基于LabVIEW的虚拟数字电子技术实验系统的研究及其实现8405.docx

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1、重庆理工工大学结结课论文文基于LaabVIIEW的的虚拟数数字电子子技术实验系统统的研究究与实现现学院：_电子信信息与自自动化学学院_专业：_信号号与信息息处理_课程名称称:_窗口软软件开发发环境及及技术_任课老师师:_全晓晓莉_姓 名:_李成成勇_学 号:_550100081002166_完成时间间:_20011年年4_月300日_基于LaabVIIEW的的虚拟数字字电子技技术实验系统统的研究究与实现现摘要:本本文较为为系统地地介绍了了虚拟仪仪器技术术，主要要内容包包括：虚虚拟仪器器的基本本概念、组组成及分分类，对对虚拟仪仪器技术术未来的的发展趋趋势进行行了展望望。实验验是教学学中的一一个重

2、要要环节，为为了提高高实验教教学的开开放性和和灵活性性，适应应现代实实验教学学的需要要，通过过对实验验教学现现状的分分析，提提出了将将虚拟仪仪器技术术应用于于实验教教学的思思路，并并通过实实验教学学改革实实践探讨讨了将虚虚拟仪器器技术应应用于实实验教学学的优势势，分析析了实验教教学改革革的效果果。通过过分析发发现将虚虚拟仪器器技术应应用于实实验教学学，不仅仅拓展了了实验范范围和空空间，而而且能够够发挥学学生的主主动性和和创造性性，是实实验教学学的一个个重要发发展方向向关键词: 虚拟拟仪器技技术，试试验教学学，应用用，虚拟拟仪器实实验室Desiign andd immpleemenntattio

3、nn off diigittal cirrcuiitexpeerimmenttcouursees ssysttem bassed on thee viirtuualiinsttrummentt teechnnoloogyAbsttracct:EExpeerimmentt iss ann immporrtannt paart of teaachiing, inn orrderr too immproove thee exxperrimeentaal tteacchinng oof oopennnesss aand fleexibbiliity to adaapt to thee neeedss

4、off mooderrn eexpeerimmenttal teaachiing, Thhrouugh thee annalyysiss off exxperrimeentaal tteacchinng ssituuatiion, puut fforwwardd a virrtuaal iinsttrummentt teechnnoloogy in expperiimenntall teeachhingg iddeass, TThrooughh thhe ppraccticce oof tteacchinng rrefoorm expperiimennt eexplloreed tthe vi

5、rrtuaal iinsttrummentt teechnnoloogy in thee teeachhingg off thhe aadvaantaagess off exxperrimeentss annalyyzedd thhe eeffeect of expperiimenntall teeachhingg reeforrm. Thee annalyysiss reeveaaledd thhe vvirttuall insttrummentt teechnnoloogy in thee teeachhingg exxperrimeent, noot oonlyy too exxpann

6、d tthe expperiimenntall sccopee annd sspacce, butt allso to hellp sstuddentts ddeveelopp innitiiatiive andd crreattiviity, exxperrimeentaal tteacchinng iis aan iimpoortaant dirrecttionn off deevellopmmentt.key worrds：Virrtuaal IInsttrummentt Teechnnoloogy，EExpeerimmenttal teaachiing，aappllicaatioon，

7、VVirttuall Innstrrumeentss Laab引言随着科学学技术的的进步，社社会对高高校学生生提出了了越来越越高的要要求，不不仅仅要要求学生生有基本本的理论论知识，而而且还要有比较强的的实际动手能力力。可是是随着近近几年来来高校招招生规模模的不断断扩大，在在校学生生的人数数也成倍倍增加。学学生学习习理论知知识并没没有受到到很大的的影响，但但实际实实验操作作却不能同同时满足足，尤其其是理工工科学生生，没有有实验操操作，抽抽象的理理论知识识很难理理解。要要是实验验设备同同学生数数相应增增加，这这就需要要增大购购买实验验设备经经费，但但大多数数学校并并不能投投入相应应的资金金。虚拟拟

8、仪器技技术为解解决这一一矛盾提提供了可可能，随随着计算算机技术术、大规规模集成成电路技技术和通通信技术术的飞速速发展，仪仪器技术术领域发发生了巨巨大的变变化，计计算机技技术与仪仪器技术术相结合合，形成成了一种种新概念念仪器虚拟仪仪器。它它把计算算机强大大的计算算处理能能力和仪仪器硬件件的测量量、控制能能力集合合在一起起，大大大缩小了了仪器硬硬件的成成本和体体积，并并且突破破了传统统仪器在在数据处处理、显示、传传送等方方面的限限制，使使使用者者可以方方便得对对其进行行维护、扩展、升升级等，这这些特点点是传统统仪器所所不能比比拟的。数字电子子技术已已经广泛泛地应用用于电视、雷雷达、通通信、电电子计

