NI ELVIS在数字电子技术实验中的应用

摘要：为开拓学生在专业领域的创新发展，将在传统实验箱上进行的数字电子技术实验移植到ELVIS平台。首先介绍了美国国家仪器公司(NI)的虚拟仪器教学实验平台(education laboratory virtual instrumentation suit，ELVIS)，给出了一个利用ELVIS平台完成数字电子技术实验的实例，根据实验开发了基于LabVIEW编程的“软”仪器SFP以及对已有的“软”仪器的功能进行了部分扩展。
关键词：虚拟仪器；ELVIS；数字电子技术实验；LabVIEW；SFP

0 引言
    目前，实践教学在人才培养中的重要地位日益凸显，它在培养学生动手能力和创新思维方面尤其不可缺少。
    电路和电子技术实验是电类专业学生必修并且非常重要的专业基础课，实验中常用的传统仪器包括：数字万用表、函数信号发生器、示波器、直流稳压电源等。很多专业性实验还需要一些特殊仪器比如波特仪、直流电桥、逻辑分析仪等。熟练使用仪器是学生通过实验必须具备的一个基本技能，但实验中往往由于学时紧张，仪器较多，结果学生经常忙于调节仪器而没有太多时间专注于对实验原理的研究和实验结果的分析，导致实验的效果并不理想，也不利于学生更深层次的学习和提高。而近年来，虚拟仪器的发展极其迅速，以美国NI公司为主导的虚拟仪器技术已经成为电气测控领域的一个代表方向。虚拟仪器的设计思想是基于计算机的强大功能，采用接口标准化的硬件进行数据采集，而对数据的分析、处理、显示则通过软件编程实现，即采用“软面板”，用户自己定义仪器功能。如果能够在学生通过电路实验已经掌握传统仪器基本使用的基础上，适度引入虚拟仪器到电子技术实验中，就可以避开硬仪器问题，而突出、强化对学生分析及解决问题能力的训练，并且学生通过使用虚拟仪器可以提早与专业接触，更有利于与后续专业课的衔接和融合。

1 NI ELVIS实验平台
    2003年，美国NI公司针对高校实验室教学内容开发了一套ELVIS平台(education laboratory virtual instrumentation suit)。整套平台硬件上包括原型板，ELVIS工作台以及625l的数据采集卡和68针数据传输线；软件上包括软前面板(soft front panel，sFP)仪器和ELVIS硬件驱动程序(LabVIEW APIs)，软前面板SFP仪器是根据ELVIS平台应用的特点编写的LabVIEW VI，模拟、代替传统实验中的硬仪器。
1．1 EINIS硬件
    ELVIS工作台与数据采集卡(data acquisition，DAQ)一起完成实验系统原型板上电路的输入输出。工作台主要起到连通和操作的功能，其前控制板提供了旋钮调节的函数信号发生器、可调电源及SFP仪器——数字万用表和示波器的BNC接口。
    原型板与工作台相连，它主要提供一个搭建电路的区域并从工作台接入电路所需要的输入／输出信号。也可以由实验需要根据68针数据传输线的定义自己设计原型板与工作台相连从而取代原标配的原型板。
    6251数据采集卡完成实验电路与计算机之间的数据传输，既可将LabVIEW程序产生的信号送入电路也可将电路的输出信号送入计算机相应处理程序。
    工作台、原型板、DAQ卡构成完整的硬件实验系统。
1．2 ELVIS软件
    ELVIS的软件基于LabVIEW编程的，包括软前面板SFP仪器和驱动ELVIS硬件的应用程序。ELVIS软件将完成信号在工作台与SFP之间的传递。

    SFP仪器属于软件编程实现的虚拟仪器，源代码由LabVIEW程序开发，是各种仪器功能的“软”实现。ELVlS的SFP仪器如图l所示，从启动面板可以看到其包括各种常用仪器，并且仪器操作界面与真实仪器类似，易于理解，容易被有基础的学生迅速掌握；作为虚拟仪器在实验室中的典型应用，NI提供了对LabVIEW程序源代码的修改功能，这意味着学生可以根据自己专业的需要自定义仪器或修改和扩展已有的仪器。这将大大提高学生学习的兴趣和积极性，也有助于培养、锻炼学生的创新思维和创新能力。

