全曉莉，周南權(quán)

（1.重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400054；2.重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，重慶 400021）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等理工科教育中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，很多學(xué)科都以實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，把理論知識(shí)靈活地運(yùn)用到實(shí)踐中；可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及科技創(chuàng)新能力。但是課程教學(xué)改革的實(shí)施和高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，使一般學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量很難滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是建立在軟件教學(xué)基礎(chǔ)上的［1］，虛擬儀器具有交互性、數(shù)字化、模塊化、易于網(wǎng)絡(luò)化等明顯特點(diǎn)，十分有利于從整體上提高我國(guó)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。所以，高等院校應(yīng)十分重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用［2］，需要研發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段和方式、優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)，不斷革新實(shí)踐教學(xué)［3－4］。

筆者在對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，探索將虛擬儀器技術(shù)用于數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)出一套低成本、高收益、方便升級(jí)的數(shù)字電路教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［5－6］。

1 虛擬儀器的概念

虛擬儀器是利用計(jì)算機(jī)的顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的面板，利用計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作虛擬儀器的功能按鈕，由基于計(jì)算機(jī)的I／O接口設(shè)備完成數(shù)據(jù)（信號(hào)）的采集和調(diào)理，利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)（信號(hào)）的分析處理、表達(dá)與儲(chǔ)存，從而實(shí)現(xiàn)多種儀器功能的一種基于電子計(jì)算機(jī)的儀器系統(tǒng)［7］。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)拓展傳統(tǒng)儀器的功能，是基于計(jì)算機(jī)的儀器。

軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。當(dāng)基本硬件電路確定后，就可以通過(guò)不同的編程實(shí)現(xiàn)不同儀器的功能，用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)、研發(fā)自己的虛擬儀器系統(tǒng)［8］。虛擬儀器具有操作方便、容易實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生互動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，有助于提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，它將成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的重要手段和方法。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)兩部分。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的目的在于使學(xué)生掌握邏輯電路的功能、特點(diǎn)及其應(yīng)用；綜合性實(shí)驗(yàn)主要是培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)課堂理論知識(shí)的驗(yàn)證，用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)字邏輯電路仿真具有形象、逼真、便捷的特點(diǎn)［9］；設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)安排學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手實(shí)踐，將基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)室物理環(huán)境的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖中每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊都是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)，可以完成特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)造

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真，因此與硬件相關(guān)的部分都需要用軟件來(lái)模擬；而綜合性實(shí)驗(yàn)需要用到一些硬件設(shè)備來(lái)輔助完成設(shè)計(jì)。LabVIEW中包含了大量的函數(shù)模塊，如信號(hào)仿真模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)分析處理模塊等，利用這些功能強(qiáng)大的函數(shù)模塊以及不同類型的輸入控件和顯示控件，可以方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的模擬、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果的顯示等［10－11］。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例

“軟件就是儀器”。本文以移位寄存器實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)為例，介紹用LabVIEW開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的基本思路。

寄存器用于寄存一組二值代碼。由于一個(gè)觸發(fā)器可以寄存一位二值代碼，所以多個(gè)觸發(fā)器共同組成的一組觸發(fā)器就可以儲(chǔ)存一組二值代碼，在多個(gè)觸發(fā)器基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)鐘信號(hào)和輸入信號(hào)進(jìn)行正確的連接就可以實(shí)現(xiàn)寄存器。移位寄存器除了存儲(chǔ)功能外，還具有數(shù)據(jù)移位功能，即在時(shí)鐘脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，寄存器里的二值代碼依次左移或者右移，因此在數(shù)據(jù)的串行／并行轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算和處理等許多過(guò)程中，移位寄存器有廣泛的應(yīng)用。

本文使用4個(gè)D觸發(fā)器組成4位移位寄存器，但實(shí)際上使用其他類型的觸發(fā)器（如JK觸發(fā)器等）也可以實(shí)現(xiàn)相同的功能。從執(zhí)行順序上看，該程序?qū)嶋H上是一個(gè)串行的觸發(fā)器序列，每一個(gè)觸發(fā)器在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下輸出一位狀態(tài)信號(hào)，除第一個(gè)D觸發(fā)器的輸入信號(hào)是DI外，其他觸發(fā)器的輸入信號(hào)正是前一個(gè)觸發(fā)器上一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)儲(chǔ)存的信號(hào)。于是，時(shí)鐘每進(jìn)行一個(gè)周期，就可以將觸發(fā)器所儲(chǔ)存的狀態(tài)信號(hào)送入下一個(gè)觸發(fā)器中，而第一個(gè)觸發(fā)器新接收的信號(hào)為輸入信號(hào)DI，這樣就實(shí)現(xiàn)了移位寄存器的邏輯仿真過(guò)程［12］。

虛擬移位寄存器的前面板如圖2所示，圖中時(shí)鐘的頻率、占空比和移位寄存器移位的位數(shù)等參量都可以由用戶自己選擇。虛擬移位寄存器的主程序設(shè)計(jì)如圖3所示，整個(gè)程序框圖中主要調(diào)用了事件結(jié)構(gòu)（E－vent Structure）、While循 環(huán)結(jié)構(gòu)、條 件 結(jié) 構(gòu) （Case Structure）、Bollean Array to Digital.vi、數(shù)字信號(hào)顯示器（Digital Waveform Graph）以及已經(jīng)設(shè)計(jì)好的 D觸發(fā)器.vi和時(shí)鐘.vi兩個(gè)子程序等典型函數(shù)模塊，完成4個(gè)事件的響應(yīng)。

圖2 移位寄存器前面板

需特別說(shuō)明的是，由于同時(shí)調(diào)用了若干個(gè)“D觸發(fā)器.vi”子程序［13］，而默認(rèn)狀態(tài)下LabVIEW 調(diào)用子vi時(shí)，是將這些vi看作同一個(gè)vi重復(fù)執(zhí)行，所以會(huì)造成各個(gè)觸發(fā)器狀態(tài)之間的影響，產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。因此，一定要將“D觸發(fā)器.vi”設(shè)為可重入vi。設(shè)置為可重入vi后，允許LabVIEW在調(diào)用多個(gè)相同的子vi時(shí)將其視作若干個(gè)獨(dú)立的子vi分別執(zhí)行，這樣就不會(huì)互相產(chǎn)生影響。

該程序仿真了5個(gè)時(shí)鐘周期的過(guò)程，若需要拓展，可在此基礎(chǔ)上自行作出修改。實(shí)際上，通過(guò)數(shù)據(jù)置入方式不同和輸入脈沖的不同，可以利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)串行／并行或并行／串行之間的轉(zhuǎn)換。

圖3 移位寄存器的程序

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字電路課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有高效、開(kāi)放等特點(diǎn)，借助LabVIEW強(qiáng)大的信號(hào)分析處理能力和生動(dòng)友好的界面設(shè)計(jì)，虛擬演示實(shí)驗(yàn)如同在實(shí)驗(yàn)室操作真實(shí)儀器設(shè)備，這種方式大大提高了課程實(shí)踐教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性，克服了場(chǎng)地、課時(shí)數(shù)等對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的限制，是教師教學(xué)的演示工具、學(xué)生自學(xué)和提高的得力助手和“導(dǎo)師”。

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