基于LabVIEW的微機原理實驗輔助學習平臺

王詠寧　毛多鷺

摘 要： 為了提高“微型計算機原理”教學質量，以LabVIEW軟件為主要開發工具，針對“微型計算機原理”實驗教學中存在的一些問題，通過仿真、演示、驗證等功能，建立了一個理論和實驗項目充分融合的虛擬學習平臺。實驗結果表明：將課程中原本抽象、枯燥的理論知識生動、形象的展示出來，無需任何硬件就能方便的對實驗項目進行學習和驗證，對提高實驗教學質量有顯著效果。

關鍵詞： LabVIEW； 微機原理； 實驗教學； 學習平臺

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0033?03

Abstract： In order to improve the teaching quality of microcomputer principle， and solve the problems appearing in the process of microcomputer principle experimental teaching， a virtual learning platform fully fused theory and practice was established by taking LabVIEW as main development tool. The abstract and boring theory knowledges are exhibited by the vivid image mode， in which there is no any hardware to be needed to learn and validate experimental projects conveniently. Moreover， it has a significant effect to improve the quality of experimental teaching.

Keywords： LabVIEW； microcomputer principle； experimental teaching； learning platform

微型計算機原理是研究微型計算機的硬件組成與結構、工作原理與外部設備接口技術的課程，也是計算機、電子、機電等專業重要的硬件課程，是進一步從事工程應用的重要基礎[1]。但由于微機內部芯片的高度集成化，在實際教學中其工作原理抽象難講，各時序狀態下信號的動態變化也很難用語言描述，學習者往往難以理解。傳統的多媒體課件由于缺乏有效的交互和實時控制，也無法取得較好的效果[2]，大多實驗由于受到硬件環境的制約，也不便于學習者隨時隨地行進學習、驗證和應用。LabVIEW是圖形化的編程語言，具有開發效率高、界面美觀友好、擴展性強等特點[3]，利用LabVIEW針對微機原理課程教學和學習的需要，設計出友好的學習界面，學習者可實時操作，將信號時序直觀的顯示出來，并通過實驗應用環節加深理解，不受時間、環境等因素限制。學習者在學習理論知識的同時，可以進行對照演示，在觀察現象、分析實驗結果的過程中強化對知識點的理解，有效地提高學習者的積極性和主動性[4]。

1 平臺總體結構

自主學習平臺以圖形化編程語言LabVIEW為主體開發軟件，把虛擬儀器引入教學及實驗中，操作簡單、形象直觀。教師可以實時進行演示和講解，學生可以自主選擇學習內容，通過知識介紹、功能仿真演示、應用舉例、問題分析等模塊，逐步加深學習，增強學習興趣，提高學習效率。學習平臺的總體結構如圖1所示。

2 平臺設計實現

微機原理中接口部分內容枯燥難懂，而實驗又受場地及實驗條件的限制，一直是教學中的難點[5]，以74LS138譯碼器及可編程定時器/計數器Intel 8253等接口芯片為例，按模塊分別介紹學習平臺設計實現方法。

2.1 知識介紹模塊

選擇相關知識點進入知識介紹模塊，了解課程中常用接口芯片的相關知識，如圖2所示。選擇74LS138譯碼器知識介紹，在前面板使用字符輸出及圖片輸出控件，將芯片的功能、引腳等知識以文字和圖片形式顯示，使學習者在使用前熟悉其工作原理。

2.2 工作方式學習及仿真演示模塊

微機原理是一門工程性和實踐性很強的專業技術課程，掌握了相關芯片的工作方式，才能為后續的動手實踐打下良好基礎。本模塊中將定時計數器8253、中斷控制器8259、并行接口芯片8255等可編程接口的工作方式及時序變化進行虛擬仿真，學習者可根據需要自主選擇相應方式進行學習，并通過演示功能進行交互體會見圖3。選擇8253定時計數器操作界面，8253的6種工作方式分放在6個選項卡中，在下拉列表中可選擇正常計數、門控信號影響和重寫入計數值3種過程，界面可圖文并茂的顯示相關文字說明和圖例，單擊演示按鈕后即可打開演示窗口，學習者可通過設置不同參數實時顯示出該工作方式下各種信號引起的時序變化情況。

