基于LABVIEW网络虚拟数字电路实验平台的研制

基于LABVIEW 网络虚拟数字电路实验平台的研制

戴成梅1

戴成建

2

(1.周口师范学院物理与电子工程系 周口 466001;2.沈阳飞机设计研究所 沈阳 110035)

摘 要:为了提高数字电路实验教学的开放性和减少实验室建设成本,研制了一种网络虚拟数字电路实验平台,可以完成数字电路实验课基本教学任务。结合该门实验课的教学需要,在LA BVIEW 开发平台上利用多个单元虚拟控件设计出多个综合虚拟仪器,可以开出一些基础性实验题目和综合性实验题目。并且,利用L A BV IEW 中网络编程控件将该实验平台发布到校园网上,学生通过校园网可以远程登录本实验平台完成相应的实验任务。测试结果表明,该网络虚拟实验平台运行稳定,人机操作界面友好,系统扩展性强,较易维护,并节省了大量的设备资金,为高校开放性实验室及远程实验室的建设和发展提供一个新的思路。

关键词:实验平台;数字电路实验教学;网络;虚拟仪器中图分类号:T P303 文献标识码:A

Research on network virtual experiment platform

of digital circuit based on LABVIEW

Dai Chengm ei 1 Dai C hengjian 2

(1.Department of Physics and Electronical Engineering,Zhoukou Normal Universit y,Zhoukou 466001,China;

2.Shenyang Aircraft Design &Research Instit ute,Shenyang 110035,china)

Abstract:T o im prove the openness of digital circuit experim ent teaching and cut laboratory const ruct ion costs,a netw ork virt ual experiment platform is developed t o accom plish basic digital circuit experiment teaching tasks.A ccording t o the need of the experim ent t eaching,many comprehensive virtual instrum ents are designed w ith m any cell virtual controls of L ABVIEW t o open some basical and com prehensive experiment subjects.And,the experim ent flat form is realeased through cam pus netw ork w ith som e netw ork virt ual controls of LABVIEW for st udent s to rem ot ely operate it and finish corresponding experim ent t asks.The experim ent results sh ow that t he netw ork virtual plat form can run st ably,h ave a friendly operation int erface,strong expansibilit y and easy maintainabilit y,and save a lot of funds for devices,providing a new path for the construction and developm ent of opening and remote laboratory in t he university.K eywords:experiment plat form;digital circuit experim ent teaching;netw ork;virtual inst rum ents

收稿日期:2011-7

0 引 言

数字电路实验课是高等院校理工科专业必修的基础课,主要帮助学生掌握中规模集成单元电路的功能、参数和基本应用,使学生获得数字电子技术基本理论和基本实践技能。但是,近年来,由于高等院校的大规模扩招,导致了高校实验室设备和规模都难以满足实验教学的需要。为了缓解高校实验设备紧缺问题,本文利用LA BVIEW 中布尔控件和资源管理器创建虚拟数字电路实验平台,不仅能够开设基本的数字电路实验题目,还可以开设一些综合性、设计性实验题目;利用LABVIEW 软件中的网络编

程功能可以将本地机里虚拟数字电路实验平台设置为服

务器,学生可以在校园网上登录该平台,能够远程操作服务器完成预期的实验任务,拓宽了实验教学的空间。同时,学生可以根据自己的实际情况灵活地选择实验内容、实验地点和时间,进一步提高了学生的实验效率,并能激发学生的学习主动性和自觉性。

1 虚拟仪器介绍

虚拟仪器是基于计算机的软件仪器,是仪器系统与计算机技术相结合的结果,通过运行一些程序可以实现某些硬件的物理功能。从仪器角度来看,这些程序被称为虚拟

仪器。在虚拟仪器使用过程中,可以通过修改仪器的属性提高虚拟仪器的性能,不断扩展仪器的功能。目前,用来开发虚拟仪器最流行的软件是LABVIEW。LA BVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境(laboratory virtual instru-m ent engineering w orkbench)的简称,是美国国家仪器公司(National Inst rum ents)的创新产品[1]。LABVIEW开发软件是一个图形化编程语言,利用它可以创建不同的虚拟仪器(又称VI控件)。每个虚拟仪器包括两个界面,即前面板和程序框图。前者为用户提供各种输入控件和显示控件;后者为开发者提供各种程序控件。当运行创建的虚拟仪器时,该仪器的程序框图控制它的前面板的相应控件进行工作。当操作者在前面板上点击输入控件,显示控件会产生相应的状态。

