基于LabVIEW的數字虛擬芯片構建方法及應用

0 引言
虛擬儀器LabVIEW目前已廣泛應用于測試領域，出發點和歸宿是“軟件化的真實儀器”。LabVIEW同時又是一個優秀的仿真系統，但真正處于仿真目的使用的并不多見，本文提出數字“虛擬芯片”概念，并基于LabVIEW實現仿真運用。
所謂“虛擬芯片”，是在充分利用LabVIEW圖形化語言風格和強大信號處理功能的基礎上，設計具有一定顯示界面的虛擬輸入／輸出端子、能完成相應的數字邏輯運算功能或數字信號處理功能的計算機程序，也就是LabVIEW的VI。應當說這是新時期數字邏輯電路設計、實驗或教學的一種新舉措，基于LabVIEW的數字虛擬芯片和原理圖設計與其他仿真系統相比，不但有自身的特點，也是對虛擬儀器系統LabVIEW應用新領域的拓展和補充。

1 基于LabVIEW實現虛擬數字邏輯電路仿真的可行性及優點
由前面板實現數字電路的各種控制和顯示，由程序流程圖實現數字電路的邏輯運算功能，是基于虛擬儀器LabVIEW進行數字邏輯電路仿真設計的基礎。LabVIEW的前面板提供了大量數值、布爾控件。后面板提供了大量的函數模塊，使用這些函數可以很方便地調用或設計出各種門電路、編碼器、譯碼器、運算器、存儲器、觸發器、定時器、ADC／DAC等數字電路設計中常用的器件模塊。在數字電路中，高電平和低電平2種邏輯狀態可用前面板中的布爾控件提供；而電路設計中的各種模擬量可以用各種數值型控件及函數信號發生器產生和提供。基于LabVIEW實現虛擬數字邏輯電路的可行性及優點，還表現在以下幾方面：
(1)可充分使用LabVIEW強大的輸入／輸出控件資源
(2)LabVIEW中的圖形化語言風格適合數字電路的邏輯圖構建：
布爾控件圖標與數字邏輯門電路符號相近；圖形化的G語言風格適合邏輯圖的連接。
(3)可開發通用或專用的數字虛擬芯片庫(模塊庫)
(4)LabVIEW虛擬儀器可實現與外部數據的交換

2 基于LabVIEW的數字虛擬芯片設計方法
下面從一個有異步復位、置位端子的虛擬觸發器單元設計開始，以LabVIEW中邏輯運算VI作為虛擬“門電路”單元，構建通用數字邏輯芯片、計數器74160虛擬“芯片”，討論并實現該虛擬芯片的仿真應用。
2．1 具備異步復位、置位端的虛擬觸發器設計
低電平有效的異步置位、復位功能的虛擬JK觸發器特性方程可表示為：

當滿足約束條件RD+SD=1，即RD、SD不同時為有效電平(邏輯值0)時，這2個端子可作為異步置位端(SD)和異步復位端(RD)，即有：

使用過程中應當注意滿足約束條件(當RD+SD=O時，始終有QN+1=O)。
根據式(1)構建的低電平有效的異步置位、復位功能的JK觸發器LabVIEW后面板如圖1所示，其異步置位、復位端動作不受同步CP控制，直接實現操作(觸發器狀態直接被置位或復位)。為實現CP輸入下降沿有效的動作方式，程序中引入了條件結構控制。當無有效CP邊沿輸入時，輸入觸發器端子的數據是J=K=“false”，等價于J=K=0，觸發器處于保持狀態；只有當有效CP下降沿輸入時，觸發器才接收輸入控件J，K的數據，實現相應的動作。圖1中左下角部分程序就是實現CP下降沿輸入有效的控制程序部份。

定義圖1中VI的各輸入、輸出端子，編輯好相應的VI圖標，將其保存為一獨立VI文件，最后得到對應的VI圖標及連線如圖2所示。這樣的VI圖標即可看作一個虛擬觸發器。