2 基于ELVlS平台的数字电子技术实验
    鉴于学生在前面的电路实验中已具备传统仪器使用基础，本文尝试将数字电子技术实验项目移植到ELVIS平台上实现。
2．1 “软”仪器SFP在实验中的使用
    在数字电子技术实验中，常用的仪器包括：直流稳压电源、示波器等，在ELVIS中分别对应的SFP仪器为：VPS(variable power supply)、OSC(oscilloscope)。此外，还有一些用于逻辑输入和输出显示的器件有：数据逻辑开关、数字输出显示LED在SFP中为Digital Bus Writer、Digital Bus Reader＆LED。
    Digital Bus Writer数字写入器，这与实验箱中数据逻辑拨动开关功能一样，可提供逻辑电路中高／低电平输入，可选取单通道和8通道序列2种输出方式。其通道在原型板上标注为DOO～DO7。
    Digital Bus Reader数字读取器，接收逻辑电路输出电平并显示输出结果，同样可以单通道读取也可以8通道序列一并读取。其通道在原型板上标注为DIO～DI7。
2．2 利用LabVIEW编程实现自定义“软”仪器SFP
    如前所述，可以通过LabVIEW编程自定义或扩展仪器功能。这也是虚拟仪器的最大优势。例如：针对ELVIS原型板上不具备单脉冲问题，可以考虑用软件编程的方法产生触发器或计数实验中所用到的单个脉冲。将前面板的布尔量作为触发按钮并将其值写入到Port0／Line0口输出，设置布尔量机械动作为：按下布尔量转换为高电平并保持输出高电平直至松开布尔量，从而获取按钮触发单个脉冲，其程序如图2所示，程序流程较易理解：首先确定ELVIS工作在by pass状态，对单通道数字输出一个布尔量的值，While循环的轮询使得按钮重复操作有效。

    前面板控件如图3所示，“单个脉冲触发按钮”外形类似实验箱上的按钮，按下一松开的过程产生一个脉冲，其余控件一个用来显示ELVIS是否工作在by pass状态，一个用来停止循环，界面和程序非常简易，说明通过LabVIEW编程与ELVIS平台结合的方式实现仪器的扩展功能是行之有效的。并且在软硬件结合的编程过程中，可进一步提高学生的创新能力。

2．3 实验实例
    下面以最常见的TTL与CMOS与非门特性的测量为例，说明NI ELVIS平台在数字电子技术实验中的应用。该实验中要用到的SFP仪器有示波器OSC(oscilloscope)、可调电源VPS(variable power slapply)、数字万用表DMM(digital multimeter)、数字写入器与读取器。这些SFP仪器的操作界面与真实仪器相近，因此对于已有实验基础的学生是非常熟悉的，通过鼠标操作计算机上呈现的软仪器界面，对实验结果进行测量和存储。
    测量与非门电压传输特性时，采用锯齿波作为输入，而SFP的函数信号发生器只提供正弦、三角、方波3种波形，因此锯齿波的产生须用到特殊仪器——任意波形发生器ARB(arbitary waveform generator)。ARB可将预先设定好各参数(波形、幅值、频率)的任意波形从原型板上的DAC0～l端口输出，本实验中，由学生自己软件编辑绘制的锯齿波作为与非门输入，并与与非门的输出同时送人LabVIEW采集程序以X-Y方式显示，在VI前面板可以清楚的比较TTL与CMOS与非门的电压传输特性曲线，实验结果如图4所示，与在传统示波器上显示的曲线相比，图线比较清晰更易理解。

    在此计算机软界面操作的实验中，学生不需要花费太多时间在各类仪器的使用或者实验仪器的调试中，而把主要精力集中在实验原理的理解和结果的分析上。此外，测量到的实时数据可完整显示并存储在计算机中，读取非常方便，便于今后对实验数据的进一步分析。
    目前，已实现将大部分数字电子技术实验移植到NIELVIS平台上进行，且已经应用在学生实验中。从实验的效果看，学生在经过最初对NI ELVIS的熟悉后，就开始喜欢上这种具有更多探索性和创新性的实验方式。

3 结束语
    NI ELVIS软硬件相结合的实验平台对于电气信息与控制工程、机械电子工程及生物医学工程专业的学生来说，是进行电子电路学习和设计的一个非常好的平台。它提供了完整的测量测试和保存数据的功能，原型板的可变换性和仪器源代码的可修改性也给学生提供了一个较大的创造空间。SFP仪器中波特图分析仪等专业性较强的仪器使得更高一级的实验教学成为可能。