虛擬儀器LabVIEW在數字電路實(shí)驗教學(xué)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(lái)實(shí)現的一種計算機儀器系統[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(shù)便一直成為發(fā)達國家自動(dòng)測控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和應用前沿。目前，最著(zhù)名的虛擬儀器系統是NI的LabVIEW，其最廣泛的應用領(lǐng)域是測控領(lǐng)域[3-4]，而文章將要探討的，是將該系統應用于數字邏輯電路的教學(xué)、實(shí)驗的問(wèn)題。文章認為，由于虛擬儀器的自身特點(diǎn)及數字與模擬電路的差異性，虛擬儀器系統并不適用于模擬電路系統的教學(xué)或實(shí)驗，但對于數字電路系統，則有較強的、特殊的優(yōu)勢。

2 問(wèn)題的引出

　　虛擬儀器LabVIEW具有典型的圖形化語(yǔ)言風(fēng)格，其程序（后面板）的編制過(guò)程就是將不同的圖標（VI）進(jìn)行選擇、組合并連線(xiàn)的過(guò)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(xiàn)指定了數據的流向，相當于代碼語(yǔ)言的“賦值”語(yǔ)句[5]。在LabVIEW的函數選板中，既包含了大量專(zhuān)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(gè)規范的數字邏輯電路的邏輯圖。就信號的輸入/輸出來(lái)說(shuō)，LabVIEW亦提供了豐富的輸入控件和輸出控件，如各種形式的開(kāi)關(guān)、按鈕、指示燈、波形顯示器等等，這些“器件”可直接用簡(jiǎn)單的拖動(dòng)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，虛擬儀器系統不同于虛擬現實(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)，后兩者只不過(guò)是對現實(shí)系統的一種模擬而已，而虛擬儀器雖稱(chēng)為“虛擬”，但其實(shí)質(zhì)是一種基于計算機軟、硬件系統作為支撐，通過(guò)采用一定的數學(xué)模型和算法來(lái)完成處理過(guò)程的真實(shí)儀器系統，一句話(huà)，虛擬儀器系統并非“虛擬”儀器，而是“真實(shí)”儀器，它是要完成真實(shí)儀器系統功能的。也就是說(shuō)，基于虛擬儀器系統進(jìn)行的相應實(shí)驗或教學(xué)過(guò)程，通過(guò)配置相關(guān)的A/D或DAQ接口，即成為能完成實(shí)際儀器功能的儀器，故基于虛擬儀器進(jìn)行教學(xué)、實(shí)驗，比基于虛擬現實(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)的教學(xué)實(shí)驗更具有實(shí)際意義！

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

3 數字電路教學(xué)實(shí)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(xué)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(lái)說(shuō)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(jìn)制數，a-g為相應的七段顯示輸出，其邏輯關(guān)系式則為方程組1。

圖2 七段數碼顯示字形

3.2 設計過(guò)程及實(shí)驗