一种数字虚拟芯片构建方法及应用

　　引言

　　虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在 Microsof t公司的 Windows 诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 LabVIEW 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW 的版本为 LabVIEW2009，LabVIEW 2009 为多线程功能添加了更多特性，这种特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time 工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的。

　　虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。上面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。

　　1 基于LabVIEW实现虚拟数字逻辑电路仿真的可行性及优点

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。

　　LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。

　　由前面板实现数字电路的各种控制和显示，由程序流程图实现数字电路的逻辑运算功能，是基于虚拟仪器LabVIEW进行数字逻辑电路仿真设计的基础。LabVIEW的前面板提供了大量数值、布尔控件。后面板提供了大量的函数模块，使用这些函数可以很方便地调用或设计出各种门电路、编码器、译码器、运算器、存储器、触发器、定时器、ADC／DAC等数字电路设计中常用的器件模块。在数字电路中，高电平和低电平2种逻辑状态可用前面板中的布尔控件提供；而电路设计中的各种模拟量可以用各种数值型控件及函数信号发生器产生和提供。基于LabVIEW实现虚拟数字逻辑电路的可行性及优点，还表现在以下几方面：

　　（1）可充分使用LabVIEW强大的输入／输出控件资源

　　（2）LabVIEW中的图形化语言风格适合数字电路的逻辑图构建：

　　布尔控件图标与数字逻辑门电路符号相近；图形化的G语言风格适合逻辑图的连接。

　　（3）可开发通用或专用的数字虚拟芯片库（模块库）

　　（4）LabVIEW虚拟仪器可实现与外部数据的交换

　　2 基于LabVIEW的数字虚拟芯片设计方法

　　下面从一个有异步复位、置位端子的虚拟触发器单元设计开始，以LabVIEW中逻辑运算VI作为虚拟“门电路”单元，构建通用数字逻辑芯片、计数器74160虚拟“芯片”，讨论并实现该虚拟芯片的仿真应用。

　　2.1 具备异步复位、置位端的虚拟触发器设计

　　低电平有效的异步置位、复位功能的虚拟JK触发器特性方程可表示为：

　　当满足约束条件RD+SD=1，即RD、SD不同时为有效电平（逻辑值0）时，这2个端子可作为异步置位端（SD）和异步复位端（RD），即有：

　　使用过程中应当注意满足约束条件（当RD+SD=O时，始终有QN+1=O）。

　　根据式（1）构建的低电平有效的异步置位、复位功能的JK触发器LabVIEW后面板如图1所示，其异步置位、复位端动作不受同步CP控制，直接实现操作。为实现CP输入下降沿有效的动作方式，程序中引入了条件结构控制。当无有效CP边沿输入时，输入触发器端子的数据是J=K=“false”，等价于J=K=0，触发器处于保持状态；只有当有效CP下降沿输入时，触发器才接收输入控件J，K的数据，实现相应的动作。图1中左下角部分程序就是实现CP下降沿输入有效的控制程序部份。

　　定义图1中VI的各输入、输出端子，编辑好相应的VI图标，将其保存为一独立VI文件，得到对应的VI图标及连线如图2所示。这样的VI图标即可看作一个虚拟触发器。

　　图2中2个图标为同一VI在LabVIEW中的2种不同显示方式，且2个图标为同一VI分别以不同文件名保存的2个文件。（程序完全相同）

　　2.2 基于虚拟JK触发器及LabVIEW虚拟“逻辑门”构

　　虚拟仪器LabVIEW中的逻辑运算VI，可以完成各种基本逻辑运算，在仿真数字逻辑电路时可当作虚拟的“门电路”直接使用，部份图标如图3所示。

　　集成计数器74161的内部逻辑图如图4所示。

　　它是4位二进制同步加法计数器，有异步清零、预置数端子和两个使能控制端子，各端子的含义如下：

　　（1）RD：异步清零端，低电平有效

　　（2）LD：预置数使能控制端，低电平有效

　　（3）预置数据输入端：A、B、C、D

　　（4）CP；时钟输入端，上升沿有效

　　（5）状态输出端：QA～QD

　　（6）RCO：进位输出

　　74161的逻辑功能：

　　（1）异步清零功能：当RD=0时，不管其余输入端状态如何，计数器均被置零，且不受CP控制，故称为“异步清零”。

　　（2）同步并行预置数功能：当RD=1且LD=0时，每一个有效CP都将A、B、C、D输入端的数据传送至QA～QD状态端子接收。

　　（3）状态数据保持功能：当RD=LD=1，且ET·EP=0时，无论CP有无，计数器处于保持状态（QA～QD保持不变）。保持状态分2种情况：

　　EP=0，ET=1：进位输出RCO保持不变；ET=O，无论EP为何值，进位输出RCO=0。

　　（4）计数功能：当RD=LD=EP=ET=1时，电路处于正常的加法计数状态。

　　根据74161逻辑图，编制相应的LabVIEW后面板，结果如图5所示。从图5中可以看出，对应很好。

　　保留并定义所有输入端和输出端子，编辑图标，将程序保存为子VI，称之为虚拟74161芯片，其VI图标及连线端口如图6所示。

　　下面讨论虚拟芯片74161设计及应用。

　　运用1片74161及LabVIEW系统中的逻辑运算VI（相当于虚拟门）图标直接连接，构建一个14进制计数器，实验后面板（虚拟逻辑图）如图7所示。

　　图7所示后面板中用一片74161虚拟芯片，基于74161置数归零法来实现14进制计数功能（带进位输出）。计数容量为0000～1101，置数控制端输入取。

。

　　相应的实验前面板如图8所示。计数状态设置为RD=EP=ET=“True”，相当于逻辑1，可从CP控件手动输入计数脉冲实现计数并实验。图中显示为计数至1101时，进位输出为1的状态。当下一个CP到来时，则全部清零重新计数。

　　仿真实验的结果表明，虚拟74161具有实际电路芯片相同的逻辑功能。

　　3 时序虚拟芯片设计应注意的关键问题

　　对于组合逻辑，只须按逻辑图直接进行连线即可，但对于时序逻辑，应当注意下述问题：

　　（1）需要将状态数据缓存时，应当在数据传递过程中使用反馈节点或移位寄存器。

　　（2）任一触发器或时序芯片单元，在同一虚拟电路中不能重复使用（调用）文件名相同的同一子VI程序。

　　原因是当调用某时序子VI时，其保存的状态数据将发生变化，从而导致用到同一VI的其他经程序单元状态数据发生不可预知的错误。即虚拟电路中使用的任一时序单元对应的子Vl都应当保证是惟一的独立程序，要多次使用就必须分别以不同文件名保存后再分别调用。

　　4 结语

　　将虚拟仪器的强大功能应用于数字逻辑电路的仿真，在虚拟仪器系统中构建各种虚拟“芯片”，并以此作为虚拟“元件”，可进一步“搭建”各种虚拟“数字电路”。虚拟仪器应用于数字电路的仿真技术，可以高效快捷地设计数字电路的原理图、分析数字电路的逻辑功能及开展基于虚拟仪器的数字电路实验、教学，同时还能拓展虚拟仪器新的应用领域。