也可以由實(shí)驗(yàn)需要根據(jù)68針數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)的定義自己設(shè)計(jì)原型板與工作臺(tái)相連從而取代原標(biāo)配的原型板。
    6251數(shù)據(jù)采集卡完成實(shí)驗(yàn)電路與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，既可將LabVIEW程序產(chǎn)生的信號(hào)送入電路也可將電路的輸出信號(hào)送入計(jì)算機(jī)相應(yīng)處理程序。
    工作臺(tái)、原型板、DAQ卡構(gòu)成完整的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
1．2 ELVIS軟件
    ELVIS的軟件基于LabVIEW編程的，包括軟前面板SFP儀器和驅(qū)動(dòng)ELVIS硬件的應(yīng)用程序。ELVIS軟件將完成信號(hào)在工作臺(tái)與SFP之間的傳遞。

    SFP儀器屬于軟件編程實(shí)現(xiàn)的虛擬儀器，源代碼由LabVIEW程序開(kāi)發(fā)，是各種儀器功能的“軟”實(shí)現(xiàn)。ELVlS的SFP儀器如圖l所示，從啟動(dòng)面板可以看到其包括各種常用儀器，并且儀器操作界面與真實(shí)儀器類(lèi)似，易于理解，容易被有基礎(chǔ)的學(xué)生迅速掌握；作為虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)室中的典型應(yīng)用，NI提供了對(duì)LabVIEW程序源代碼的修改功能，這意味著學(xué)生可以根據(jù)自己專(zhuān)業(yè)的需要自定義儀器或修改和擴(kuò)展已有的儀器。這將大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，也有助于培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

2 基于ELVlS平臺(tái)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)
    鑒于學(xué)生在前面的電路實(shí)驗(yàn)中已具備傳統(tǒng)儀器使用基礎(chǔ)，本文嘗試將數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目移植到ELVIS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。
2．1 “軟”儀器SFP在實(shí)驗(yàn)中的使用
    在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，常用的儀器包括：直流穩(wěn)壓電源、示波器等，在ELVIS中分別對(duì)應(yīng)的SFP儀器為：VPS(variable power supply)、OSC(oscilloscope)。此外，還有一些用于邏輯輸入和輸出顯示的器件有：數(shù)據(jù)邏輯開(kāi)關(guān)、數(shù)字輸出顯示LED在SFP中為Digital Bus Writer、Digital Bus Reader＆LED。
    Digital Bus Writer數(shù)字寫(xiě)入器，這與實(shí)驗(yàn)箱中數(shù)據(jù)邏輯撥動(dòng)開(kāi)關(guān)功能一樣，可提供邏輯電路中高／低電平輸入，可選取單通道和8通道序列2種輸出方式。其通道在原型板上標(biāo)注為DOO～DO7。
    Digital Bus Reader數(shù)字讀取器，接收邏輯電路輸出電平并顯示輸出結(jié)果，同樣可以單通道讀取也可以8通道序列一并讀取。其通道在原型板上標(biāo)注為DIO～DI7。
2．2 利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)自定義“軟”儀器SFP
    如前所述，可以通過(guò)LabVIEW編程自定義或擴(kuò)展儀器功能。這也是虛擬儀器的最大優(yōu)勢(shì)。例如：針對(duì)ELVIS原型板上不具備單脈沖問(wèn)題，可以考慮用軟件編程的方法產(chǎn)生觸發(fā)器或計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)中所用到的單個(gè)脈沖。將前面板的布爾量作為觸發(fā)按鈕并將其值寫(xiě)入到Port0／Line0口輸出，設(shè)置布爾量機(jī)械動(dòng)作為：按下布爾量轉(zhuǎn)換為高電平并保持輸出高電平直至松開(kāi)布爾量，從而獲取按鈕觸發(fā)單個(gè)脈沖，其程序如圖2所示，程序流程較易理解：首先確定ELVIS工作在by pass狀態(tài)，對(duì)單通道數(shù)字輸出一個(gè)布爾量的值，While循環(huán)的輪詢(xún)使得按鈕重復(fù)操作有效。

    前面板控件如圖3所示，“單個(gè)脈沖觸發(fā)按鈕”外形類(lèi)似實(shí)驗(yàn)箱上的按鈕，按下一松開(kāi)的過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)脈沖，其余控件一個(gè)用來(lái)顯示ELVIS是否工作在by pass狀態(tài)，一個(gè)用來(lái)停止循環(huán)，界面和程序非常簡(jiǎn)易，說(shuō)明通過(guò)LabVIEW編程與ELVIS平臺(tái)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)儀器的擴(kuò)展功能是行之有效的。并且在軟硬件結(jié)合的編程過(guò)程中，可進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2．3 實(shí)驗(yàn)實(shí)例
    下面以最常見(jiàn)的TTL與CMOS與非門(mén)特性的測(cè)量為例，說(shuō)明NI ELVIS平臺(tái)在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)中要用到的SFP儀器有示波器OSC(oscilloscope)、可調(diào)電源VPS(variable power slapply)、數(shù)字萬(wàn)用表DMM(digital multimeter)、數(shù)字寫(xiě)入器與讀取器。這些SFP儀器的操作界面與真實(shí)儀器相近，因此對(duì)于已有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的學(xué)生是非常熟悉的，通過(guò)鼠標(biāo)操作計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)的軟儀器界面，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量和存儲(chǔ)。
    測(cè)量與非門(mén)電壓傳輸特性時(shí)，采用鋸齒波作為輸入，而SFP的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器只提供正弦、三角、方波3種波形，因此鋸齒波的產(chǎn)生須用到特殊儀器——任意波形發(fā)生器ARB(arbitary waveform generator)。ARB可將預(yù)先設(shè)定好各參數(shù)(波形、幅值、頻率)的任意波形從原型板上的DAC0～l端口輸出，本實(shí)驗(yàn)中，由學(xué)生自己軟件編輯繪制的鋸齒波作為與非門(mén)輸入，并與與非門(mén)的輸出同時(shí)送人LabVIEW采集程序以X-Y方式顯示，在VI前面板可以清楚的比較TTL與CMOS與非門(mén)的電壓傳輸特性曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，與在傳統(tǒng)示波器上顯示的曲線(xiàn)相比，圖線(xiàn)比較清晰更易理解。

    在此計(jì)算機(jī)軟界面操作的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不需要花費(fèi)太多時(shí)間在各類(lèi)儀器的使用或者實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)試中，而把主要精力集中在實(shí)驗(yàn)原理的理解和結(jié)果的分析上。此外，測(cè)量到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可完整顯示并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，讀取非常方便，便于今后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析。
    目前，已實(shí)現(xiàn)將大部分數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)移植到NIELVIS平臺(tái)上進(jìn)行，且已經(jīng)應(yīng)用在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中。從實(shí)驗(yàn)的效果看，學(xué)生在經(jīng)過(guò)最初對(duì)NI ELVIS的熟悉后，就開(kāi)始喜歡上這種具有更多探索性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方式。

3 結(jié)束語(yǔ)
    NI ELVIS軟硬件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)于電氣信息與控制工程、機(jī)械電子工程及生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，是進(jìn)行電子電路學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的一個(gè)非常好的平臺(tái)。它提供了完整的測(cè)量測(cè)試和保存數(shù)據(jù)的功能，原型板的可變換性和儀器源代碼的可修改性也給學(xué)生提供了一個(gè)較大的創(chuàng)造空間。SFP儀器中波特圖分析儀等專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的儀器使得更高一級(jí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為可能。