基于虚拟仪器的数字电路实验系统设计

黄燕 李成勇 重庆工程学院电子信息学院

引言：随着时代的发展，科技的进步，我国各大高校的招生规模不断扩大，其课程教学内容也伴随着发展逐步更新换代。社会对我国高校的学生提出了愈来愈高的要求，特别是理工类的专业，要求学生在掌握理论专业知识为基础的同时，还应具备严谨的科学思维方式、认真的工作态度以及扎实的实际动手能力，能将理论与实际相结合，把知识运用到实际应用当中。而实验教学恰恰是培养这些能力和素质的关键，学生只有在实验中，才能真正理解并运用所学的理论知识，提升实践能力。

在数字电路实验中，实验数据的分析和保存，对于获取准确的实验结果以及让学生从中理解实验原理至关重要。但在如今大多数高校的实验教学模式中，学生记录和分析数据的方式通常是通过学生自己手工，这样的方式往往会导致的较大的误差，并且在后续整理和查询实验数据时，也非常不方便。

与传统实验仪器相比较，虚拟仪器技术不仅具备计算机强大且灵活的处理能力，并且还拥有可扩展性的测量和控制能力，将传统的仪器设备的功能集合，一方面减少了传统实验仪器的成本以及每次实验所需的经费，另一方面还能随时随地对数据进行处理、显示和传输，提供维护、扩展、升级等功能。虚拟仪器技术在实验教学中得到应用，学生就可以将虚拟实验与实物实验相结合，突破实验设备和实验空间的限制，在较快地掌握实验仪器的基本原理和使用方法的同时，大幅度地提升自身的创新和自主学习能力，这在现代实验教学中是一种先进的技术手段。

1 实验系统设计分析

1.1 数字电路实验课程分析

在如今的高校数字电子技术课程中，数字电路实验总的来说可以分为两类：一类是基本逻辑电路实验，其中包括组合逻辑电路实验和时序逻辑电路实验，如编码器、译码器、RS触发器、JK触发器等；另一类是综合设计实验，包括信号发生器、七段数码管、数字时钟等。本系统选取部分基本逻辑电路实验和综合设计实验进行分析并搭建系统的前面板及程序框图，当学生想要进行某个数字电路实验时，可以直接在数字电路实验总面板上点击对应的实验按钮，就能够进入到所搭建的相应的实验模块当中，充分体现虚拟仪器在实验教学中的优势，并且具有可开发性、稳定性、实用性等特点，对于提高我国高校的实验教学质量来说至关重要。

1.2 实验系统设计可行性分析

在LabVIEW的前面板中提供了大量的虚拟元器件，包括各种形式的开关、按钮、指示灯、波形显示器等等。

只需根据需求，自定义的在前面板设计元器件的位置摆放，学生按照实验要求点击相应图标即可开始实验并能直观的观察到实验过程及结果。

在LabVIEW的程序框图面板中，函数选板里具备了众多的信号处理、运算，以及数值运算、逻辑运算等函数模块，调用这些模块就可以设计并搭建出各种数字电路的基础以及综合实验，如编码器、译码器、运算器、触发器、信号发生器、数字时钟等。

在数字电路中，通常存在诸多的模拟量以及高电平和低电平这两种相对立的逻辑状态。在LabVIEW的控件选板中恰好包含了大量数值、布尔控件，因此，数值控件便可以用来表示实验的各种模拟量，其数字电路的两种对立状态也可以巧妙的通过同样具有真值和假值两种对立状态的布尔控件来表示。

LabVIEW的程序编写过程是利用计算机的仿真技术，将代表不同功能的图标（VI）进行选择、组合，并且用表示数据流向的连线连接起来。不仅实验的设计方式十分简单，其可实现的实验需求与传统硬件设备的功能也大致相同，同时还能进行思维的扩展，提高操作性和可应用性范围。因此，对于实验设备和经费成本有限的高校来说，虚拟仪器技术除了能提高教学质量与效果之外，也具有非常高的便捷性和实用性，能够提高大部分学生的参与程度，让更多的学生投入实验。

2 实验系统详细设计

根据对数字电路实验的分类，列举分析构建系统的各个实验模块的详细设计，其中基础实验模块以全加器设计为例，综合实验模块以秒表计时器。

2.1 全加器

在数字电路系统中，有一项最重要的基本任务——算术运算。而在数字系统中的算术运算与常规运算不同的是，它所有的加、减、乘、除均是通过加法来进行的。因此，加法器被称之为数字电路系统中最为基础也最为重要的模块。

在进行运算时不考虑低位来的进位的加法即是半加。而全加不同，除了最低位之外，在其它位的加法上，全加需要考虑到低位向本位的进位。能够实现全加运算的电路就称之为全加器。它具有三个输入端：加数Ai、被加数Bi还有相邻低位来的进位数Ci-1；以及两个输出端：和数Si和向高位的进位Ci+1。

