0 引言
    虛擬儀器LabVIEW目前已廣泛應(yīng)用于測試領(lǐng)域,，出發(fā)點和歸宿是“軟件化的真實儀器”。LabVIEW同時又是一個優(yōu)秀的仿真系統(tǒng),，但真正處于仿真目的使用的并不多見,，本文提出數(shù)字“虛擬芯片”概念，并基于LabVIEW實現(xiàn)仿真運用,。
    所謂“虛擬芯片”,，是在充分利用LabVIEW圖形化語言風(fēng)格和強大信號處理功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計具有一定顯示界面的虛擬輸入／輸出端子,、能完成相應(yīng)的數(shù)字邏輯運算功能或數(shù)字信號處理功能的計算機程序,，也就是LabVIEW的VI。應(yīng)當(dāng)說這是新時期數(shù)字邏輯電路設(shè)計,、實驗或教學(xué)的一種新舉措,，基于LabVIEW的數(shù)字虛擬芯片和原理圖設(shè)計與其他仿真系統(tǒng)相比，不但有自身的特點,，也是對虛擬儀器系統(tǒng)LabVIEW應(yīng)用新領(lǐng)域的拓展和補充,。

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
    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,?；贚abVIEW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強大的輸入／輸出控件資源
    (2)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,。
    (3)可開發(fā)通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)字虛擬芯片庫(模塊庫)
    (4)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(觸發(fā)器狀態(tài)直接被置位或復(fù)位)。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，最后得到對應(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：
    (1)RD：異步清零端，低電平有效
    (2)LD：預(yù)置數(shù)使能控制端,，低電平有效
    (3)預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端：A,、B、C,、D
    (4)CP,；時鐘輸入端，上升沿有效
    (5)狀態(tài)輸出端：QA～QD
    (6)RCO：進位輸出
    74161的邏輯功能：
    (1)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”,。
    (2)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,。
    (3)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：進位輸出RCO保持不變,；ET=O,，無論EP為何值，進位輸出RCO=0,。
    (4)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進制計數(shù)功能(帶進位輸出),。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行連線即可，但對于時序邏輯,，應(yīng)當(dāng)注意下述問題：
    (1)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(子)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。