NI ELVIS在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的應用

摘要：為開拓學生在專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，將在傳統(tǒng)實驗箱上進行的數(shù)字電子技術(shù)實驗移植到ELVIS平臺。首先介紹了美國國家儀器公司(NI)的虛擬儀器教學實驗平臺(education laboratory virtual instrumentation suit，ELVIS)，給出了一個利用ELVIS平臺完成數(shù)字電子技術(shù)實驗的實例，根據(jù)實驗開發(fā)了基于LabVIEW編程的“軟”儀器SFP以及對已有的“軟”儀器的功能進行了部分擴展。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；ELVIS；數(shù)字電子技術(shù)實驗；LabVIEW；SFP

0 引言
    目前，實踐教學在人才培養(yǎng)中的重要地位日益凸顯，它在培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新思維方面尤其不可缺少。
    電路和電子技術(shù)實驗是電類專業(yè)學生必修并且非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，實驗中常用的傳統(tǒng)儀器包括：數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、直流穩(wěn)壓電源等。很多專業(yè)性實驗還需要一些特殊儀器比如波特儀、直流電橋、邏輯分析儀等。熟練使用儀器是學生通過實驗必須具備的一個基本技能，但實驗中往往由于學時緊張，儀器較多，結(jié)果學生經(jīng)常忙于調(diào)節(jié)儀器而沒有太多時間專注于對實驗原理的研究和實驗結(jié)果的分析，導致實驗的效果并不理想，也不利于學生更深層次的學習和提高。而近年來，虛擬儀器的發(fā)展極其迅速，以美國NI公司為主導的虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為電氣測控領(lǐng)域的一個代表方向。虛擬儀器的設(shè)計思想是基于計算機的強大功能，采用接口標準化的硬件進行數(shù)據(jù)采集，而對數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示則通過軟件編程實現(xiàn)，即采用“軟面板”，用戶自己定義儀器功能。如果能夠在學生通過電路實驗已經(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)實驗中，就可以避開硬儀器問題，而突出、強化對學生分析及解決問題能力的訓練，并且學生通過使用虛擬儀器可以提早與專業(yè)接觸，更有利于與后續(xù)專業(yè)課的銜接和融合。

1 NI ELVIS實驗平臺
    2003年，美國NI公司針對高校實驗室教學內(nèi)容開發(fā)了一套ELVIS平臺(education laboratory virtual instrumentation suit)。整套平臺硬件上包括原型板，ELVIS工作臺以及625l的數(shù)據(jù)采集卡和68針數(shù)據(jù)傳輸線；軟件上包括軟前面板(soft front panel，sFP)儀器和ELVIS硬件驅(qū)動程序(LabVIEW APIs)，軟前面板SFP儀器是根據(jù)ELVIS平臺應用的特點編寫的LabVIEW VI，模擬、代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗中的硬儀器。
1．1 EINIS硬件
    ELVIS工作臺與數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition，DAQ)一起完成實驗系統(tǒng)原型板上電路的輸入輸出。工作臺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)信號發(fā)生器、可調(diào)電源及SFP儀器——數(shù)字萬用表和示波器的BNC接口。
    原型板與工作臺相連，它主要提供一個搭建電路的區(qū)域并從工作臺接入電路所需要的輸入／輸出信號。也可以由實驗需要根據(jù)68針數(shù)據(jù)傳輸線的定義自己設(shè)計原型板與工作臺相連從而取代原標配的原型板。
    6251數(shù)據(jù)采集卡完成實驗電路與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸，既可將LabVIEW程序產(chǎn)生的信號送入電路也可將電路的輸出信號送入計算機相應處理程序。
    工作臺、原型板、DAQ卡構(gòu)成完整的硬件實驗系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
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ELVIS硬件的應用程序。ELVIS軟件將完成信號在工作臺與SFP之間的傳遞。

    SFP儀器屬于軟件編程實現(xiàn)的虛擬儀器，源代碼由LabVIEW程序開發(fā)，是各種儀器功能的“軟”實現(xiàn)。ELVlS的SFP儀器如圖l所示，從啟動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儀器類似，易于理解，容易被有基礎(chǔ)的學生迅速掌握；作為虛擬儀器在實驗室中的典型應用，NI提供了對LabVIEW程序源代碼的修改功能，這意味著學生可以根據(jù)自己專業(yè)的需要自定義儀器或修改和擴展已有的儀器。這將大大提高學生學習的興趣和積極性，也有助于培養(yǎng)、鍛煉學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

