【正文】 言 LabVIEW，開創(chuàng)了虛擬儀器的新紀(jì)元。提起 “虛擬 ”人們也許會(huì)聯(lián)想到仿真，但虛擬與仿真其實(shí)質(zhì)上有著很大的區(qū)別。虛擬儀器技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，軟件為核心并配以相應(yīng)的硬的高度智能化的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與控制、數(shù)據(jù)的測(cè)試與分析處理、結(jié)果輸出、顯示等眾多功能的高新儀器技術(shù) [1]。但其又有許多實(shí)踐電路，僅僅學(xué)理論知識(shí)，沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)做輔導(dǎo)，對(duì)其 抽象的知識(shí)也不能完全理解，用 LabVIEW 構(gòu)建的數(shù)字電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿足這一要求。數(shù)字電路采用二進(jìn)制， 0兩種數(shù)碼正好對(duì)應(yīng)于兩種邏輯狀態(tài)：真和假，因此可方便的進(jìn)行邏輯運(yùn)算和邏輯處理。 數(shù)字電路的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管分立器件電路，直到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的集成電路，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，數(shù)字電路的應(yīng)用幾乎延伸到了所有的領(lǐng)域。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。 1947年：貝爾實(shí)驗(yàn)室肖特萊等人發(fā)明了晶體管，這是微電子技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)里程碑；1950年：結(jié)型晶體管誕生；還發(fā)明了離子注入工藝； 1951年：場(chǎng)效應(yīng)晶體管發(fā)明； 1956年：發(fā)明了擴(kuò)散工藝； 1958年：仙童公司 Robert Noyce與德儀公司基爾比間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路，開創(chuàng)了世界微電子學(xué)的歷史； 1960年：發(fā)明了光刻工藝； 1962年美國(guó) RCA公司研制出 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管； 1966年：美國(guó) RCA公司研制出 CMOS集成電路，并研制出第一塊門陣列； 1988年 16M DRAM問世， 1平方厘米大小的硅片上集成有 3500萬個(gè)晶體管，標(biāo)志著進(jìn)入超大規(guī)模集成電路階段； 1989年： 1Mb DRAM進(jìn)入市場(chǎng)； 2020年： 1Gb RAM投放市場(chǎng)。本系統(tǒng)主要用于初學(xué)數(shù)字電路者掌握基本邏輯電路。 XX 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）專用稿紙 3 2 虛擬儀器技術(shù)介紹 虛擬儀器的基本概念 虛擬儀器 (VirtualInstruments，簡(jiǎn)稱 VI)的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司于 1986年提出的。虛擬儀器就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，使用者操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像是在使用一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的電子儀器。同時(shí)，儀器的功能和面板可以由用戶根據(jù)需要自行定義或擴(kuò)展，而不是由廠家事先定義且固定不變。而且因?yàn)橛芯W(wǎng)絡(luò)的存在，可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)儀器共享或遠(yuǎn)程控制。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。它突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示存儲(chǔ)等方面的限制，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，增加了系統(tǒng)的靈活性。同 時(shí)，友好的人機(jī)交互界面技術(shù)使人感覺像操控真實(shí)的儀器一樣，具有身臨其境的感受，另外，其方便的網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享 [2]。