虛擬儀器LabVIEW在數字電路實驗教學中的應用

1 引言

　　所謂虛擬儀器，就是在以計算機為核心的硬件平臺上，配合以相應的輸入/輸出接口，具有計算機顯示器的虛擬面板，測試功能由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)[1-2]。自美國國家儀器公司(National Instruments，NI) 在1986年提出虛擬儀器的概念之后，虛擬儀器技術便一直成為發(fā)達國家自動測控領域的研究熱點和應用前沿。目前，最著名的虛擬儀器系統(tǒng)是NI的LabVIEW，其最廣泛的應用領域是測控領域[3-4]，而文章將要探討的，是將該系統(tǒng)應用于數字邏輯電路的教學、實驗的問題。文章認為，由于虛擬儀器的自身特點及數字與模擬電路的差異性，虛擬儀器系統(tǒng)并不適用于模擬電路系統(tǒng)的教學或實驗，但對于數字電路系統(tǒng)，則有較強的、特殊的優(yōu)勢。

2 問題的引出

　　虛擬儀器LabVIEW具有典型的圖形化語言風格，其程序（后面板）的編制過程就是將不同的圖標（VI）進行選擇、組合并連線的過程。其不同圖標（VI）相當于具有不同功能的“子程序”，圖標間的連線指定了數據的流向，相當于代碼語言的“賦值”語句[5]。在LabVIEW的函數選板中，既包含了大量專用的信號處理、信號運算等VI圖標，也包含了各種數值運算、邏輯運算的基本VI圖標。其中的邏輯運算VI，其圖標就是標準的邏輯運算符號，LabVIEW中相應的邏輯運算VI選板如圖1所示。

　　不難看出，利用這些圖標編制的邏輯運算程序（LabVIEW后面板），也就是一個規(guī)范的數字邏輯電路的邏輯圖。就信號的輸入/輸出來說，LabVIEW亦提供了豐富的輸入控件和輸出控件，如各種形式的開關、按鈕、指示燈、波形顯示器等等，這些“器件”可直接用簡單的拖動方式拖放到相應位置即可使用。

圖1 LabVIEW中的布爾VI選板

　　更重要的是，虛擬儀器系統(tǒng)不同于虛擬現(xiàn)實技術或仿真技術，后兩者只不過是對現(xiàn)實系統(tǒng)的一種模擬而已，而虛擬儀器雖稱為“虛擬”，但其實質是一種基于計算機軟、硬件系統(tǒng)作為支撐，通過采用一定的數學模型和算法來完成處理過程的真實儀器系統(tǒng)，一句話，虛擬儀器系統(tǒng)并非“虛擬”儀器，而是“真實”儀器，它是要完成真實儀器系統(tǒng)功能的。也就是說，基于虛擬儀器系統(tǒng)進行的相應實驗或教學過程，通過配置相關的A/D或DAQ接口，即成為能完成實際儀器功能的儀器，故基于虛擬儀器進行教學、實驗，比基于虛擬現(xiàn)實技術或仿真技術的教學實驗更具有實際意義！

　　由于虛擬儀器LabVIEW中提供的布爾運算VI比較完備，再加上系統(tǒng)本身圖形化的語言風格，完全可以做到將“程序——邏輯圖——實驗過程——輸入輸出”等過程的結合，使過程簡單明晰，可以完成數字邏輯電路中幾乎所有的實驗及演示，如：編碼器、譯碼器、數據選擇器/分配器、加法器、各類計數器等等，而且，具體的實驗或演示過程，還可運用LabVIEW中程序執(zhí)行過程的“高亮度單步執(zhí)行”模式，充分地觀察到信號的動態(tài)流程和邏輯電路的運算過程，甚至可以將某種邏輯運算過程單獨開發(fā)為專門的用戶VI，形成一獨特功能的新型概念的“虛擬芯片”，供需要時直接調用。下面就以一簡單的七段數碼顯示譯碼器為例，來討論運用虛擬儀器LabVIEW實現(xiàn)數字電路實驗的過程。

