引言

　　虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時計算機(jī)測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級的計算機(jī)化成為可能，甚至在 Microsof t公司的 Windows 誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計算機(jī)上推出了LabVIEW2.0 以前的版本。對虛擬儀器和 LabVIEW 長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前LabVIEW 的版本為 LabVIEW2009，LabVIEW 2009 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEW Real-Time 工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的。

　　虛擬儀器（virtual instrument）是基于計算機(jī)的儀器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機(jī)。以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。上面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。

　　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

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。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)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。

　　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。用戶界面在 LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。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。

　　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(jìn)行數(shù)字邏輯電路仿真設(shè)計的基礎(chǔ)。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。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：

　　（1）可充分使用LabVIEW強(qiáng)大的輸入／輸出控件資源

　?。?）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。

　?。?）可開發(fā)通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)字虛擬芯片庫（模塊庫）

　?。?）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：

　　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：

　　使用過程中應(yīng)當(dāng)注意滿足約束條件（當(dāng)RD+SD=O時，始終有QN+1=O）。

　　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。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=“false”，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。

　　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，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)

　　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，部份圖標(biāo)如圖3所示。

　　集成計數(shù)器74161的內(nèi)部邏輯圖如圖4所示。

　　它是4位二進(jìn)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：

　?。?）RD：異步清零端，低電平有效

　?。?）LD：預(yù)置數(shù)使能控制端，低電平有效

　?。?）預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端：A、B、C、D

　?。?）CP；時鐘輸入端，上升沿有效

　?。?）狀態(tài)輸出端：QA～QD

　?。?）RCO：進(jìn)位輸出

　　74161的邏輯功能：

　?。?）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”。

　?。?）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。

　?。?）狀態(tài)數(shù)據(jù)保持功能：當(dāng)RD=LD=1，且ET·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(jìn)位輸出RCO保持不變；ET=O，無論EP為何值，進(jìn)位輸出RCO=0。

　?。?）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。

　　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。

　　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(jìn)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(jìn)制計數(shù)功能（帶進(jìn)位輸出）。計數(shù)容量為0000～1101，置數(shù)控制端輸入取。

。

　　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(jìn)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。

　　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(jìn)行連線即可，但對于時序邏輯，應(yīng)當(dāng)注意下述問題：

　?。?）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Vl都應(yīng)當(dāng)保證是惟一的獨立程序，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(qiáng)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(jìn)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。