9、算算机、自自动控制制、航天天等各个个领域。例例如，在在通信系系统中，应应用数字字电子技技术的数数字通信信系统，不不仅比模模拟通信信系统抗抗干扰能能力强、保保密性好好，而且且还能应应用电子子计算机机进行信信息处理理和控制制。数字字电子技技术作为为电子信信息类各各专业的的主要技技术基础础课程之之一，其其重要性性不言而而喻。但但其又有有许多实实践电路路，仅仅仅学理论论知识，没没有相应应的实验验做辅导导，对其其抽象的的知识也也不能完完全理解解，用LLabVVIEWW 构建建的数字字电子虚虚拟实验验平台可可以满足足这一要要求。一虚拟仪仪器技术术介绍1.1虚虚拟仪器器的基本本概念虚拟仪器器(Viirtuu

10、alIInsttrummentts，简简称VII)的概概念，是是美国国国家仪器器公司于于19886年提提出的。虚虚拟仪器器技术最最核心的的思想，就就是利用用计算机机的硬软件资资源，使使本来需需要硬件件实现的的技术软软件化，以以便最大大限度地地降低系系统成本本，增强强系统的的功能与与灵活性性，真正正体现了了“软件就就是仪器器(Thhe ssofttwarreiss Thhe iinsttrummentt)”的口号号。虚拟拟仪器是是以通用用计算机机为核心心的硬件件平台，用用户可根根据自己己的需要要通过编编制不同同的测试试软件来来构成各各种功能能的测试试系统，其其中许多多硬件功功能可直直接由软软件实

11、现现，系统统具有极极强的通通用性和和多功能能性。虚虚拟仪器器应用软软件集成成了仪器器的所有有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。所以软件是整个系统的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。它突破了传统仪器在数据处理、显示存储等方面的限制，实现了部分仪器硬件的软件化，增加了系统的灵活性。应用虚拟仪器技术不仅能够降低系统的开发与维护费用，而且能够节省综合系统的组建时间。同时，友好的人机交互界面技术使人感觉像操控真实的仪器一样，具有身临其境的感受，另外，其方便的网络功能，能够实现资源共享。1.2 LabbVIEE

12、W的基基本概念念LabVVIEWW是一种种程序开开发环境境，由美美国国家家仪器（NNI）公公司研制制开发的的，类似似于C和和BASSIC开开发环境境，但是是LabbVIEEW与其其他计算算机语言言的显著著区别是是：其他他计算机机语言都都是采用用基于文文本的语语言产生生代码，而而LabbVIEEW使用用的是图图形化编编辑语言言G编写写程序，产产生的程程序是框框图的形形式。与与 C 和 BBASIIC 一一样，LLabVVIEWW 也是是通用的的编程系系统，有有一个完完成任何何编程任任务的庞庞大函数数库。LLabVVIEWW的函数数库包括括数据采采集、GGPIBB、串口口控制、数数据分析析、数据据

13、 显示示及数据据存储，等等等。LLabVVIEWW 也有有传统的的程序调调试工具具，如设设置断点、以动动画方式式显示数数据及其其子程序序（子VVI）的的结果、单单步执行行等等，便便于程序序的调试试。 LabVVIEWW是一种种用图标标代替文文本行创创建应用用程序的的图形化化编程语语言。传传统文本本编程语语言根据据语句和和指令的的先后顺顺序决定定程序执执行顺序序，而LLabVVIEWW 则采采用数据据流编程程方式，程程序框图图中节点点之间的的数据流流向决定定了VII及函数数的执行行顺序。VVI指虚虚拟仪器器，是 LabbVIEEW 的的程序模模块。 LabbVIEEW 提提供很多多外观与与传统仪

14、仪器（如如示波器器、万用用表）类类似的控控件，可可用来方方便地创创建用户户界面。用用户界面面在 LLabVVIEWW中被称称为前面面板。使使用图标标和连线线，可以以通过编编程对前前面板上上的对象象进行控控制。这这就是图图形化源源代码，又又称G代代码。LLabVVIEWW 的图图形化源源代码在在某种程程度上类类似于流流程图，因此又被称作程序框图代码。其主要特点有以下几点：（1）尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是；（2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；（3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。二实验验教学的的现状近年来，随随着教学学改革的的不

