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1、基于labview的电子技术实验系统的设计基于labview的电子技术实验系统的设计作 者： 指导教师： 所在院系：信息工程系日 期：2010-12目录摘要- 3 -引言- 4 -1. 1传统电子学实验室教学模式的弊端- 4 -1. 1.1 实验室设备利用率低- 4 -1. 1.2实验信息管理混乱- 4 -1. 1.3 实验教师工作繁杂- 5 -1. 2 虚拟仪器在电子实验教学中的应用- 5 -1. 2.1 虚拟仪器概述- 5 -1. 2.2 LabVIEW的编程简介- 5 -1. 2.3 虚拟仪器中的数字电子技术- 6 -第一章 数字电路教学实验的设计- 9 -1.1平台的构建- 9 -1.
2、2半加器的设计- 10 -1.3全加器的设计- 11 -1.4比较器的设计- 12 -1.5双向同步计数器的设计- 12 -1.6与非门的设计- 14 -1.7 D触发器的设计- 14 -1.8 JK触发器的设计- 15 -1.9 译码器的设计- 16 -第二章 虚拟数字示波器的设计与实现- 18 -2.1虚拟示波器的介绍- 18 -2.2软件设计思想- 19 -2.3 前面板设计- 20 -24信号采集模块- 22 -2.5信号测量和分析控制模块- 23 -2.6虚拟示波器的具体软件设计- 23 -第三章 基于虚拟仪器的实验室设计方案- 27 -31虚拟仪器实验室的硬件平台- 27 -311
3、 DAQ虚拟仪器系统- 28 -312 GPIB虚拟仪器系统- 31 -313 VXI虚拟仪器系统- 32 -314 PXI虚拟仪器系统- 33 -315 USB和IEEEl394虚拟仪器系统- 34 -316 RS一232虚拟仪器系统- 35 -32虚拟仪器实验室的软件平台- 36 -321虚拟仪器软件体系结构(VISA)- 37 -322仪器驱动程序- 37 -323应用软件- 38 -第四章 论文总结- 40-参考文献- 43 -致谢- 44 -摘要随着低成本高性能的计算机资源普及运用，数字化仪器平台逐渐取代传统电子仪器已成为一种趋势。我国理工科学校的教学、科研需要大量的测量分析仪器设备
4、，特别是电子类实验教学，每种仪器都必须配置多套，而且有些仪器设备价格十分昂贵。因此购置仪器设备的巨大投入经费，一般学校难以承受，造成仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研效果。另外，由于传统电子学实验室教学模式存在的弊端，造成实验室设备利用率低，实验信息管理混乱，实验教师工作繁杂，最终不仅仅浪费了学校大量的人力物力，而且学生还不能真正地掌握实验，培养过关的动手能力（学校实验室仪器配备不全，一些必要的实验无法展开）。如果把虚拟仪器运用到实验教学和科研中，不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高实验教学和科研的质量与效率。尤其是虚拟仪器LabVIEW在数字电路实验教学中的应用，效果
5、更为明显。关键词:电子技术实验教学 虚拟仪器 LabVIEW 优势引言实验室是教学、 科研的重要基地 ,实验室的建设也反映了学校的教学体系、 学科建设和管理体制的水平。电子学实验是理工科专业教学的一个重要内容 ,是培养学生电子技术应用和工程设计能力不可缺少的教学环节。由于其面向的是一个发展迅速的学科 ,所以实验室教学方法、 手段和水平也要不断改进和提高 ,以适应学科的发展。1. 1传统电子学实验室教学模式的弊端1. 1.1 实验室设备利用率低高校实验室教学设备数量有限 ,特别是一些贵重仪器 ,要做到学生与设备一对一配套是不现实的。在传统的实验室教学模式中 ,一般会将学生分为若干小组 ,以组为单
6、位作实验 ,使部分同学难以全部参与和投入 ,没能充分了解和掌握实验全过程。1. 1.2实验信息管理混乱实验信息 ,特别是实验数据的存储、 分析和查询是电子实验的一个重要内容。在传统实验教学模式中 ,学生靠手工记录和分析数据。存在的问题是:第一 ,记录时人为误差较大;第二 ,不便于保存、 查询和整理。1. 1.3 实验教师工作繁杂实验报告的评阅 ,典型问题的解答与数据核对 ,包含大量的重复性工作 ,给指导教师带来很多重复性劳动 ,精力很难集中在实验台上。1. 2 虚拟仪器在电子实验教学中的应用1. 2.1 虚拟仪器概述所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，配合以相应的输入/输出接口，具
7、有计算机显示器的虚拟面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。自美国国家仪器公司(National Instruments，NI) 在1986年提出虚拟仪器的概念之后，虚拟仪器技术便一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。目前，最著名的虚拟仪器系统是NI的LabVIEW，其最广泛的应用领域是测控领域，而文章将要探讨的，是将该系统应用于数字逻辑电路的教学、实验的问题。文章认为，由于虚拟仪器的自身特点及数字与模拟电路的差异性，虚拟仪器系统并不适用于模拟电路系统的教学或实验，但对于数字电路系统，则有较强的、特殊的优势。1. 2.2 LabVIEW的编程简介在LabVIEW环境下开
