基于LaVIEW的數字仿真實驗平臺

【摘要】在計算機的應用上，可以利用虛擬的儀器軟件開發平臺，利用對前面板和后面板的編寫完成電子課程以及實驗室教學中涉及到的數字電路的制作，以此來達到模擬仿真數字電路的編輯功能的目的，這項技術在實驗教學中具有重大的意義。

【關鍵詞】數字仿真；虛擬儀器；設計

隨著目前的計算機的低成本高性能優勢，計算機資源開始被廣泛的應用到各個的方面，傳統的電子儀器已經開始被數字化儀器取代。在我國的教學、科研中，急需一些用于測量分析的儀器設備，尤其是在電子類的實驗教學中，每一種的儀器都需要有很多的配置，但是電子類儀器價格都很高，所以儀器的購置方面需要有很多經費，但是普通的學校都沒有辦法承擔，所以會造成儀器設備的缺乏和陳舊的問題，這些問題都影響到了教學的成果。虛擬儀器如果能夠運用到教學和科研中的話，就可以節省很多的儀器設備的資金投入，并且還能夠提高教學和科研的質量以及效果。

一、虛擬儀器及Labview 8.2

在20世紀80年代中期的美國的National Instrument公司虛擬儀器的概念首次被提出。虛擬儀器就是通過計算機作為儀器的硬件平臺，利用計算機的運算、儲存、回放、調用、顯示以及文件管理這些智能化的功能，將虛擬儀器的功能專業化、并且將面板控制變得更加智能化，將其與計算機完全的結合在一起，成為無論是在外觀還是在功能上面都與傳統的硬件儀器相同，與此同時還分享了計算機的智能資源的新型儀器系統。虛擬儀器與傳統的相比較，它有很多的優點，它對測試量的計算處理的速度更快很好，測量結果的表達方式豐富多彩，便于理解，對數據的儲存交換方面更加的方便，價格相對比較低，技術更新迅速，最大的一個優點就是用戶可以自己來定義儀器的功能，可以滿足每個用戶自身的要求。虛擬儀器在測量功能以及面板控制上都實現了軟件化，每一個用戶都可以通過更改虛擬儀器軟件的功能來滿足自己的需求。虛擬儀器的設計基礎是計算機技術，核心是計算機軟件技術。

二、LabVIEW的編程簡介[2-3]

LabVIEW是美國NI公司推出的最有代表性的圖形化編程軟件，它是世界上第一個使用圖形化編程技術的面向儀器的32位編譯型程序來開發系統程序，簡化程序的開發工作，提高編程效率，能夠讓科學家和工程技術人員充分的利用計算機的功能和資源，能夠簡單快速地完成工作任務就是他研發的主要目標，它被稱為科學家與工程師的語言。

在LabVIEW環境下開發的應用程序被稱為VI。VI是LabVIEW技術的核心，它是由一個人機交互的界面——前面板，以及相當于源代碼功能的框圖程序——后面板組成。

1.前面板

前面板是程序的界面，在這一界面上有控制量和顯示量兩類對象。控制量模擬儀器在前面板里的作用是，把數據提供給VI的框圖程序，例如開關、旋鈕。而顯示量的作用則是將模擬儀器的輸出裝置顯示由框圖程序得到或產生的數據，例如用于顯示波形的窗口等。每一段框圖程序都是由一個程序前面板相對應的。 LabVIEW圖形編程語言是框圖程序編寫所使用的語言，我們可以理解它為傳統程序中使用的源代碼。框圖程序由端口、節點、圖框和連線這4部分組成。其中端口是被用來與程序前面板的控制和顯示傳遞相關的數據，節點則是被用來實現函數和功能之間的調用，圖框是被用來實現能夠很好地控制結構化程序命令，而連程序執行過程中的數據流，框圖內的數據流動方向定義則是由連線控制。