15、断深深入发展展以及计计算机技技术的发发展及深深入应用用，教学学条件有有了很大大的改善善，但是是由于一一些主客客观原因因，实验验教学仍仍然存在在着许多多不尽人人意的地地方，主主要表现现在以下下几个方方面：1实验验教学地地位重视视不足现在高校校普遍存存在的问问题是重重课堂教教学而忽忽视实验验教学，学学生大多多数时间间都在进进行理论论学习。实实验是理理论的验验证和进进一步深深化，特特别是工工科学生生，如果果没有足足够的实实验就像像是纸上上谈兵，学学生对所所学知识识没有一一个感性性认识，从从而不会会有创造造的灵感感和基础础。2实验验设施不不能满足足实验需需求在实验设设施方面面的不足足主要表表现在：一方

16、面面，现在在实验室室大多采采用是一一些传统统的实验验仪器与与设备，这这些仪器器与设备备功能单单一、技技术落后后、通用用性很差差，不能能适应学学科的发发展。另另一方面面，不断断扩大的的学生数数量与现现有的实实验设备备数量之之间的矛矛盾已经经非常明明显，许许多普通通院校都没有足足够的经经费购置置大量的的实验设设备，如如何在不不降低教教学质量量的前提提下使学学校以最最少的经经费投资资达到最最优的教教学效果果，保证证每个学学生都有有机会很很好地完完成实验验教学成成了许多多高校面面临的重重要问题题。3实验验环节设设计的功功能单一一、适应应面窄，不不利于发发挥学生生的创造造性有许多实实验设计计不很合合理，

17、验验证性实实验太多多，学生生只能按按照实验验指导书书上的步步骤和内内容去做做，不利利于发挥挥学生的的主观能能动性和和创造性性。如何何把学生生推到实实验主体体的位置置上，充充分挖掘掘和发挥挥学生的的主动性性和创造造性，引引导他们们向自己己的未知知领域迈迈进，是是至关重重要的。另外，有些实验验太专，只只能针对对某一课课程而不不能兼顾顾其他课课程达到到综合训训练的效效果。4实验验资源不不能有效效利用，开开放程度度较差，管管理维护护不便传统的实实验设备备具有固固定的硬硬件构成成，只能能进行特特定的实实验项目目和实验验操作，当当需要增增加新的的功能时时就需要要更新硬硬件或者者购买新新的实验验设备，投投资

18、较大大，而且且系统不不便维护护。因此，如如何改革革实验教教学，使使学生能能够利用用最先进进的技术术去积极极主动地地学习，培培养学生生的创造造性思维维，提高高实验教教学质量量是每个个高校都都面临的的问题，探探讨新的的实验教教学方法法和手段段是目前前教育形形式的必必然要求求，是“全面推推进素质质教育，以以培养学学生的创创新精神神和实践践能力为为重点”的的教学指指导思想想得以落落实的必必然途径径。三、用LLabVVIEWW 搭建建数字电电路课程程教学实实验系统统3.1数数字电路路教学实实验分类类数字电路路中的物物理量的的变化在在时间和和数量上上都是离离散的。也也就是说说，它们们的变化化在时间间上是不

19、不连续的的，总是是发生在在一系列列离散的的瞬间，这这一类物物理量也也叫数字字量。用用数字量量表示的的信号就就是数字字信号，在在数字电电路课程程所有的的实验中中都使用用数字信信号来实实现其功功能，这这些信号号通常是是0、11表示的的二进制制序列。而而LabbVIEEW中的的布尔量量真好符符合这些些特点，我我们只需需把二进进制序列列用布尔尔量的真真假来表表示即可可，这为为我们设设计实验验系统提提供了方方便。我我们可以以将数字字电子技技术课程程的实验验大致分分为两类类：一类类是基本本逻辑电电路实验验，也是是我们常常用的数数字电路路实验，其其中包括括组合逻逻辑电路路如编码码器、译译码器、选选择器等等，

20、时序序电路实实验如触触发器、寄寄存器、计计数器等等，这些些是掌握握数字电电子技术术的基础础。另一一类是综综合设计计实验如如数字频频率计、数数字时钟钟、波形形发生器器等，笔笔者在设设计的过过程中主主要选择择了六种种比较常常用的综综合电路路，以数数字时钟钟电路为为例进行行分析。这这些实验验由基本本实验电电路组合合而成，原原理相同同，设计计方法不不尽相同同。其它它的综合合实验都都可以用用LabbVIEEW实现现，主要要是掌握握基本原原理和方方法，同同样可以以设计，本本系统主主要用于于初学数数字电子子技术者者掌握基基本逻辑辑电路。我们对所所有实验验进行分分类后，就就可以用用LabbVIEEW设计计整个