2 数字电路实验平台设计方案

在真实的数字电路实验室里,学生利用电子实验箱可以完成基础性和综合性实验题目。为了完成同样的实验任务,本文利用LA BV IEW8.60开发软件中的多个虚拟控件组建一个虚拟的数字电路实验平台。该平台能够开出基础性实验题目和综合性实验题目。其中基础性实验题目分别为基本门电路的逻辑功能测试实验、译码器实验、触发器实验、加法器实验和数据选择器实验[2]。基本门电路的逻辑功能测试实验可以完成与门、或门、异或门和同或门4种基本门电路功能测试;触发器实验可以完成主从JK触发器、同步RS触发器、D触发器和T触发器4种基本触发器实验任务;加法器实验可以完成半加法器和全加法器两种加法器实验任务。而综合性实验题目设计为3位加法器和3位比较器2个实验题目。然后,利用L ABVIEW软件中的网络编程控件将该实验平台发布到校园网上,学生可以远程登录该网页完成数字电路实验任务[3-4]。该实验平台不仅满足了开放性实验教学需要,还进一步减少了设备成本,为解决高校实验设备紧缺问题具有一定的参考价值。

3 虚拟仪器设计

3.1 完成基础性实验虚拟仪器设计

为了实现该部分系统功能,本文主要创建5个不同子V I分别完成基本门电路的逻辑功能测试实验、译码器实验、触发器实验、加法器实验和数据选择器实验这些基础实验。利用Subpanel控件控制这5个子VI动态载入主V I界面。另外,在存放主V I文件的当前目录下,建立一个名为panels的文件夹,将这5个子VI的对应控件文件都存放在此文件夹里。这样,通过程序控制才能将子VI 动态载入主界面[5]。

3.1.1 主VI设计

图1中的Subpanel容器控件命名为基础数字电子实验。容器左侧的5个布尔输入控件控制5个子VI动态载入容器Subpanel控件中。当主系统运行后,点击其中一个布尔控件就会将该子VI载入Subpanel

容器控件中。

图1 主V I前面板

在图2中,主控件是一个WH ILE循环控件及嵌入其中的一个事件结构控件。关于控制5个子V I动态载入Subpanel容器控件的所有控件大致分为以下3部分:其中Pane0~Pane4这5个控件是图1中基础数字电路实验容器左侧的5个布尔控件的对应程序控件,也是5个子VI 控件的文件名称;搜索子VI文件存放位置的控件;控制子VI动态载入到容器中的控件。通过上述所有控件共同作用可以将5个子VI

动态载入基础数字电子实验容器中。

图2 主VI程序框图

3.1.2 各子VI设计

1)5个子V I前面板的设计

图3中A、B布尔输入控件代表数字输入信号,亮色表示代表高电平信号,暗色代表低电平信号。与门、或门、异或门和同或门4个布尔显示控件代表门电路的输出信号,亮色表示高电平状态,暗色表示低电平状态(以下各图中控件的明暗颜色代表含义与之相同)。通过选项按钮选择不同的门电路,然后点击输入控件A、B实现不同的状态组合,最终控制对应的显示控件的状态。根据输入控件和显示控件的状态填写该种门电路的真值表,然后就能得出对应的逻辑表达式和相应的逻辑功能。通过点击实验说明、实验步骤按钮等文档说明按钮(以下各图中文档说明按钮功能与之相同)可以查询实验指导信息,帮助学生更好地完成实验任务。

图4中A0~A23个布尔输入控件代表译码器的地址输入信号,Y0~Y7布尔显示控件代表输出信号。通过点击A0~A23个布尔输入控件,可以使它们产生不同的组合状态,控制输出控件Y0~Y7产生不同的组合状态。操作者根据输入控件和显示控件的状态填写译码器的真值表,然后就能得出对应的逻辑表达式和相应的逻辑功能。