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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计基于LabVIEW的电学虚拟实验平台设计-数字电路模块摘 要 运用模块化的设计思想 ，对数字电路综合实验平台进行了设计。实现了数据选择器、全加器、译码器等组合逻辑电路和时序逻辑电路的仿真。该系统开发周期短，成本低，具有很强的兼容性和扩展性，易于升级换代和维护。由于低成本和高性能计算机资源的广泛使用，虚拟仪器平台已趋向逐渐取代传统的电子设备。使用虚拟仪器工具进行实验教育和科学研究，不仅可以节省对大量工具和设备的需求，而且可以提高实验教育和科学研究的效率和质量。关键词：数字电路；LabVIEW；仿真；实验平台Design of Electric Virt
2、ual Experiment Platform Based on LabVIEW-Digital Circuit ModuleAbstract Using the modular design idea, the digital circuit-based comprehensive experiment platform is designed to realize the simulation design of combinational logic circuit and sequential logic circuit such as data selector, full adde
3、r and decoder. The system has a short development cycle, low cost, strong compatibility and scalability, and is easy to upgrade and maintain. Due to the widespread use of low-cost and high-performance computer resources, virtual instrument platforms have tended to gradually replace traditional elect
4、ronic devices. Using virtual instrument tools for experimental education and scientific research can not only save the demand for a large number of tools and equipment, but also improve the efficiency and quality of experimental education and scientific research.Keywords: Digital circuits; LabVIEW;
5、simulation; experiment platform目 录1 前言62虚拟仪器的介绍73电学虚拟实验平台设计的原理94数字电路模块介绍114.1 全加器的设计114.2 译码器的设计124.3 数据选择器的设计145时序逻辑电路模块155.1JK触发器的设计155.2 RS触发器的设计166调试过程177结论27参考文献28致谢291 前言实验教学主要是对学生的创新动手能力进行培养。它在培养学生的综合素质方面起到了非常重要的作用。而现在高校进行的大部分电路实验都是传统类型的，因为实验器材的限制许多学生没办法进行完整的实验。虚拟仪器的诞生正好有力的解决这个问题的，虚拟仪器是以计算机系统
6、为核心，把传统仪器的功能软件化与计算机系统融合在一起。最著名的就是NI公司的LabVIEW。LabVIEW开发环境分为前面板和程序框图（后面板）。LabVIEW是由图形化程序语言，用框图代替了传统的程序代码。前面版是数值控制模板，提供了大量的数值、布尔元件。程序框图则提供了大量的函数模块这些模块可以组成各种门电路，编码译码器，时序逻辑电路和组合逻辑电路。LabVIEW编程流程要经历以下几个步骤：1、 总体设计：根据要求进行总体结构设计，创建前面板并进行布局，然后导入到程序框图中。2、 前面板设计：在LabVIEW前面板内调出数值、输入、输出元件，进行布局设计。3、 程序框图设计：在LabVIE