当输入端或输出端为“1”的状态时，布尔控件被点亮，为“0”的状态时则不亮；选定输入端的值后，点击确定按钮，输出端显示相应结果，点击退出按钮，退出本次实验运行。

在本模块中，当输入端Ai、Bi、Ci-1的布尔控件被点亮的个数为奇数，即为“1”的状态的个数为奇数时，其输出端和数Si的布尔控件被点亮，否则不亮。输出高位进位的Ci+1则是当输入端的布尔控件被点亮的个数为2个及2个以上时，其布尔控件才会被点亮，否则同样不亮。例如当输入端为“100”的状态时，输出端和数Si的布尔控件则会被点亮，而输出高位进位的Ci+1的布尔控件则不亮。

2.2 时钟及秒表计时器

时钟在人类历史上已有几千年的历史，并且随着社会经济和科学的发展，人们的生活也逐渐无法离开时钟，它已经彻底融入了人们的日常生活，成为一种不可或缺的存在。而在各类比赛以及许多实验测量当中，数字式秒表也是一种至关重要的计时工具。因此，本次综合设计实验就把时钟与数字式秒表计时器的功能结合，让它可以在正常进行开始、停止、复位并记录时间的同时，方便人们观察时间，其功能简洁明了，使用方法简单，易于操作。

当水平摇杆开关波动到“时间”时，启动时间模式，自动显示当前时间；当水平摇杆开关波动到“秒表”时，启动秒表模式，点击“开始”按钮进入计时状态，点击“停止”按钮停止当前计时，点击“清零”按钮重置当前记录的时间，点击“保存”按钮将保存的数据显示在左侧的文本框中，并存储在指定的记事本文件里。

2.3 实验系统总面板模块

实验总面板就是将所有的实验仿真模块整合到一个平台当中，学生只需在使用时点击选择相应的模块按钮，就能调用其实验模块，进行对应的实验教学，并且还能非常方便快捷地进行多次实验，实验过程也清晰明了。通过这样一个数字电路实验系统，学生不仅能巩固每一门课程的理论知识，更能利用这个平台进行创新实践，让学生根据自己的想法搭建自己的系统模块。

3 测试与调试

3.1 调试方法及工具

（1）错误列表。LabVIEW的编译过程不像传统的程序设计开发语言，需要程序员进行手动的编译，相反，其过程在后台自动编译并且将编译后的目标代码存储在VI文件中的同时，还能够实时地判断代码编写是否正确，其结果是否能够正常显示，连线或节点是否出现错误。如果出现运行的异常和中断，LabVIEW将会自动的弹出错误列表对话框，对话框里会显示当前VI程序中所出现的错误。在错误列表对话框中，双击其中某项错误，就可以快速直接的定位到该错误，并且按照提示的错误内容进行相应的修改。

（2）断点工具。断点可以设置在LabVIEW程序面板中的任何一个节点或者连线，其作用就是让程序在运行过程中，当运行到设置了断点的节点或连接线时暂停运行，从而检查在某一段程序编写中，是否出现编写上的逻辑错误，达到快速定位错误源的目的。除此之外，还可以用于检验某一段程序的运行结果是否正确，因此，该工具通常与探针工具结合使用。

3.2 调试结果

基本逻辑电路实验模块中，部分实验模块输出端的布尔控件显示结果与理论结果不同，如译码器的输出结果与理论结果恰恰相反。通过反复研究实验电路的逻辑图，以及检查程序中的连线及逻辑运算、数值运算是否应用正确后，发现是输入端的按名称解除捆绑的元素顺序错误。经过修改元素顺序后。

综合设计实验模块中，时钟及秒表计时器实验出现数码管显示顺序紊乱、计时器无法暂停等问题。通过利用上述工具，检测程序中出现错误的节点或连线的位置，查看数据流的走向及程序执行情况等，发现数码管显示顺序紊乱是由于簇中布尔控件的顺序错误，根据相应的数字所需要显示的布尔控件，再进行重新排序簇中控件后，数码管能够正常显示对应数字；由于计时器是通过循环计数实现的，所以程序中设置了若干个while循环，如果要退出循环，即暂停或停止计时，则需要按照不同的条件依次退出每一层循环，而计时器无法暂停就是循环没有退出成功造成的。理清条件退出思路，再以此进行修改和不断尝试后,最终调试成功，程序正常运行，所实现的功能达到预期。

4 总结

虚拟仪器技术具有非常高的灵活性和可扩展性，在节约实验经费成本的同时，还能提高实验教学的质量和效果，给学生提供一个身临其境的实验环境，让学生找到学习知识的乐趣。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，计算机已经逐渐成为我国高校实验教学中必不可少的一部分，而虚拟仪器技术与实物实验教学的结合，毋庸置疑的具有很高的性价比，并且还能充分达到实验教学的效率和效果。

使用LabVIEW编写图形化的程序，不但适用于数字电路的各种基础实验，更能简化其电路设计过程，让学生更加简洁而又充分的理解到实验原理。基于虚拟仪器技术在数字电路实验系统中的应用，将会在未来提高教学效果的同时，全面提升我国的教育教学及科学研究的质量。