21、实实验总面面板，整整个面板板的功能能要求实实现这些些数字电电子技术术课程实实验，根根据LaabVIIEW的的特点，分分前后两两个面板板，前面面板相当当于实物物仪器中中的外部部控制面面板，后后面板是是实现前前面板功功能的程程序图，相相当于实实物仪器器中的内内部电路路。如图图3.11.1是是笔者搭搭建的总总面板，33.1.2是后后面板的的程序图图。3.1.1 数字电电路实验验系统总总面板 3.1.22 后面板板的程序序图 3.2 各个实实验模块块分析本系统由由基础实实验模块块和综合合实验模模块组成成，接下下来就两两个模块块分别分分析一下下。、基础础实验模模块我们们以译码码器实验验为例进进行模块块功

22、能分分析，33-8译译码器电电路是最最常用的的一种小小规模集集成电路路，它有有3个二二进制输输入端AA、B、CC和8个个译码输输出端yy0y7。对对输入AA、B、CC的值进进行译码码，就可可以确定定输出端端y0y7的的哪一个个输出端端变为有有效（低低电平），从从而达到到译码的的目的。笔笔者用LLabVVIEWW设计的的译码器器前面板板如图33.2.1，程程序面板板如图33.2.2。3.2.1 译译码器电电路前面面板3.2.2 译码码器电路路程序面面板 本系统统中G是是选通端端（低电电平），通过操作本实验过程，可以让学生清楚的看到译码器电路的功能，的目的写出真值表，达到学习的目的，是抽象问题可以

23、简单化。、我们们以数字字时钟实实验为例例进行模模块功能能分析，笔笔者根据据LabbVIEEW 中中布尔量量真假变变换，用用布尔量量组成具具有七段段数码管管显示功功能的LLED。一般的数字时钟具有时、分、秒计数显示功能，小时为24进制，分钟和秒为60进制显示，设置复位功能，本系统的复位时间是【12：00：00】。设计原理与EDA设计数字时钟原理一样，都是数字信号0,1控制完成秒分时的计数任务，到相应的进制进位即可，EDA是用VHDL语言编写，分时分秒各个模块，比较复杂，而LabVIEW用图标搭建，模块单一，功能一样，更有利于学生掌握数字时钟的基础设计思路。如图5是数字时钟显示面板，图6是数字时钟

24、程序面板。3.2.3 数字时时钟显示示面板3.2.4 数数字时钟钟程序面面板整个程序序面板只只用到LLabVVIEWW中foor循环环结构和和casse选择择结构，只只要搞清清楚数字字时钟的的原理，设设计比较较简单，实实现的功功能与其其它语言言设计的的功能一一样，而而且是界界面化的的，使用用者可以以很清楚楚的看到到结果。四 结论论(1)本本文是基基于LaabVIIEW技技术开发发的数字字电路实实验系统统的设计计，整个个系统可可以实现现数字电电路课程程的基础础实验和和一些综综合设计计实验，设设计过程程较其它它一些语语言设计计过程简简单、方方便,而而且具有有性能相相对稳定定、实验验中误差差较小、使

25、使用方便便灵活以以及节约约成本等等特点，在在实验教教学中可可以得到到广泛的的应用。与传统的仪器相比，无论是从仪器的成本、智能化处理能力、开发难度与升级周期，还是移植性、仪器功能的定义上，虚拟仪器都具有着无可比拟的技术优势。虚拟仪器的仿真特性还将使其在虚拟现实的实验教学领域开发中，扮演重要角色。同时，虚拟仪器具有强大的网络通信功能，这使得它在当前的远程教学领域中也成为了一个不可或缺的部分。(2)在在实验过过程中操操作简单单，只需需点击相相应的功功能菜单单即可，使使用者通通过操作作得出相相应菜单单功能，可可以进一一步创新新。旨在在面向普普通中小小型的实实验室进进行仪器器设备的的虚拟化化升级，以以低

26、价高高效地教教育成本本，换取取完全适适合教育育环境的的教学仪仪器设备备。(3)在在今后一一段时间间里，虚虚拟仪器器技术将将会得到到更加迅迅速的发发展。在在当前仪仪器发展展的形势势下，以以软件为为关键部部分的数数字化的的虚拟仪仪器，被被视为未未来实验验室中最最具优越越性的实实验工具具，它以以其自身身独特的的优越特特性，将将为各个个学科及及工业领领域，包包括教育育领域，提提供各种种各样高高性能、低低价格、具具有互动动性与智智能化的的全新数数字化仪仪器。参考文献献1 王海云云, 周周淑萍. JJ., 2 刘灿涛涛,赵伟伟,侯国国屏. J., 3 刘阳. JJ., 4 卢超,任吉林林,邬冠冠华. J., .5 韩兆福福, 葛葛银茂, 陈遵遵银, 王锡仁仁. J., 6 王海云云, 周周淑萍. JJ.,