7、W流程图窗口内使用提供的函数模块、工具模板进行编辑。4、 程序检测：在前面板上单击运行按钮，执行VI程序。 本设计的目的、意义及应达到的技术要求远程实验室中的新概念正越来越多地用于各行各业。例如，教育行业，尤其是科学技术教育，正日益吸引学生的实践技能。但是，传统实验室很难满足当前的教育需求。凭借可以有效解决这些问题的创新概念，远程实验室诞生了，并引起了人们的极大兴趣和良好的发展趋势。操作人员可以远程操作实验设备，可以随时随地在电路仿真（例如虚拟仿真和实时监控）上进行实验，直观显示实验中的结果。该方法有效地提高了实验的适应性，克服了许多外部因素的局限性。网络发布功能有效地互连了信息，并大大提高了
8、实验的整体水平。虚拟机技术在所谓的高端实验室平台上以高效灵活的方式集成了各种先进技术，例如硬件和多媒体。这正是构建虚拟远程实验室的首选。本设计在国内外的发展概况及存在的问题各个学科和课程中的学习和测试案例经常需要在电路中进行仿真。通常，这是通过购买各种相应的硬件设备来实现的。购买此设备不仅会花费很多钱，而且将来更需要大量的人工和材料来维护和维修设备。当然，这对发展中国家尤其困难，随着电子技术的不断发展，计算机技术和设备越来越紧密地集成在一起，并且涌现出大量的仿真软件。仿真软件不仅可以准确地分析电路组件和内部结构，还可以应用于工业和产品设计等许多方面，以用于预测电路性能。仿真可以无缝地桥接电路设
9、计和实际应用的角色，从而显著降低成本，减少设计时间并提高效率。数字电路通常需要在整体电路正式完成之前对电路进行仿真和验证，随着电子技术的不断发展，虚拟机则很好的担当起对电路进行仿真和验证的任务。 国家对虚拟仪器的研究始于引入NI公司的产品线。虚拟机发现现在被认为是现代机械工程科学的前沿领域之一。随着国民经济的飞速发展，企业对高科技设备的需求也越来越多。中国的科学和教育界对虚拟仪器平台的研究起步较晚，但经过多年的研究已经有良好的发展势头。虚拟仪器是未来科学模拟实验必不可少的一部分，具有很大的发展潜力。许多国家的高校和企业都已经开始大力发展该技术。本设计应解决的主要问题本设计主要是运用LabVIE
10、W搭建时序罗电路和组合逻辑电路中的JK触发器、RS触发器、全加器、四选一数据选择器和译码器。2虚拟仪器及G语言介绍LabVIEW是一种被称为通用G语言的图形编程语言，它与诸如BASIC和C之类的纯文本语言不同。G编程语言与其他语言具有许多不同的特征。例如，它更加清晰直观。控件与每个子例程和功能相关联，并且数据显示在整个系统的指示器上。 在使用上G语言化简了一系列复杂的编程过程与应用综合，将它们拆分为单独的子任务，每个子任务都需要一个不同的VI程序。最后，这一系列子VI按不同的图标分类，因此可以一起完成设计任务。在整个应用程序的顶层VI之下，有一系列子VI，可以实现各种子功能。总体程序会多次重复
11、使用同一个子VI，因此构建应用程序软件可以提前开发出一系列预先使用的子程序。在此过程中，可以更加方便的提高编程效率。除了简化LabVIEW编程应用中G的科学计算外，它还可以广泛用于过程监控和软件开发中。因此，Lab VIEW是在此基础之上构建的，并且正在成为工业，研究和其他领域广泛接受的重要原因之一。使用LabVIEW设计数字电路时，先用该程序的程序框图来建立初步完整的电路，电路的各种功能由前面板和后面板实现。通过前面板，可以使用八个布尔组件对数据选择器，解码器等时序逻辑电路和组合逻辑电路进行仿真设计。 LabVIEW具有通用的图形语言风格，编程过程是选择另一个图标时进行连接和连线的过程。另一
12、个图标与具有不同功能的“子程序”相同，并且图标之间的连接指定了数据流。 这与代码语言中的“赋值”语句相同。 LabVIEW功能面板包括用于专用信号处理和操作的许多图标，以及用于各种数学和逻辑运算的基本VI图标。如图2.1图2.1 布尔选项版可以看到，使用LabVIEW后面板的布尔选项版是标准化数字逻辑电路的逻辑图，LabVIEW在信号输入/输出上具有丰富的输入控件和输出控件提供。还有各种逻辑门单元例如各种类型的与、或、非门按钮还有指示器和波形显示。可以通过简单的方式直接拖动此“设备”到指定的位置。如图2.2所示。图2.2 LabVIEW布尔选项板将系统自身的图形语言样式与虚拟仪器结合在一起，由
