基于LabVIEW的數(shù)字虛擬芯片構(gòu)建方法及應(yīng)用

摘 要:基于LabVIEW的信號處理功能，構(gòu)建數(shù)字邏輯虛擬芯片，進而形成虛擬芯片庫，在系統(tǒng)中便認(rèn)進行各類邏輯圖的連接及數(shù)字電路原理圖設(shè)計，分析數(shù)字電路的邏輯功能及開展基于虛擬儀器的數(shù)字電路實驗和教學(xué)，還能拓展虛擬儀器新的應(yīng)用領(lǐng)域。討論了基于LabVIEW的數(shù)字電路虛擬芯片構(gòu)建方法及應(yīng)用方法。關(guān)鍵詞:虛擬芯片; 虛擬儀器; 數(shù)字邏輯; 仿真系統(tǒng)

中圖分類號:TN911-34; TP216+.3 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0181-03

Design Method and Application of Digital Logic Virtual Chip Based on LabVIEW

HUANG Jin-wen， WANG Shan-fa， WANG Xiao-min

(Physics Department， Baoshan College， Baoshan 678000， China)

Abstract: The virtual chips were structured and the database of the virtual chips was formed on the basis of the signal processing function of LabVIEW. With the virtual chips， digital logic circuit diagrams can be designed， even the function analysis of logic circuits or experiment for the logical circuit teaching can be done. It is a new application domain of LabVIEW. The design method of the virtual chipis researched based on LabVIEW.

Keywords: virtual chip; virtual instrument; digital logic; simulation system

0 引 言

虛擬儀器LabVIEW目前已廣泛應(yīng)用于測試領(lǐng)域，其出發(fā)點和歸宿是“軟件化的真實儀器”。LabVIEW同時又是一個優(yōu)秀的仿真系統(tǒng)，但真正處于仿真目的使用的并不多見，本文提出數(shù)字“虛擬芯片”概念，并基于LabVIEW實現(xiàn)仿真運用。

所謂“虛擬芯片”，是在充分利用LabVIEW圖形化語言風(fēng)格和強大信號處理功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計具有一定顯示界面的虛擬輸入/輸出端子、能完成相應(yīng)的數(shù)字邏輯運算功能或數(shù)字信號處理功能的計算機程序，也就是LabVIEW的VI。應(yīng)當(dāng)說這是新時期數(shù)字邏輯電路設(shè)計、實驗或教學(xué)的一種新舉措，基于LabVIEW的數(shù)字虛擬芯片和原理圖設(shè)計與其他仿真系統(tǒng)相比，不但有自身的特點，也是對虛擬儀器系統(tǒng)LabVIEW應(yīng)用新領(lǐng)域的拓展和補充[1-2]。

1 基于LabVIEW實現(xiàn)虛擬數(shù)字邏輯電路仿真的可行性及優(yōu)點

由前面板實現(xiàn)數(shù)字電路的各種控制和顯示，由程序流程圖實現(xiàn)數(shù)字電路的邏輯運算功能，是基于虛擬儀器LabVIEW進行數(shù)字邏輯電路仿真設(shè)計的基礎(chǔ)[3]。LabVIEW的前面板提供了大量數(shù)值、布爾控件。后面板提供了大量的函數(shù)模塊，使用這些函數(shù)可以很方便地調(diào)用或設(shè)計出各種門電路、編碼器、譯碼器、運算器、存儲器、觸發(fā)器、定時器、ADC/DAC等數(shù)字電路設(shè)計中常用的器件模塊。在數(shù)字電路中，高電平和低電平2種邏輯狀態(tài)可用前面板中的布爾控件提供;而電路設(shè)計中的各種模擬量可以用各種數(shù)值型控件及函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生和提供[4-5]。

基于LabVIEW實現(xiàn)虛擬數(shù)字邏輯電路的可行性及優(yōu)點，還表現(xiàn)在以下幾方面[6-7]:

(1) 可充分使用LabVIEW強大的輸入/輸出控件資源

(2)LabVIEW中的圖形化語言風(fēng)格適合數(shù)字電路的邏輯圖構(gòu)建:

布爾控件圖標(biāo)與數(shù)字邏輯門電路符號相近;圖形化的G語言風(fēng)格適合邏輯圖的連接。

(3)可開發(fā)通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)字虛擬芯片庫(模塊庫)

(4)LabVIEW虛擬儀器可實現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的交換

2 基于LabVIEW的數(shù)字虛擬芯片設(shè)計方法

下面從一個有異步復(fù)位、置位端子的虛擬觸發(fā)器單元設(shè)計開始，以LabVIEW中邏輯運算VI作為虛擬“門電路”單元，構(gòu)建通用數(shù)字邏輯芯片、計數(shù)器74160虛擬“芯片”，討論并實現(xiàn)該虛擬芯片的仿真應(yīng)用。

