虛擬儀器LabVIEW在數(shù)字電路實驗教學(xué)中的應(yīng)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(yīng)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(shù)便一直成為發(fā)達國家自動測控領(lǐng)域的研究熱點和應(yīng)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(yīng)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(tǒng)應(yīng)用于數(shù)字邏輯電路的教學(xué)、實驗的問題。文章認為，由于虛擬儀器的自身特點及數(shù)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(xué)或?qū)嶒?，但對?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/數(shù)字電路">數(shù)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(fēng)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(shù)據(jù)的流向，相當于代碼語言的“賦值”語句[5]。在LabVIEW的函數(shù)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(shù)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(yīng)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(shù)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(guān)、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(yīng)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(shù)或仿真技術(shù)，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(zhì)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(shù)學(xué)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(yīng)實驗或教學(xué)過程，通過配置相關(guān)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(xué)、實驗，比基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)或仿真技術(shù)的教學(xué)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(fēng)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(jié)合，使過程簡單明晰，可以完成數(shù)字邏輯電路中幾乎所有的實驗及演示，如：編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器/分配器、加法器、各類計數(shù)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(diào)用。下面就以一簡單的七段數(shù)碼顯示譯碼器為例，來討論運用虛擬儀器LabVIEW實現(xiàn)數(shù)字電路實驗的過程。

3 數(shù)字電路教學(xué)實驗的設(shè)計

　　數(shù)碼顯示器是常用的顯示器件，七段顯示譯碼器邏輯是數(shù)字邏輯電路教學(xué)中常用典型的設(shè)計范例，下面就以設(shè)計七段顯示譯碼器為例，來說明虛擬儀器LabVIEW在數(shù)字邏輯電路中的應(yīng)用。

3.1 設(shè)計要求

　　要求的數(shù)字顯示字形如圖2所示，設(shè)輸入I3 I2 I1 I0為四位二進制數(shù)，a-g為相應(yīng)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(shù)碼顯示字形

3.2 設(shè)計過程及實驗