13、于LabVIEW提供的布尔元件非常的完整在设计时可以将“程序逻辑图实验过程输入输出”这四个设计过程整合起来。 在设计的时候非常简单明了，几乎可以完成所有的数字逻辑电路和模拟逻辑电路的演示，例如全加器，与或非门，RS触发器，JK触发器，译码器等。 LabVIEW程序执行过程的“高亮单步执行”模式，可完整查看信号的动态过程和逻辑电路的工作过程。3电学虚拟实验平台设计的原理基于LabVIEW软件，在设计数字电路过程中设计了五个虚拟实验子系统：时序逻辑电路，全加器，译码器和数据选择器，RS触发器和JK触发器。在电路仿真过程中，可以使用布尔控件通过模仿各种电路组件符号来创建电路。也可以通过更改控制值直接
14、更改电路参数。通过更改指示器的ON / OFF，可以立即看到电路的变化。为了完成数字电路实验系统的基本功能，虚拟实验平台主要为每个实验创建不同的子VI，并分别完成。放置与主平台界面相对应的按钮，连接每个子VI。还在当前目录中创建一个文件夹，用于存储主VI文件，并将与每个子VI放置在该文件夹中。然后再调用属性节点以连接每个子VI的路径，并由程序控制它。动态将子VI加载到主界面。前面板如图3.1所示。图3.1 实验平台前面板而程序框图的设计则是各个实验的链接即VI引用，在实验平台程序框图中运用到了While循环结构还有条件结构，打开VI引用，创建VI引用的方法，产生前面板，创建常量，访问浏览路径，
15、构建属性节点等。如图3.2所示。图3.2 实验平台程序框图4 数字电路模块介绍组合逻辑电路实验4.1、全加器同位的两个加数和低位的进位相加，这种运算称为全加，完成全加运算的电路被称为全加器。使用A和B表示两个数字的第i位，Ci表示低阶进位，S表示总和，用Co表示送给高位的进位，那么得出真值表为如表4.1所示： 表4.1 译码器真值表ABCiSCo0000000110010100110110010101011100111111 根据其逻辑关系用LabVIEW编写程序框图，如图4.2所示：图4.2 译码器程序框图前面板如图4.3图4.3 全加器前面板4.2、译码器 译码器主要的功能是将系统输入的一
16、种数据模式转变成另外一种的数据模式，并显示原始含义的电路。表4.4译码器的真值表。输入是3位二进制代码A2，A1和A0，输出状态则是八位数值Y0至Y7。表4.4 译码器真值表输入输出A2A1A0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y00000000000100100000010010000001000110000100010000010000101001000001100100000011110000000 LabVIEW编写程序框图，如图4.5所示图4.5 译码器程序框图前面板如图4.6所示图4.6译码器前面板4.3、四选一数据选择器表4.7是数据选择器的状态表，输入信号就是由 D0、D1、D2、D
17、3四种状态表示，两个选择控制信号端是用A0、A1两个状态来表示。输出信号是用Y表示，它可以是输入数据中的任何一对。表4.7数据选择器输入输出DA1A0YD000D0D101D1D210D2D311D3根据其逻辑关系用LabVIEW编写程序框图，如图4.8所示图4.8 数据选择器程序框图前面板如图4.9所示图4.9 数据选择器前面板5时序逻辑电路5.1、RS触发器把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS触发器，其逻辑电路如图所示。它有两个输入端R、S和两个输出端Q、Q非。如图5.1所示。图5.1表5.2 基本RS触发器特性表RSQn+1注00Qn保持011置1100置011