8、发的应用程序称之为VI。VI是LabVIEW的核心，由一个人机交互的界面前面板(Front Panel)和相当于源代码功能的框图程序后面板（Diagram）组成。前面板是程序的界面，在这一界面上有控制量(Controls)和显示量(Indicators)两类对象。在前面板中，控制量模拟仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序，例如开关、旋钮；而显示量则是模拟仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据，例如用于显示波形的窗口等。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来
9、同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义框图内的数据流动方向。后面板又称代码窗口或流程图，是VI图形化的源能，一般不包括业务逻辑方法，Web层则和Enterprise Beans交互，自身比如JSP和Servlets中会包含一些业务逻辑。1. 2.3 虚拟仪器中的数字电子技术 虚拟仪器LabVIEW具有典型的图形化语言风格，其程序的编制过程就是将不同的图标（VI）进行选择、组合并连线的过程。其不同图标（VI）相当于具有不同功能的“子程序”，图标间的连线指定了数据的流向，相当于代码语言的“赋值”语句。在
10、LabVIEW的函数选板中，既包含了大量专用的信号处理、信号运算等VI图标，也包含了各种数值运算、逻辑运算的基本VI图标。其中的逻辑运算VI，其图标就是标准的逻辑运算符号，其中相应的逻辑运算VI选板如图1。图1 布尔逻辑运算VI选板不难看出，利用这些图标编制的逻辑运算程序（LabVIEW后面板），也就是一个规范的数字逻辑电路的逻辑图。就信号的输入/输出来说，LabVIEW亦提供了丰富的输入控件和输出控件，如各种形式的开关、按钮、指示灯、波形显示器等等，这些“器件”可直接用简单的拖动方式拖放到相应位置即可使用。如图2数值输入控件图2 前面板中的控件更重要的是，虚拟仪器系统不同于虚拟现实技术或仿真
11、技术，后两者只不过是对现实系统的一种模拟而已，而虚拟仪器虽称为“虚拟”，但其实质是一种基于计算机软、硬件系统作为支撑，通过采用一定的数学模型和算法来完成处理过程的真实仪器系统，一句话，虚拟仪器系统并非“虚拟”仪器，而是“真实”仪器，它是要完成真实仪器系统功能的。也就是说，基于虚拟仪器系统进行的相应实验或教学过程，通过配置相关的A/D或DAQ接口，即成为能完成实际仪器功能的仪器，故基于虚拟仪器进行教学、实验，比基于虚拟现实技术或仿真技术的教学实验更具有实际意义！由于虚拟仪器LabVIEW中提供的布尔运算VI比较完备，再加上系统本身图形化的语言风格，完全可以做到将“程序逻辑图实验过程输入输出”等过
12、程的结合，使过程简单明晰，可以完成数字逻辑电路中几乎所有的实验及演示，如：半加器、全加器、比较器、计数器、与非门、D触发器、JK触发器、译码器等等，而且，具体的实验或演示过程，还可运用LabVIEW中程序执行过程的“高亮度单步执行”模式，充分地观察到信号的动态流程和逻辑电路的运算过程，甚至可以将某种逻辑运算过程单独开发为专门的用户VI，形成一独特功能的新型概念的“虚拟芯片”，供需要时直接调用。下面就以一些大学课程中简单的数字电子技术实验为例，来介绍讨论运用虚拟仪器LabVIEW实现数字电路实验的过程。第一章 数字电路教学实验的设计 在电子技术课程中，数字电路作为电类专业的基础核心课程，其实验教
13、学是十分重要的环节，实验包括半加器、全加器、数据选择器等内容。1.1平台的构建 最后以相同的步骤完成减法器、数据选择器、计数器、触发器、译码显示等模块的设计，再将实验仿真模块整合到一个平台中，使用时只需点击选择模块按钮，就能调用其实验模块。这样在实验教学中就可以非常方便地使用和查看各个模块的功能。这就构成一个数字电路仿真实验平台，如图1-1所示。图1-1 数字电路仿真实验平台1.2半加器的设计 半加器电路是指对两个输入数据位进行加法，输出一个结果位，不考虑低位数据的进位，产生进位输出的加法器电路。输入信号：A、B；输出信号：本位和S，向高位的进位C。逻辑表达式为： S= AB，C =AB。根据
14、其逻辑关系用LabVIEW编写程序框图，如图1-2所示。图1-2半加器程序框图前面板如下：其实现功能为：当单独按开关A或B时S亮，当开关A，B同时开时C亮，S暗。1.3全加器的设计 在相加的过程中，除最低位外，其余各位既要考虑本位的被加数Ai和Bi，还要考虑低位向本位的进位Ci-1，就是说低位的Ci-1也作为一个独立的变量参与运算。因此，所谓全加就是求取三个变量（本位Ai、加数Bi输入以及低位向本位进位Ci-1）的和S及本位向高位的进位Ci。因为全加器是基于半加器做成的，其中部分电路是半加器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能将半加器打包成一个子程序，作为VI模块调用。如图1-3所示。图
15、1-3全加器程序框图前面板如下：1.4比较器的设计在二维二进制比较器的设计中，比较它们是否相等，当A1A0和B1B0相等时，S灯亮，即两数相等，反之，不相等。程序如图1-4所示。图1-4比较器程序框图前面板如下：1.5双向同步计数器的设计在双向同步计数器的设计中，通过控制UP/DOWN键，当UP/DOWN键为1时，随着计数脉冲的不断输入而作递增计数；当UP/DOWN键为0时，随着计数脉冲的不断输入而作递减计数。即此计数器可作为加减用的同步双向计数器。 因为双向同步计数器是基于JK触发器做成的，其中部分电路是JK触发器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能将JK触发器打包成一个子程序，作为VI模块调用，其程序如图1-5所示。图1-5双向同步计数器的程序框图前面板如下：1.6与非门的设计在与非门的实验中，由于其比较简单，设计起来也比较简单，在这不过多的叙述了。程