與 C和 BASIC一樣， LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐 大函數(shù)庫(kù)。 LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子 VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了 VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。 LabVIEW提 供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。 LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。 在 LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序稱之為 VI。前面板是程序的界面，在這一界面上有控制量(Controls)和顯示量 (Indicators)兩類對(duì)象。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。 程序框圖又稱代碼窗口或流程圖，是 VI圖形化的源程序，在流程圖中對(duì) VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出等功能。 LabVIEW具有典型的圖形化語言風(fēng)格，其程序的編制過程就是將不同的圖標(biāo)（ VI）進(jìn)行選擇、組合并連線的過程。在 LabVIEW的函數(shù)選板中，既包含了大量專用的信號(hào)處理、信號(hào)運(yùn)算等 VI圖標(biāo)，也包含了各種數(shù)值運(yùn)算、邏輯運(yùn)算的基本 VI圖標(biāo)。 圖 布爾邏輯運(yùn)算 VI選 板 XX 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）專用稿紙 5 就信號(hào)的輸入 /輸出來說， LabVIEW亦提供了豐富的輸入控件和輸出控件，如各種形式的開關(guān)、按鈕、指示燈、波形顯示器等等，這些器件可直接用簡(jiǎn)單的拖動(dòng)方式拖放到相應(yīng)位置即可使用。 圖 前面板中的控件 XX 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）專用稿紙 6 3 數(shù)字電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)字電路課程分析 數(shù)字電子是電子信息類技術(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)，主要包括門級(jí)電路、組合電路、時(shí)序電路等內(nèi)容，這是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)，需要結(jié)合數(shù)字邏輯電路的仿真和設(shè)計(jì)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。在 LabVIEW 中編寫數(shù)字電子電路的仿真程序，主要靠布爾類型的數(shù)據(jù)和相關(guān)操作函數(shù)實(shí)現(xiàn) [4]。也就是說，它們的變化在時(shí)間上是不連續(xù)的，總是發(fā)生在一系列離散的瞬間，這一類物理量也叫數(shù)字量。而 LabVIEW中的布爾量正好符合這些特點(diǎn)，只需把二進(jìn)制序列用布爾量的真假來表示即可，這為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了方便。另一類是綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如數(shù)字頻率計(jì)、數(shù)字時(shí)鐘、波形發(fā)生器等，本文在設(shè)計(jì)的過程中主要選擇了八種比較常用的綜合電路。 搶答器的設(shè)計(jì) 此 VI功能為四人搶答器，主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容為：四個(gè)參賽者每個(gè)人有一個(gè)搶答按鈕編號(hào)為1號(hào)、 2號(hào)、 3號(hào)、 4號(hào)，對(duì)應(yīng)的指示燈為 1號(hào)燈、 2號(hào)燈、 3號(hào)燈、 4號(hào)燈；主持人有一個(gè)控制按鈕，用于將所有的燈熄滅與將大屏幕清零，并控制搶答的開始；當(dāng)參賽者按下?lián)尨鸢粹o時(shí)，蜂鳴器響鈴，對(duì)應(yīng)的指示燈亮，同時(shí)大屏幕上顯示最優(yōu)先搶答者的編號(hào)；具有互鎖功能，有人優(yōu)先搶答后系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉，其他人無法繼續(xù)搶答，必需等主持人清零后，重新喊開始才能重新?lián)尨稹? XX 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）專用稿紙 7 圖 搶答器前面板 圖 搶答器程序框圖 該程序采用 事件結(jié)構(gòu)（ Event Structure）、 While循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)（ Case Structure），一共有 6個(gè)事件結(jié)構(gòu)，分別為 4個(gè)選手按鈕，一個(gè)停止按鈕和一個(gè)復(fù)位按鈕，每一個(gè)事件通過相應(yīng)的按鍵來觸發(fā)，其中的選擇結(jié)構(gòu)用來控制在選手按下按鈕后其他人按鍵無效，當(dāng)有選手按鍵時(shí)相應(yīng)的事件觸發(fā)，燈會(huì)亮同時(shí)屏幕上也會(huì)有相應(yīng)的數(shù)字，在事件結(jié)構(gòu)里嵌入的選擇結(jié)構(gòu)也會(huì)觸發(fā)，為真時(shí)其他選 手按鍵均變無效。屏幕顯示方面用了格式化寫入字符串，將字符串路徑、枚舉型、事件標(biāo)識(shí)、布爾或數(shù)值數(shù)據(jù)格式化為文本形式然后輸出。 或者說，譯碼器是可以將輸入二進(jìn)制代碼的狀態(tài)翻譯成輸出阻抗信號(hào)，以表示其原來含義的電路。譯碼器的種類很多，但它們的工作原理和分析設(shè)計(jì)方法大同小異。輸入是三位二進(jìn)制代碼、有八種狀態(tài)，八個(gè)輸出端分別對(duì)應(yīng)其中一種輸入狀態(tài)。 38 譯碼器是通過 3 條線來達(dá)到控制 8 條線的狀態(tài)，在電路中，起到擴(kuò)展 IO 資源用 。 1 51 41 31 21 11 097123456A0A1A2S1S2S3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y781 6G N DV c c 圖 38譯碼器引腳圖 74LS138 的真值表如表 所示，當(dāng)譯碼器處于工作狀態(tài)時(shí)，每輸入一個(gè)二進(jìn)制代碼將使對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸出端為低電平，而其它輸出端均為高電平，也可以說對(duì)應(yīng)的輸出端 被譯中。前面板如圖 。程序框圖如圖 。 無論從邏輯圖還是功能表我們都可以看到 74LS138的八個(gè)輸出管腳，任何時(shí)刻要么全為高電平 1，芯片處于不工作狀態(tài) ，要么只有一個(gè)為低電平 0，其余 7個(gè)輸出管腳全為高電平 1。 七段數(shù)碼管顯示的設(shè)計(jì) 七段數(shù)碼管就是指數(shù)碼管里有七個(gè)小 LED發(fā)光二極管，通過控制不同的 LED的亮滅來顯示出不同的字形。而共陽極就是將七個(gè) LED的陽極連在一起。此時(shí)若顯示數(shù)字 1，那么譯碼驅(qū)動(dòng)電路輸出段 bc為高電平，其他段掃描輸出端為低電平，以此類推。 圖 七段數(shù)碼管前面板 該程序的程序框圖如圖 所示， 在程序框圖中， 主要采用 條件結(jié)構(gòu)（ Case Structure）、While 循環(huán)結(jié)構(gòu)，一共有 11 個(gè)結(jié)構(gòu)，其中 10 個(gè)結(jié)構(gòu)為 0 到 9 這 10 個(gè)數(shù)字的顯示，最后一個(gè)結(jié)構(gòu)是控制整個(gè)系統(tǒng)的停止。值得注意的是在結(jié)構(gòu)中必須專門做一個(gè)停止結(jié)構(gòu)，不然按停止按鈕不會(huì)響應(yīng)，這個(gè)和 While 循環(huán)結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。它是數(shù)字系統(tǒng)中用途最廣泛的基本部件之一，幾乎在各種數(shù)字系統(tǒng)中都有計(jì)數(shù)器。此外，還能用它執(zhí)行數(shù)字運(yùn)算。一個(gè)觸發(fā)器可以表示 l位二進(jìn)制數(shù)，表示 n位二進(jìn)制數(shù)就得用 n個(gè)觸發(fā)器。同步計(jì)數(shù)器工作速度較快，電路較復(fù)雜。 圖 3位二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器前面板 計(jì)數(shù)器是基于 JK 觸發(fā)器做成的，其中部分電路是 JK 觸發(fā)器，可以利用 LabVIEW 中子 VI 的功能將 JK 觸發(fā)器打包成一個(gè)子程序，作為 VI 模塊調(diào)用。 當(dāng)控制變量 M=0 時(shí)，電路具有 “意見一致 ”功能，即 A、 B、 C 輸入一致時(shí)輸出 1，XX 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）專用稿紙 12 否則輸出為 0。 首先對(duì)電路功能進(jìn)行邏輯抽象后，寫出四變量邏輯表達(dá)式。數(shù)據(jù)端D D D6 連接至 M， D0 連接至 M 的反， D D D4 連接至常量 0， D7 連接至常量1，就可構(gòu)造出所需的四變量邏輯表達(dá)式。 前面板如圖 所示，程序框圖如圖 所示。在框圖中添加復(fù)合運(yùn)算函數(shù)，按照邏輯表達(dá)式進(jìn)行連線，最終輸出結(jié)果送