2.1 具備異步復(fù)位、置位端的虛擬觸發(fā)器設(shè)計

低電平有效的異步置位、復(fù)位功能的虛擬JK觸發(fā)器特性方程可表示為:

Qn+1=RD(JQn+KQn+SD)(1)

當(dāng)滿足約束條件RD+SD=1，即RD、SD不同時為有效電平(邏輯值0)時，這2個端子可作為異步置位端(SD)和異步復(fù)位端(RD)，即有:

RD=0且SD=1時，Qn+1=0，

RD=1且SD=0時，Qn+1=1，

RD=1且SD=1時，Qn+1=JQn+KQn

使用過程中應(yīng)當(dāng)注意滿足約束條件(當(dāng)RD+SD=0時，始終有Qn+1=0)。

根據(jù)式(1)構(gòu)建的低電平有效的異步置位、復(fù)位功能的JK觸發(fā)器LabVIEW后面板如圖1所示，其異步置位、復(fù)位端動作不受同步CP控制，直接實現(xiàn)操作(觸發(fā)器狀態(tài)直接被置位或復(fù)位)。為實現(xiàn)CP輸入下降沿有效的動作方式，程序中引入了條件結(jié)構(gòu)控制。當(dāng)無有效CP邊沿輸入時，輸入觸發(fā)器端子的數(shù)據(jù)是J=K=“1”，等價于J=K=0，觸發(fā)器處于保持狀態(tài);只有當(dāng)有效CP下降沿輸入時，觸發(fā)器才接收輸入控件J，K的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相應(yīng)的動作。圖1中左下角部分程序就是實現(xiàn)CP下降沿輸入有效的控制程序部份。

圖1 異步置位、復(fù)位功能的虛擬JK觸發(fā)器后面板

定義圖1中VI的各輸入、輸出端子，編輯好相應(yīng)的VI圖標(biāo)，將其保存為一獨立VI文件，最后得到對應(yīng)的VI圖標(biāo)及連線如圖2所示。這樣的VI圖標(biāo)即可看作一個虛擬觸發(fā)器。

圖2中2個圖標(biāo)為同一VI在LabVIEW中的2種不同顯示方式，且2個圖標(biāo)為同一VI分別以不同文件名保存的2個文件。(程序完全相同)

2.2 基于虛擬JK觸發(fā)器及LabVIEW虛擬“邏輯門”構(gòu)建74161芯片

虛擬儀器LabVIEW中的邏輯運算VI，可以完成各種基本邏輯運算，在仿真數(shù)字邏輯電路時可當(dāng)作虛擬的“門電路”直接使用[8-9]，部份圖標(biāo)如圖3所示。

圖2 異步置位、復(fù)位功能的虛擬JK觸發(fā)器圖標(biāo)及連線端子

圖3 LabVIEW中的邏輯運算VI

集成計數(shù)器74161的內(nèi)部邏輯圖如圖4所示[10]。

圖4 74161邏輯圖

它是4位二進制同步加法計數(shù)器，有異步清零、預(yù)置數(shù)端子和兩個使能控制端子，各端子的含義如下[10]:

(1) RD:異步清零端，低電平有效

(2) LD:預(yù)置數(shù)使能控制端，低電平有效

(3) 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端:A、B、C、D

(4) CP:時鐘輸入端，上升沿有效

(5) 狀態(tài)輸出端:QA~QD

(6) RCO:進位輸出

74161的邏輯功能[10]:

(1) 異步清零功能:當(dāng)RD=0時，不管其余輸入端狀態(tài)如何，計數(shù)器均被置零，且不受CP控制，故稱為“異步清零”。

(2) 同步并行預(yù)置數(shù)功能:當(dāng)RD=1且LD=0時，每一個有效CP都將A、B、C、D輸入端的數(shù)據(jù)傳送至QA~QD狀態(tài)端子接收。

(3) 狀態(tài)數(shù)據(jù)保持功能:當(dāng)RD=LD=1，且ET#8226;EP=0時，無論CP有無，計數(shù)器處于保持狀態(tài)(QA~QD保持不變)。保持狀態(tài)分2種情況:

EP=0，ET=1:進位輸出RCO保持不變;ET=0，無論EP為何值，進位輸出RCO=0。

(4) 計數(shù)功能:當(dāng)RD=LD=EP=ET=1時，電路處于正常的加法計數(shù)狀態(tài)。

根據(jù)74161邏輯圖，編制相應(yīng)的LabVIEW后面板，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，對應(yīng)很好。

