基于虛擬儀器的數字電路仿真實驗平臺

孫興(安徽新華學院,安徽 合肥 230088)

實驗教學是高等院校提高理工科學生動手能力的重要組成部分，它在培養學生綜合素質，創新思維等方面起了非常重要的作用。因而創造一個優良的實驗環境對人才的培養是必不可少的。

但是，就目前大多數高校的傳統電子實驗室[1]來講，實驗設備層次不齊而且大多數的實驗設備落后于實驗的要求。滯后且稀少的實驗設備導致部分同學難以全部參與和投入 ，沒能充分了解和掌握實驗全過程。另外，實驗的內容側重于理論的驗證和模仿訓練，實驗內容十分單一，同學們基本按照實驗書和老師的指導按部就班的完成實驗，這將學生們的思維限制在一個狹窄的范圍內，缺乏對學生創新意識的培養和綜合能力的提高，從而很大程度上制約了實驗教學的發展和人才質量的提高。因而改革傳統實驗室迫在眉睫。

虛擬儀器是解決這個問題的方法之一。虛擬儀器[2]是以計算機為核心，把傳統儀器的專業化功能軟件化，使之與計算機融為一體。目前，最著名的虛擬儀器系統是NI的LabVIEW。運用LABVIEW技術，通過對實驗設備與元器件模塊化設計，在使用時只需點擊選擇該模塊，就可以方便的使用這些模塊進行實驗。這大大的節省了實驗器材的費用，而且虛擬器材更新速度快。這對培養學生的動手與創新能力有很大的幫助[3]。

一、平臺的設計與實現

本項目利用NI ELVIS平臺中的LabVIEW，其設計思想是基于計算機的強大功能 ，采用接口標準化的硬件、進行數據采集，而對數據的分析、處理、顯示則通過軟件編程實現，即采用“軟面板“，我們可根據需要自己定義儀器功能[4]，這樣既可以避開硬儀器問題，而突出、強化對學生分析及解決問題能力的訓練，使虛擬儀器更好的為教學服務[5]。該項目主要針對的是數字電子技術實驗， 結合虛擬儀器自身特點及數電實驗的特點，利用LabVIEW完成數電實驗，后期可繼續利用NI Multisim和NI ELVIS相結合完成模電實驗。

在數電實驗中，由于虛擬儀器LabVIEW中提供的布爾運算VI比較完備，再加上系統本身圖形化的語言風格，完全可以做到將“程序――邏輯圖――實驗過程――輸入輸出”等過程的結合，使過程簡單明晰，可以完成數字邏輯電路中幾乎所有的實驗及演示，如：半加器、全加器、比較器、計數器、與非門、D觸發器、JK觸發器、譯碼器等等，而且，具體的實驗或演示過程，還可運用LabVIEW中程序執行過程的“高亮度單步執行”模式，充分地觀察到信號的動態流程和邏輯電路的運算過程，甚至可以將某種邏輯運算過程單獨開發為專門的用戶VI，形成一獨特功能的新型概念的“虛擬芯片”，供需要時直接調用。

如果把虛擬儀器運用到實驗教學和科研中，不但可以節約大量儀器設備的經費投入，而且能夠提高實驗教學和科研的質量與效率。另外，由于軟件容易更新，隨時可以加入最新的算法和研究成果，使實驗系統的功能不斷發展和完善。

二、平臺的檢測與應用

為了檢測此實驗平臺的實用性和穩定性。將本平臺應用于中南民族大學數字電子技術的實驗，學生在短短兩周的時間內不僅完成了教學計劃規定的32個學時的所有實驗，學生還完成了所有的附加實驗，并且把許多課本上提到的芯片，但實驗不作要求的，也全部完成。

1.實驗實例

劃拳實驗

實驗要求：A 、B兩人劃拳，每人出兩只手，一只手可以代表零或五。兩人同時出拳，并且口中喊出一個數字（零、五、十、十五、二十），如果喊出的數字等于A、B兩人四只手的數值，那就誰贏。但是當兩人喊出的數字相等，結果都是打平。前面板如圖1所示。

圖1

2.虛擬儀器與傳統儀器比較

通過以上實驗的實例，學生反映到利用虛擬儀器完成實驗，不再是枯燥的接線，或者是簡單的指示燈來觀察結果，而是有了自己的設計思想，不僅可以有更多的精力用于創新型實驗的設計，還利用其圖形化的界面進行直觀的實驗操作，實驗過程充滿新鮮感，激發了學生的求知欲，學習興趣也大大的加強。將虛擬儀器與傳統儀器的比較[6]如表1所示。

表1

三、展望

為了改善實驗條件和改革實驗教學方法，更新實驗教學內容，提高實驗教學課程的水平，把虛擬儀器引入實驗教學必然成為一種趨勢。通過虛擬實驗室，可以隨時將電子技術實驗搬到課堂上進行演示，理論聯系實踐，實現實驗室走進課堂，儀器搬上講臺，現場操作儀器，動態顯示測試原理，強化了教學效果。在課下，還可以使每個學生立刻進入虛擬實驗室，實地反復操作儀器，教師也不必擔心儀器會被損壞。這樣可以大大提高學生們在實際操作中的動手能力，提高實驗教學的效果。電子技術虛擬實驗室能夠反復實現實驗內容，對實驗過程的細節放大，加深實驗者的感受，為實驗者提供大量的實驗機會。而且，學生通過計算機的廣博，對電子技術的各方面都能系統便捷地學習，這是普通的實驗根本無法比擬的。發展虛擬實驗室，能夠節約大量資金和物力，減少器件的損壞，并且能夠不斷更新，利用現有的豐富的計算機資源，進行學習、設計和仿真。因此，虛擬實驗室的建立有很重要的意義。

[1]伊妍萍，王健，李天石，LabVIEW在教學測試實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2002

[2]李曉華，馮玉田. 基于組件技術的虛擬儀器開發[J].上海.上海大學學報，1999

[3]北京普源精電科技有限公司，虛擬儀器在電子技術教學，實驗中的應用前景.北京，1999

[4]陳錫輝.LabVIEW8.2從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007

[5]中國電子行業信息網.虛擬儀器網絡測控平臺.2001

[6]楊利軍，王學梅，虛擬儀器技術在實驗教學中的應用[J].河北.河北科技大學學報，2006