基于labview的虚拟数字电子技术实验系统的研究及其实现

重庆理工大学结课论文基于LabVIEW的虚拟数字电子技术实验系统的研究与实现 学 院：_电子信息与自动化学院_专 业：_信号与信息处理_ 课程名称:_窗口软件开发环境及技术_任课老师:_ 全晓莉_姓 名:_李成勇_学 号:_完成时间:_2011年4_月30日_基于LabVIEW的虚拟数字电子技术实验系统的研究与实现摘要: 本文较为系统地介绍了虚拟仪器技术，主要内容包括：虚拟仪器的基本概念、组成及分类，对虚拟仪器技术未来的发展趋势进行了展望。实验是教学中的一个重要环节，为了提高实验教学的开放性和灵活性，适应现代实验教学的需要，通过对实验教学现状的分析，提出了将虚拟仪器技术应用于实验教学的思路，并通过实验教学改革实践探讨了将虚拟仪器技术应用于实验教学的优势，分析了实验教学改革的效果。通过分析发现将虚拟仪器技术应用于实验教学，不仅拓展了实验范围和空间，而且能够发挥学生的主动性和创造性，是实验教学的一个重要发展方向关键词: 虚拟仪器技术，试验教学，应用，虚拟仪器实验室Design and implementation of digital circuit experiment courses system based on the virtual instrument technologyAbstract: Experiment is an important part of teaching, in order to improve the experimental teaching of openness and flexibility to adapt to the needs of modern experimental teaching, Through the analysis of experimental teaching situation, put forward a virtual instrument technology in experimental teaching ideas, Through the practice of teaching reform experiment explored the virtual instrument technology in the teaching of the advantages of experiments analyzed the effect of experimental teaching reform. The analysis revealed the virtual instrument technology in the teaching experiment, not only to expand the experimental scope and space, but also to help students develop initiative and creativity, experimental teaching is an important direction of development.key words：Virtual Instrument Technology，Experimental teaching，application，Virtual Instruments Lab引言 随着科学技术的进步，社会对高校学生提出了越来越高的要求，不仅仅要求学生有基本的理论知识，而且还要有比较强的实际动手能力。可是随着近几年来高校招生规模的不断扩大，在校学生的人数也成倍增加。学生学习理论知识并没有受到很大的影响，但实际实验操作却不能同时满足，尤其是理工科学生，没有实验操作，抽象的理论知识很难理解。要是实验设备同学生数相应增加，这就需要增大购买实验设备经费，但大多数学校并不能投入相应的资金。虚拟仪器技术为解决这一矛盾提供了可能，随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，计算机技术与仪器技术相结合，形成了一种新概念仪器虚拟仪器。它把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力集合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并且突破了传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制，使使用者可以方便得对其进行维护、扩展、升级等，这些特点是传统仪器所不能比拟的。 数字电子技术已经广泛地应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等各个领域。例如，在通信系统中，应用数字电子技术的数字通信系统，不仅比模拟通信系统抗干扰能力强、保密性好，而且还能应用电子计算机进行信息处理和控制。数字电子技术作为电子信息类各专业的主要技术基础课程之一，其重要性不言而喻。但其又有许多实践电路，仅仅学理论知识，没有相应的实验做辅导，对其抽象的知识也不能完全理解，用LabVIEW 构建的数字电子虚拟实验平台可以满足这一要求。一虚拟仪器技术介绍 1.1虚拟仪器的基本概念虚拟仪器(VirtualInstruments，简称VI)的概念，是美国国家仪器公司于1986年提出的。虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性，真正体现了“软件就是仪器(The software is The instrument)”的口号。虚拟仪器是以通用计算机为核心的硬件平台，用户可根据自己的需要通过编制不同的测试软件来构成各种功能的测试系统，其中许多硬件功能可直接由软件实现，系统具有极强的通用性和多功能性。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。所以软件是整个系统的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。它突破了传统仪器在数据处理、显示存储等方面的限制，实现了部分仪器硬件的软件化，增加了系统的灵活性。应用虚拟仪器技术不仅能够降低系统的开发与维护费用，而且能够节省综合系统的组建时间。同时，友好的人机交互界面技术使人感觉像操控真实的仪器一样，具有身临其境的感受，另外，其方便的网络功能，能够实现资源共享。