18、不用不允许 图5.3 RS触发器程序框图图5.4 RS触发器前面板5.2、JK触发器在JK触发器的设计中，JK表示两个信号的输入端，CLK是时钟端，Q与Q非两个互补输出端。 JK触发器的状态方程为。 表5.5 JK型触发器特性表JKQnQn+1注0000保持00110100置001101001置110111101翻转1110图5.6 JK触发器程序框图图5.7 JK触发器前面板 6 调试过程全加器的调试过程：从LabVIEW的前面板可以看出全加器的工作原理是输入A+B+Ci，输出为两种，一种是分两部分，既显示输出高位进位c,和输出结果S。如图6.1所示;一种是只显示输出结果S或者是高进位CO。
19、如图6.2所示。图6.1 全加器调试过程图6.2 全加器调试过程译码器的调试过程：将三个输入 A3A2A1 分别设置为000-111 时，可得到输出界面中的指示灯灯依次变亮，表示 Y 输出有效。如图6.3所示。图6.3 译码器调试过程四选一数据选择器调试过程： 4选1数据选择器的地址端用A1、A0表示，控制端是S。这些都是用布尔元件表示。A0、A1、S都用于控制电路的工作状态，四路输入信号D0,D1,D2,D3则是用于开关按钮表示，最后一个输出端Y用布尔元器件的指示灯表示。 根据设计进行验证，当ST=0、A1=0、AO=1、D1=1时，则数据选择器就会输出地址码D1所对应的值，此时D1=1，那
20、么Y亮，如图6.4所示。图6.4 数据选择器调试过程RS触发器调试过程：RS触发器，当CP=0时，无论R和S是否改变，RS触发器输入信号全为1，不改变。这种状态就是置1。CP=1时，输入信号R和S可以使触发器状态发生翻转。如图6.5所示。触发器的逻辑公式为。图6.5 RS触发器调试过程 当J=0，K=1时，输出状态始终与J的状态保持一致，始终置0。当J=1，K=0时，输出状态与J一致即置1。如图6.6所示。图6.6 JK触发器调试过程7 结论毕业设计的理论知识基础是数字电子技术，虚拟仪器和LabVIEW实验平台的设计。LabVIEW本质就是程序开发和设计过程中的一款强大工具。基本的数电理论知识
21、加上利用工具来解决开发过程中出现的问题，并开发出应用于实际电路的虚拟机实验。本设计使用虚拟仪器技术来设计教育性的数字电路实验系统。该电路实验系统可最大程度地利用计算机的性能，取消以前仅限于仪器的实验，并使其更易于操作实验过程。利用其功能菜单导航创新，导入用户菜单功能，并根据需要更改和重新定义设备功能。该系统是在LabVIEW编程环境中开发的，具有开发周期短，成本低，易于实现的多种优点。利用虚拟仪器平台开发各种不带相关功能硬件的“虚拟实验平台”，不仅易于实现，而且具有与真实实验仪器相同的双向性，可操作性和真实性，形成了虚拟实验平台。 学生可以在虚拟实验平台上模拟实验，为将来使用设备实和完成课程设
22、计打下良好的电路基础，还可以减轻老师的劳动强度，减少设备损失，提高实验教学的质量和效果，从而可以更有效地满足各个学校或跨学校不同系的教师，学生和学者的需求。参考文献1 阿力甫阿木提 ，艾合买提江买买提热衣木，基于LabVIEW的虚拟数字电路实验平台设计j.实验室科学，第16卷 第6期2013年12月2刘灿涛，赵伟，侯国屏基于虚拟仪器的电工教学实验J.实验室研究与探索，2001(5)：26283刘阳虚拟仪器的现状及发展趋势J电子技术应用，1996(4)：454 仝晓梅 尹淑娟.LabVIEW实现数字电路的实验教学仿真平台. 民营科技2017年第9期5 崔瀛,肖君.拟仪器技术在数字电路课程设计中的
23、应用. 电子质量 （2014 第 08 期）6 陈春朝，赵敏，张亚超基于LabVIEW的虚拟实验平台的设计.中国现代教育装备，2009：31-147 余金华基于虚拟仪器技术的实验教学研究安徽工业大学学报报，2009，26：123-1428 钱声强，王露，李晴基于 LabVIEW 的数字电路课程远程实验平台开发常州信息职业技术学院学报，2010，9：63-659 雷振山，肖成勇，魏丽LabVIEW 高级编程与虚拟仪器工程应用北京：中国铁道出版社，201210 郑对元精通 LabVIEW 虚拟仪器程序设计北京；清华大学出版社,2012谢 辞为时一个学期的毕业设计即将结束了，这也意味者我在北京理工大学珠海学院的大学生涯也即将结束。本次毕业设计能顺利完成，要特别感谢指导老师陈玮老师。在设计遇到问题时她能及时给予我正确的指导。老师严谨治学的态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我受益匪浅。在此我要诚挚的向老师表示感谢！26