圖5 虛擬芯片74161后面板

保留并定義所有輸入端和輸出端子，編輯圖標(biāo)，將程序保存為子VI，稱之為虛擬74161芯片，其VI圖標(biāo)及連線端口如圖6所示。

圖6 74161虛擬芯片圖標(biāo)及端口連線

下面討論虛擬芯片74161設(shè)計及應(yīng)用。

運用1片74161及LabVIEW系統(tǒng)中的邏輯運算VI(相當(dāng)于虛擬門)圖標(biāo)直接連接，構(gòu)建一個14進制計數(shù)器，實驗后面板(虛擬邏輯圖)如圖7所示。

圖7所示后面板中用一片74161虛擬芯片，基于74161置數(shù)歸零法來實現(xiàn)14進制計數(shù)功能(帶進位輸出)。計數(shù)容量為0000~1101，置數(shù)控制端輸入取LD=QDQCQBQA，進位RCO=QDQCQBQA。

相應(yīng)的實驗前面板如圖8所示。計數(shù)狀態(tài)設(shè)置為RD=EP=ET=“True”，相當(dāng)于邏輯1，可從CP控件手動輸入計數(shù)脈沖實現(xiàn)計數(shù)并實驗。圖中顯示為計數(shù)至1101時，進位輸出為1的狀態(tài)。當(dāng)下一個CP到來時，則全部清零重新計數(shù)。

仿真實驗的結(jié)果表明，虛擬74161具有實際電路芯片相同的邏輯功能。

圖7 單片74161虛擬芯片的直接連接仿真實驗后面板

圖8 單片74161虛擬芯片構(gòu)建14進制計數(shù)器仿真實驗前面板

3 時序虛擬芯片設(shè)計應(yīng)注意的關(guān)鍵問題

對于組合邏輯，只須按邏輯圖直接進行連線即可，但對于時序邏輯，應(yīng)當(dāng)注意下述問題:

(1) 需要將狀態(tài)數(shù)據(jù)緩存時，應(yīng)當(dāng)在數(shù)據(jù)傳遞過程中使用反饋節(jié)點或移位寄存器。

(2) 任一觸發(fā)器或時序芯片單元，在同一虛擬電路中不能重復(fù)使用(調(diào)用)文件名相同的同一子VI程序。

原因是當(dāng)調(diào)用某時序子VI時，其保存的狀態(tài)數(shù)據(jù)將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致用到同一VI的其他經(jīng)程序單元狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生不可預(yù)知的錯誤。即虛擬電路中使用的任一時序單元對應(yīng)的子VI都應(yīng)當(dāng)保證是惟一的獨立(子)程序，要多次使用就必須分別以不同文件名保存后再分別調(diào)用。

4 結(jié) 語

將虛擬儀器的強大功能應(yīng)用于數(shù)字邏輯電路的仿真，在虛擬儀器系統(tǒng)中構(gòu)建各種虛擬“芯片”，并以此作為虛擬“元件”，可進一步“搭建”各種虛擬“數(shù)字電路”。虛擬儀器應(yīng)用于數(shù)字電路的仿真技術(shù)，可以高效快捷地設(shè)計數(shù)字電路的原理圖、分析數(shù)字電路的邏輯功能及開展基于虛擬儀器的數(shù)字電路實驗、教學(xué)，同時還能拓展虛擬儀器新的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻

[1]黃進文，方興，王孝民.虛擬儀器LabVIEW在數(shù)字電路實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報，2008(8):615-617.

[2]黃進文.虛擬儀器新技術(shù)及其在我國的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008(31):8-10.

[3]張毅剛.虛擬儀器技術(shù)介紹[J].國外電子測量技術(shù)，2006，25(6):1-6.

[4]黃進文.基于虛擬儀器調(diào)幅新方法及其在電子電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(4):172-174.

[5]黃進文.虛擬儀器數(shù)字編碼譯碼實驗儀設(shè)計研究[J].保山師專學(xué)報，2008(5):9-11.

[6]黃進文.虛擬儀器數(shù)字電路仿真技術(shù)[M].昆明:云南大學(xué)出版社，2010.

[7]楊勇，郭玲，張鋼.運用虛擬儀器技術(shù)改革電子實驗教學(xué)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(16):60-61.

[8]李紀(jì)欣.虛擬儀器技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].電子材料與電子技術(shù)，2005(3):41-46.

[9]戴鵬飛，王勝開，王格芳.測試測試工程與LabVIEW的運用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[10]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].北京:高等教育出版社，2000.