2.后面板

后面板又被稱為代碼窗口或流程圖，它是VI圖形化的主要源能，其中一般并不包含業務的邏輯方法，Web層則和Enterprise Beans交互，自身比如JSP和Servlets中會包含一些業務邏輯。

3.業務層

為了能夠很好的的解決滿足某個特定業務領域的業務要求，我們需要的邏輯業務代碼是由業務層的Enterprise Beans來執行。Enterprise Beans不僅僅只有一個作用，它可以在儲存的數據中進行檢索工作，并將數據傳送回用戶的程序，還可以從用戶的程序中接受數據，如果用戶有需要還可以對收到的數據進行處理，再將數據發送給企業的信息系統層儲存。Enterprise Beans在業務層的運行中主要的依靠是容器幫助諸多的事務、生命期、多線程、資源存儲池以及狀態管理等提供需要的復雜的系統級別的代碼。業務層通常被稱為Enterprise JavaBeans（EJB）層，業務層和Web多層J2EE應用的中間層，其中另外的兩個層分別是客戶層以及企業信息系統層。

4.企業信息系統層

企業信息系統層是負責運行企業中的信息系統軟件，這層主要包括企業基礎設施系統，例如企業資源計劃 （ERP）、數據庫系統及其他遺留信息系統 （Legacy Information Systems）以及大型機事務處理 （Mainframe Transaction Processing）。J2EE應用組件有可能會因為某些原因 （例如訪問數據庫）需要訪問企業信息系統。本文中所討論的企業信息系統層只涉及到了數據庫系統。

三、數字電路仿真實驗平臺實現

在學校的電子技術課程中，電類專業的基礎核心課程為數字電路，其實驗教學在教學中是一個很重要的環節，實驗包括半加器、全加器、數據選擇器等內容的設計。

1.半加器的設計

半加器電路的意思就是將輸入的兩個數據進行加法，并輸出一個結果，并不考慮低位數據的進位問題，只產生進位輸出的加法器電路。計算的法則為：A、B為輸入信號，輸出信號：本位和S，向高位的進位C。邏輯表達式為：BAS⊕=，C=AB。

2.全加器的設計

在計算相加的過程，除去了最低位外，其它各位既要考慮本位的被加數Ai和Bi，并且還要充分的考慮低位向本位的進位Ci-1，也就是說低位的Ci-1也是一個獨立的變量參與運算的角色。所以，我們所謂的全加就是將求取的三個變量（本位Ai、加數Bi輸入以及低位向本位進位Ci-1）以及S及本位向高位的進位Ci。 由于全加器是基于的半加器做成的，其中部分電路是半加器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將半加器打包成一個子程序，作為VI模塊調用。

3.平臺的構建

最后以相同的步驟完成減法器、數據選擇器、計數器、觸發器、譯碼顯示等模塊的設計，再將實驗仿真模塊整合到一個平臺中，使用時只需點擊選擇模塊按鈕，就能調用其實驗模塊。這樣在實驗教學中就可以非常方便地使用和查看各個模塊的功能。這就構成了一個數字電路仿真實驗平臺。

四、結論

在電子技術課程中數電實驗是一項很重要的教學活動。虛擬儀器開發的各種功能的虛擬實驗平臺，有著簡單易行，交互性好，可操作性和真實感與傳統的硬件儀器相同的優點，由他們組成的數字虛擬仿真實驗平臺可以讓學生們通過虛擬儀器進行操作，并且為虛擬儀器的制造和發展奠定基礎，還可以降低老師的工作量，減少由于設備更新造成的損失，又可以提高課程的教學質量與效果。

參考文獻

[1]Jeffrey Travis，Jim Kring著.喬瑞萍等譯.LabVIEW大學實用教程（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2]江建軍，劉繼光.LabVIEW程序設計教程[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3]李楊，鄭瑩娜，朱錚濤.圖形化編程語言LabVIEW環境及其開放性[J].計算機工程，1999（25）4：63-65.

[4]呂秋霞.基于LabVIEW的過程控制仿真系統的設計[J].儀表技術，2008，10.