虛擬儀器LabVIEW在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1 引言

　　所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，配合以相應(yīng)的輸入/輸出接口，具有計(jì)算機(jī)顯示器的虛擬面板，測試功能由測試軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)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(dá)國家自動(dòng)測控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的問題。文章認(rèn)為，由于虛擬儀器的自身特點(diǎn)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?yàn)，但對于數(shù)字電路系統(tǒng)，則有較強(qiáng)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(biāo)（VI）進(jìn)行選擇、組合并連線的過程。其不同圖標(biāo)（VI）相當(dāng)于具有不同功能的“子程序”，圖標(biāo)間的連線指定了數(shù)據(jù)的流向，相當(dāng)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(yùn)算等VI圖標(biāo)，也包含了各種數(shù)值運(yùn)算、邏輯運(yùn)算的基本VI圖標(biāo)。其中的邏輯運(yùn)算VI，其圖標(biāo)就是標(biāo)準(zhǔn)的邏輯運(yùn)算符號，LabVIEW中相應(yīng)的邏輯運(yùn)算VI選板如圖1所示。

　　不難看出，利用這些圖標(biāo)編制的邏輯運(yùn)算程序（LabVIEW后面板），也就是一個(gè)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(dòng)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(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)，后兩者只不過是對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一種模擬而已，而虛擬儀器雖稱為“虛擬”，但其實(shí)質(zhì)是一種基于計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)”儀器，它是要完成真實(shí)儀器系統(tǒng)功能的。也就是說，基于虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(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(yàn)，比基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)更具有實(shí)際意義！

　　由于虛擬儀器LabVIEW中提供的布爾運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)器等等，而且，具體的實(shí)驗(yàn)或演示過程，還可運(yùn)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(dòng)態(tài)流程和邏輯電路的運(yùn)算過程，甚至可以將某種邏輯運(yùn)算過程單獨(dú)開發(fā)為專門的用戶VI，形成一獨(dú)特功能的新型概念的“虛擬芯片”，供需要時(shí)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(yùn)用虛擬儀器LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的過程。

3 數(shù)字電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

　　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(jì)范例，下面就以設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)過程及實(shí)驗(yàn)