仿真演示界面以8253工作方式四為例進行介紹，如圖4所示。操作前面板設計中使用了數值輸入、波形顯示、布爾控制等控件，學習者可自行設置計數初值，選擇重寫入計數值，改變GATE門控信號、暫停等操作。實時觀察OUT輸出信號的變化，8253方式四為軟件啟動，不自動重復計數，寫入控制字后OUT輸出高電平，若GATE=1，則裝入計數初值后立即開始計數，計數結束后，OUT輸出一個CLK周期寬的負脈沖[6]。重寫計數值及GATE信號變化對OUT輸出的影響都可由學習者自行操作觀察。整個仿真程序由一個While循環構成，由“退出”按鈕控制循環結束，內部用一個While循環通過頻率參數控制信號輸出的速度[7]。時鐘信號CLK、寫信號WE、門控信號GATE、輸出信號OUT、計數初值等變量進入循環體內，CLK信號在循環體中由移位寄存器回送并轉向產生周期性變化的時鐘信號[8]，循環體內通過多個CASE結構選擇在重寫入計數值、GATE信號變化及計數結束時對OUT輸出信號的影響。

3 實驗及應用舉例

本模塊按EL?I實驗系統環境，對各接口實驗實現模擬仿真。如圖5所示為8255并行口實驗模擬界面，學習者可打開實驗說明了解實驗內容，掌握實驗原理，通過數字輸入鍵設置8255工作方式控制字，下方對應的文本顯示框中會實時顯示出相應的工作方式，根據實驗要求，寫入控制字10010000B后，將A口設置為輸入口，連接8個開關；B口設置為輸出口，連接8個發光二極管，選擇方式0工作[9]?？稍贑S0?CS7中任選一個與8255的選片信號CS8255相連，相應的端口地址如下文體框中顯示，設置正確后可實時通過開關控制發光二極的狀態。實驗程序中提供了參考程序見圖6。

4 結 語

利用LabVIEW將微機原理中各種時序關系及接口實驗模擬仿真，能將枯燥抽象的理論變得生動可見；通過友好的操作界面可實時進行演示、驗證，便于學生自主學習；LabVIEW開發虛擬實驗效率高、成本低、本系統采用模塊化程序設計，使得系統具有良好的擴展功能[10]，可極大地豐富微機原理教學方法，是一套很好的輔助教學工具，可以有效提高學生的學習興趣，調動學生學習的主動性和積極性。

參考文獻

[1] 馮博琴，吳寧.微機計算機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2] 張貞凱，田雨波，張婭丹.基于LabVIEW和Maltab的虛擬實驗平臺構建[J].現代電子技術，2013，36（6）：154?156.

[3] 鄭對元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設計[M].北京：清華大學出版社，2012.

[4] 鄭丹，王耀.電傳動機車控制實驗自主學習平臺設計與實現[J].實驗技術與管理，2012，29（6）：79?82.

[5] 吳荔清，婁勝南，張林濤.虛擬儀器技術在微機原理實驗教學中的應用[J].實驗科學與技術，2007，5（3）：53?55.

[6] 吳秀清，周荷琴.微型計算機原理與接口技術[M].合肥：中國科技大學出版社，2000.

[7] 蔣漪漣.基于LabVIEW電子信息類實驗教學系統的設計與實現[J].現代電子技術，2011，34（16）：152?154.

[8] 黃淑玲.計算機接口技術虛擬實驗室系統設計與實現[J].現代計算機，2009（2）：180?182.

[9] 李干林，李升.微機原理及接口技術實驗指導書[M].北京：北京大學出版社，2012.

[10] 聶偉，楊正.虛擬的模擬通信實驗系統的設計與實現[J].現代電子技術，2014，37（15）：159?163.