虛擬儀器LabVIEW在數字電路實驗教學中的應用

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實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，虛擬儀器技術便一直成為發達國家自動測控領域的研究熱點和應用前沿。目前，最著名的虛擬儀器系統是NI的LabVIEW，其最廣泛的應用領域是測控領域[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、實驗的問題。文章認為，由于虛擬儀器的自身特點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或實驗，但對于數字電路系統，則有較強的、特殊的優勢。

2 問題的引出

　　虛擬儀器LabVIEW具有典型的圖形化語言風格，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據的流向，相當于代碼語言的“賦值”語句[5]。在LabVIEW的函數選板中，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），也就是一個規范的數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、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技術或仿真技術，后兩者只不過是對現實系統的一種模擬而已，而虛擬儀器雖稱為“虛擬”，但其實質是一種基于計算機軟、硬件系統作為支撐，通過采用一定的數學模型和算法來完成處理過程的真實儀器系統，一句話，虛擬儀器系統并非“虛擬”儀器，而是“真實”儀器，它是要完成真實儀器系統功能的。也就是說，基于虛擬儀器系統進行的相應實驗或教學過程，通過配置相關的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、實驗，比基于虛擬現實技術或仿真技術的教學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，再加上系統本身圖形化的語言風格，完全可以做到將“程序――邏輯圖――實驗過程――輸入輸出”等過程的結合，使過程簡單明晰，可以完成數字邏輯電路中幾乎所有的實驗及演示，如：編碼器、譯碼器、數據選擇器/分配器、加法器、各類計數器等等，而且，具體的實驗或演示過程，還可運用LabVIEW中程序執行過程的“高亮度單步執行”模式，充分地觀察到信號的動態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”，供需要時直接調用。下面就以一簡單的七段數碼顯示譯碼器為例，來討論運用虛擬儀器LabVIEW實現數字電路實驗的過程。

3 數字電路教學實驗的設計

　　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，來說明虛擬儀器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為四位二進制數，a-g為相應的七段顯示輸出，其邏輯關系式則為方程組1。

圖2 七段數碼顯示字形

3.2 設計過程及實驗