2 基于ELVlS平臺的數(shù)字電子技術(shù)實驗
    鑒于學生在前面的電路實驗中已具備傳統(tǒng)儀器使用基礎(chǔ)，本文嘗試將數(shù)字電子技術(shù)實驗項目移植到ELVIS平臺上實現(xiàn)。
2．1 “軟”儀器SFP在實驗中的使用
    在數(shù)字電子技術(shù)實驗中，常用的儀器包括：直流穩(wěn)壓電源、示波器等，在ELVIS中分別對應的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)字寫入器，這與實驗箱中數(shù)據(jù)邏輯撥動開關(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注為DIO～DI7。
2．2 利用LabVIEW編程實現(xiàn)自定義“軟”儀器SFP
    如前所述，可以通過LabVIEW編程自定義或擴展儀器功能。這也是虛擬儀器的最大優(yōu)勢。例如：針對ELVIS原型板上不具備單脈沖問題，可以考慮用軟件編程的方法產(chǎn)生觸發(fā)器或計數(shù)實驗中所用到的單個脈沖。將前面板的布爾量作為觸發(fā)按鈕并將其值寫入到Port0／Line0口輸出，設(shè)置布爾量機械動作為：按下布爾量轉(zhuǎn)換為高電平并保持輸出高電平直至松開布爾量，從而獲取按鈕觸發(fā)單個脈沖，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)，對單通道數(shù)字輸出一個布爾量的值，While循環(huán)的輪詢使得按鈕重復操作有效。

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    前面板控件如圖3所示，“單個脈沖觸發(fā)按鈕”外形類似實驗箱上的按鈕，按下一松開的過程產(chǎn)生一個脈沖，其余控件一個用來顯示ELVIS是否工作在by pass狀態(tài)，一個用來停止循環(huán)，界面和程序非常簡易，說明通過LabVIEW編程與ELVIS平臺結(jié)合的方式實現(xiàn)儀器的擴展功能是行之有效的。并且在軟硬件結(jié)合的編程過程中，可進一步提高學生的創(chuàng)新能力。

2．3 實驗實例
    下面以最常見的TTL與CMOS與非門特性的測量為例，說明NI ELVIS平臺在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的應用。該實驗中要用到的SFP儀器有示波器OSC(oscilloscope)、可調(diào)電源VPS(variable power slapply)、數(shù)字萬用表DMM(digital multimeter)、數(shù)字寫入器與讀取器。這些SFP儀器的操作界面與真實儀器相近，因此對于已有實驗基礎(chǔ)的學生是非常熟悉的，通過鼠標操作計算機上呈現(xiàn)的軟儀器界面，對實驗結(jié)果進行測量和存儲。
    測量與非門電壓傳輸特性時，采用鋸齒波作為輸入，而SFP的函數(shù)信號發(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，本實驗中，由學生自己軟件編輯繪制的鋸齒波作為與非門輸入，并與與非門的輸出同時送人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與非門的電壓傳輸特性曲線，實驗結(jié)果如圖4所示，與在傳統(tǒng)示波器上顯示的曲線相比，圖線比較清晰更易理解。

    在此計算機軟界面操作的實驗中，學生不需要花費太多時間在各類儀器的使用或者實驗儀器的調(diào)試中，而把主要精力集中在實驗原理的理解和結(jié)果的分析上。此外，測量到的實時數(shù)據(jù)可完整顯示并存儲在計算機中，讀取非常方便，便于今后對實驗數(shù)據(jù)的進一步分析。
    目前，已實現(xiàn)將大部分數(shù)字電子技術(shù)實驗移植到NIELVIS平臺上進行，且已經(jīng)應用在學生實驗中。從實驗的效果看，學生在經(jīng)過最初對NI ELVIS的熟悉后，就開始喜歡上這種具有更多探索性和創(chuàng)新性的實驗方式。

3 結(jié)束語
    NI ELVIS軟硬件相結(jié)合的實驗平臺對于電氣信息與控制工程、機械電子工程及生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生來說，是進行電子電路學習和設(shè)計的一個非常好的平臺。它提供了完整的測量測試和保存數(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生提供了一個較大的創(chuàng)造空間。SFP儀器中波特圖分析儀等專業(yè)性較強的儀器使得更高一級的實驗教學成為可能。