1.2 LabVIEW的基本概念LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW 也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据 显示及数据存储，等等。LabVIEW 也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。 LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。 LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。其主要特点有以下几点：（1）尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是；（2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；（3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。二实验教学的现状近年来，随着教学改革的不断深入发展以及计算机技术的发展及深入应用，教学条件有了很大的改善，但是由于一些主客观原因，实验教学仍然存在着许多不尽人意的地方，主要表现在以下几个方面：1实验教学地位重视不足现在高校普遍存在的问题是重课堂教学而忽视实验教学，学生大多数时间都在进行理论学习。实验是理论的验证和进一步深化，特别是工科学生，如果没有足够的实验就像是纸上谈兵，学生对所学知识没有一个感性认识，从而不会有创造的灵感和基础。2实验设施不能满足实验需求在实验设施方面的不足主要表现在：一方面，现在实验室大多采用是一些传统的实验仪器与设备，这些仪器与设备功能单一、技术落后、通用性很差，不能适应学科的发展。另一方面，不断扩大的学生数量与现有的实验设备数量之间的矛盾已经非常明显，许多普通院校都没有足够的经费购置大量的实验设备，如何在不降低教学质量的前提下使学校以最少的经费投资达到最优的教学效果，保证每个学生都有机会很好地完成实验教学成了许多高校面临的重要问题。3实验环节设计的功能单一、适应面窄，不利于发挥学生的创造性有许多实验设计不很合理，验证性实验太多，学生只能按照实验指导书上的步骤和内容去做，不利于发挥学生的主观能动性和创造性。如何把学生推到实验主体的位置上，充分挖掘和发挥学生的主动性和创造性，引导他们向自己的未知领域迈进，是至关重要的。另外，有些实验太专，只能针对某一课程而不能兼顾其他课程达到综合训练的效果。4实验资源不能有效利用，开放程度较差，管理维护不便传统的实验设备具有固定的硬件构成，只能进行特定的实验项目和实验操作，当需要增加新的功能时就需要更新硬件或者购买新的实验设备，投资较大，而且系统不便维护。因此，如何改革实验教学，使学生能够利用最先进的技术去积极主动地学习，培养学生的创造性思维，提高实验教学质量是每个高校都面临的问题，探讨新的实验教学方法和手段是目前教育形式的必然要求，是“全面推进素质教育，以培养学生的创新精神和实践能力为重点”的教学指导思想得以落实的必然途径。三、用LabVIEW 搭建数字电路课程教学实验系统3.1 数字电路教学实验分类数字电路中的物理量的变化在时间和数量上都是离散的。也就是说，它们的变化在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间，这一类物理量也叫数字量。用数字量表示的信号就是数字信号，在数字电路课程所有的实验中都使用数字信号来实现其功能，这些信号通常是0、1表示的二进制序列。而LabVIEW中的布尔量真好符合这些特点，我们只需把二进制序列用布尔量的真假来表示即可，这为我们设计实验系统提供了方便。我们可以将数字电子技术课程的实验大致分为两类：一类是基本逻辑电路实验，也是我们常用的数字电路实验，其中包括组合逻辑电路如编码器、译码器、选择器等，时序电路实验如触发器、寄存器、计数器等，这些是掌握数字电子技术的基础。另一类是综合设计实验如数字频率计、数字时钟、波形发生器等，笔者在设计的过程中主要选择了六种比较常用的综合电路，以数字时钟电路为例进行分析。这些实验由基本实验电路组合而成，原理相同，设计方法不尽相同。其它的综合实验都可以用LabVIEW实现，主要是掌握基本原理和方法，同样可以设计，本系统主要用于初学数字电子技术者掌握基本逻辑电路。我们对所有实验进行分类后，就可以用LabVIEW设计整个实验总面板，整个面板的功能要求实现这些数字电子技术课程实验，根据LabVIEW的特点，分前后两个面板，前面板相当于实物仪器中的外部控制面板，后面板是实现前面板功能的程序图，相当于实物仪器中的内部电路。如图3.1.1是笔者搭建的总面板，3.1.2是后面板的程序图。3.1.1 数字电路实验系统总面板 3.1.2 后面板的程序图 3.2 各个实验模块分析本系统由基础实验模块和综合实验模块组成，接下来就两个模块分别分析一下。、基础实验模块我们以译码器实验为例进行模块功能分析，3-8译码器电路是最常用的一种小规模集成电路，它有3个二进制输入端A、B、C和8个译码输出端y0y7。对输入A、B、C的值进行译码，就可以确定输出端y0y7的哪一个输出端变为有效（低电平），从而达到译码的目的。笔者用LabVIEW设计的译码器前面板如图3.2.1，程序面板如图3.2.2。3.2.1 译码器电路前面板3.2.2 译码器电路程序面板 本系统中G是选通端（低电平），通过操作本实验过程，可以让学生清楚的看到译码器电路的功能，的目的写出真值表，达到学习的目的，是抽象问题可以简单化。 、我们以数字时钟实验为例进行模块功能分析，笔者根据LabVIEW 中布尔量真假变换，用布尔量组成具有七段数码管显示功能的LED。一般的数字时钟具有时、分、秒计数显示功能，小时为24进制，分钟和秒为60进制显示，设置复位功能，本系统的复位时间是【12：00：00】。设计原理与EDA设计数字时钟原理一样，都是数字信号0,1控制完成秒分时的计数任务，到相应的进制进位即可，EDA是用VHDL语言编写，分时分秒各个模块，比较复杂，而LabVIEW用图标搭建，模块单一，功能一样，更有利于学生掌握数字时钟的基础设计思路。如图5是数字时钟显示面板，图6是数字时钟程序面板。3.2.3 数字时钟显示面板3.2.4 数字时钟程序面板整个程序面板只用到LabVIEW中for循环结构和case选择结构，只要搞清楚数字时钟的原理，设计比较简单，实现的功能与其它语言设计的功能一样，而且是界面化的，使用者可以很清楚的看到结果。四 结论(1)本文是基于LabVIEW技术开发的数字电路实验系统的设计，整个系统可以实现数字电路课程的基础实验和一些综合设计实验，设计过程