基于LabVIEW计数器的设计

【正文】

1.绪论

电子计数器是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史，早期设计师们追求的目标主要是扩展测量范围再加上提高测量精度和稳定度等[1]，这些也是人们衡量电子计数器的技术水平，也是决定电子计数器价格高低的主要依据，随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求，对于低档产品要求使用操作方便，量程足够宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品，则要求高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率。电子计数器是指能完成频率测量、时间测量、计数等功能的所有电子测量仪器的通称。频率和时间是电子测量仪器技术领域中最基本的参量，因此电子计数器是一类重要的电子测量技术仪器，使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都大为改善。尤其是与微处理器的结合使它体现了智能化，使得这类仪器的原理与设计发生了重大的变化。

数字电子技术几乎参透到了社会生产和生活的各个领域[2]，计数器是数字电路中使用最多的一种时序逻辑电路，计数器具有计数和分频的功能，是数字电路和计算机中广泛应用的一种逻辑部件[3]，计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲序列以及进行数字运算等[4]。计数器的种类很多，从不同的角度出发，有不同的分类方法：按进位体制的不同，可分为二进制计数器，十进制计数器和任意进制计数器；按时钟脉冲输入方式的不同，可分为同步计数器和异步计数器；按计数过程中数字增减趋势的不同，可分为加计数器、减计数器和可逆计数器。计数器可利用触发器和门电路构成，但在实际工作中，根据需要，通常利用集成计数器来构成任意进制的计数器。目前中规模集成电路芯片常见的只有十进制计数器和十六进制计数器，在用集成计数器构成N进制计数器时，需要利用清零端或置数控制端，让电路跳过某些状态来获得N进制计数器。使用集成计数器构成任意进制计数器有着明显的优点，可使电路简化，减少连线，提高电路的可靠性[5,6]。

1.1课题的提出及研究意义

1.1.1课题的提出

对计数器的设计，大部分都是采用的EDA软件来实现的，也有采用单片机，VHDL 语言，PLC逻辑编程等来实现的，随着数字电路技术和计算机技术的飞速发展，EDA 技术取代了传统的电子设计方法而成为数字电路设计的主流。EDA利用软件的编程设计，达到对硬件系统的功能仿真、测试和设计，使产品的开发周期缩短，成本降低。而美国NI公司的LabVIEW，虽然不是专业的EDA开发软件，但凭借其在虚拟仪器技术上的突出优势和图形化编程的特性，同样可以运用于数字电路的设计，达到良好的仿真和设计效果[7,8]。

LabVIEW相比于专业的EDA软件有很多突出的优势：第一、不仅对于项目的仿真，且对于仪器的仿真，可直接用于实际的测量；第二、芯片、仪器功能可由用户自己定义，并且具有强大的可扩展性能；第三、生动而丰富的参数设置和结果表达能力，从广义上说，可以把LabVIEW看成是工控组态软件的一种。从而也具备一般组态软件的强大的图形处理和人机界面功能；第四、强大的网络通信功能，随着网络技术的迅速发展，在科学研究和工业生产各领域，网络化的要求越来越高。NI公司独有的DataSocket技术、EDA技术为快速开发网络测控和设计系统提供了可能。

基于LabVIEW的优势，并且在目前流行的各种数字电路教材中，均分别给出了加法

计数器和减法计数器，但没有给出既能完成加法计数又能完成减法计数的逻辑电路[9]，为此本文通过使用LabVIEW软件设计出了一种可进行加、减计数的可逆计数器，并且还可进行任意进制的扩展，任意进制的计数器在人们的日常生活和生产工作中得到了广泛的应用[10],比如电子表、秒表、分频器等等。基于以上介绍的种种优点，所以提出了基于LabVIEW计数器的设计这个课题。

1.1.2研究的意义

本课题是基于LabVIEW计数器的设计，采用了一种在数字电路设计中运用较少的软件来实现计数器的设计，突出LabVIEW在编程特性、图形界面、扩展功能、虚拟仪器技术等各方面作为数字电路设计软件的优势，并将编好的程序生成安装程序和可执行文件，能够脱离件软件安装运行，可在任意的计算上看到设计的结果，以前的仿真软件（比如MultiSim）必须在软件的支持下才可以运行，LabVIEW在这方面比以前常用的仿真软件有了一个突破。

1.2计数器研究现状

随着科学技术的发展，传统的测试设备和测试手段在许多方面已不能满足要求。计算机技术的发展，给传统仪器注入了新活力，20世纪90年代出现的虚拟仪器技术就是计算机技术和传统仪器技术的完美结合，所以出现了基于VXI总线的虚拟计数器[11]；以Altera公司的EMP7128可编程逻辑器件为基础设计出高集成度的四分频16位位置式光电码盘计数器[12]，其中运动控制卡由DSP运动控制模块、计数模块、4分频模块、键盘显示模块等组成；AMD公司生产的40引脚可编程定时计数器芯片，9513系列计数器[13]，最高可提供高达20MHz的时钟源，具有DIP-40和PLCC-44两种封装方式；单片机制作数显计数器[14]，单片机采用AT89C52，计数器可以在显示范围内任意设定计数值。

目前计数器的实现可以用很多种方法，运用EDA技术进行仿真设计，还可以用编程序的方法，用软件实现计数器的设计，如C语言，VHDL硬件语言，PLC逻辑编程，单片机编程等。计数器的应用也是非常广泛的，适用于科研、生产、教学实验室、国际军工、航空航天等领域。现在国内国外都在研究新的计数器，希望它频率更高，价格更低，性能更好。

1.3本文研究的目的和研究内容

1.3.1本文研究的目的

本文以数字电路作为设计的基础，学习计数器的设计方法，并将计数器的算法运用LabVIEW软件来实现，突出此软件在数字电路设计方面的优势，让设计出的计数器更加“可视化”，让设计的整个程序更加明确。

1.3.2本文的研究内容

本文主要是根据数字电路中的触发器的电路结构和工作原理，首先设计T触发器，作为整个设计的一个主要子程序，然后根据时序逻辑电路的分析方法，设计一个具有两种范围选择的加减计数器。本文利用LabVIEW软件实现计数器的设计，可以在LabVIEW软件中看到计数的过程，并且实现清零和进制转换功能，能够在加、减计数，范围选择间任意选择，能够观察到二进制位的时序图。

1.4本文主要介绍内容

本文根据数字电路中计数器的设计原理，结合LabVIEW中提供的布尔逻辑量和程序结构等，提出了利用LabVIEW进行计数器的设计，本文所介绍的主要内容有以下五章：

第一章主要介绍LabVIEW软件的优势，并对课题的提出、研究意义、研究目的、研究内容及计数器的研究现状作简述。