3 數字電路教學實驗的設計

　　數碼顯示器是常用的顯示器件，七段顯示譯碼器邏輯是數字邏輯電路教學中常用典型的設計范例，下面就以設計七段顯示譯碼器為例，來說明虛擬儀器LabVIEW在數字邏輯電路中的應用。

3.1 設計要求

　　要求的數字顯示字形如圖2所示，設輸入I3 I2 I1 I0為四位二進制數，a-g為相應的七段顯示輸出，其邏輯關系式則為方程組1。

圖2 七段數碼顯示字形

3.2 設計過程及實驗

　　使用虛擬儀器LabVIEW構建程序，按方程組1構建的后面板如圖3所示。

圖3 七段顯示譯碼器的LabVIEW后面板（程序）

　　從圖3可以看出，LabVIEW后面板（程序）和相應的邏輯電路在形式上完全對應，即LabVIEW的程序其實就是邏輯圖的具體體現(xiàn)了。若采用“高亮度單步執(zhí)行”方式，還可以直觀地觀察到信息（信號）的流動及每一環(huán)節(jié)的中間運算結果，這是其它數字邏輯實驗所不及的，這也正是基于虛擬儀器LabVIEW進行數字邏輯實驗所表現(xiàn)出的直觀性、簡潔性和實用性。

　　相應的程序前面板（輸出/操作界面）如圖4所示。

圖4 七段顯示譯碼器實驗的前面板

　　實驗中用4個開關I0~I3分別作為四位代碼產生的邏輯器件，用a~g七個發(fā)光指示燈分別作為七段數碼顯示器的顯示單元，這些“器件”都是LabVIEW提供的現(xiàn)成的輸入/輸出控件，直接運用即可。

　　圖中當前顯示的是輸入為“1001”時的譯碼顯示“9”，實驗或演示時只須用鼠標操縱水平搖桿開關I0~I3即可得到相關的輸入代碼，對應的輸出（譯碼顯示）則在右端顯示出來；當然，也可用“CTRL+E”組合鍵調出程序后面板窗口圖3，運用單步高亮度執(zhí)行的方式來觀察譯碼器的工作過程。

4 虛擬儀器應用于數字電路實驗教學的優(yōu)點

　　引入虛擬儀器進行實驗和教學，除了具備上述容易實現(xiàn)，過程簡單和效果明顯的特點之外，還可以達到以下目標：

　　先進儀器的低成本化
　　縮短新型儀器的開發(fā)周期
　　降低儀器的維護、配置成本
　　容易實現(xiàn)基于網絡的交互式實驗和教學
　　強化學習、實驗過程的自主性和自創(chuàng)性

　　而達到上述目標，就可以改善相應的教學模式，將為培養(yǎng)適應新世紀的創(chuàng)新人才創(chuàng)造十分有利的條件，也為高校自身實力的提升和教學成本的降低提供了理想的發(fā)展空間?？梢灶A見，虛擬儀器技術將是今后儀器科學發(fā)展在相當一段時期內的重要方向[6-7]。

5 結論

　　虛擬儀器系統(tǒng)應用于實驗或教學，是虛擬儀器系統(tǒng)在測試領域之外的又一應用領域，而應用于數字邏輯電路的實驗教學，能充分發(fā)揮虛擬儀器系統(tǒng)的優(yōu)越性，使教學過程變得更加直觀，使實驗過程能充分體現(xiàn)學生的參與度、加強自創(chuàng)實驗的設計和實踐，而且虛擬儀器在數字邏輯電路實驗中的應用面廣、包含范圍寬，加上適當的A/D或DAQ，可方便地將這類系統(tǒng)升級為具有實際意義的基于虛擬儀器的實驗/分析系統(tǒng)。

　　將虛擬儀器應用于數字邏輯電路的教學、實驗，具有較好的實際意義，也是虛擬儀器在測試領域之外得到應用的又一重要補充。