基于LabVIEW的微机原理实验辅助学习平台

王咏宁　毛多鹭

摘 要： 为了提高“微型计算机原理”教学质量，以LabVIEW软件为主要开发工具，针对“微型计算机原理”实验教学中存在的一些问题，通过仿真、演示、验证等功能，建立了一个理论和实验项目充分融合的虚拟学习平台。实验结果表明：将课程中原本抽象、枯燥的理论知识生动、形象的展示出来，无需任何硬件就能方便的对实验项目进行学习和验证，对提高实验教学质量有显著效果。

关键词： LabVIEW； 微机原理； 实验教学； 学习平台

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

微型计算机原理是研究微型计算机的硬件组成与结构、工作原理与外部设备接口技术的课程，也是计算机、电子、机电等专业重要的硬件课程，是进一步从事工程应用的重要基础[1]。但由于微机内部芯片的高度集成化，在实际教学中其工作原理抽象难讲，各时序状态下信号的动态变化也很难用语言描述，学习者往往难以理解。传统的多媒体课件由于缺乏有效的交互和实时控制，也无法取得较好的效果[2]，大多实验由于受到硬件环境的制约，也不便于学习者随时随地行进学习、验证和应用。LabVIEW是图形化的编程语言，具有开发效率高、界面美观友好、扩展性强等特点[3]，利用LabVIEW针对微机原理课程教学和学习的需要，设计出友好的学习界面，学习者可实时操作，将信号时序直观的显示出来，并通过实验应用环节加深理解，不受时间、环境等因素限制。学习者在学习理论知识的同时，可以进行对照演示，在观察现象、分析实验结果的过程中强化对知识点的理解，有效地提高学习者的积极性和主动性[4]。

1 平台总体结构

自主学习平台以图形化编程语言LabVIEW为主体开发软件，把虚拟仪器引入教学及实验中，操作简单、形象直观。教师可以实时进行演示和讲解，学生可以自主选择学习内容，通过知识介绍、功能仿真演示、应用举例、问题分析等模块，逐步加深学习，增强学习兴趣，提高学习效率。学习平台的总体结构如图1所示。

2 平台设计实现

微机原理中接口部分内容枯燥难懂，而实验又受场地及实验条件的限制，一直是教学中的难点[5]，以74LS138译码器及可编程定时器/计数器Intel 8253等接口芯片为例，按模块分别介绍学习平台设计实现方法。

2.1 知识介绍模块

选择相关知识点进入知识介绍模块，了解课程中常用接口芯片的相关知识，如图2所示。选择74LS138译码器知识介绍，在前面板使用字符输出及图片输出控件，将芯片的功能、引脚等知识以文字和图片形式显示，使学习者在使用前熟悉其工作原理。

2.2 工作方式学习及仿真演示模块

微机原理是一门工程性和实践性很强的专业技术课程，掌握了相关芯片的工作方式，才能为后续的动手实践打下良好基础。本模块中将定时计数器8253、中断控制器8259、并行接口芯片8255等可编程接口的工作方式及时序变化进行虚拟仿真，学习者可根据需要自主选择相应方式进行学习，并通过演示功能进行交互体会见图3。选择8253定时计数器操作界面，8253的6种工作方式分放在6个选项卡中，在下拉列表中可选择正常计数、门控信号影响和重写入计数值3种过程，界面可图文并茂的显示相关文字说明和图例，单击演示按钮后即可打开演示窗口，学习者可通过设置不同参数实时显示出该工作方式下各种信号引起的时序变化情况。

仿真演示界面以8253工作方式四为例进行介绍，如图4所示。操作前面板设计中使用了数值输入、波形显示、布尔控制等控件，学习者可自行设置计数初值，选择重写入计数值，改变GATE门控信号、暂停等操作。实时观察OUT输出信号的变化，8253方式四为软件启动，不自动重复计数，写入控制字后OUT输出高电平，若GATE=1，则装入计数初值后立即开始计数，计数结束后，OUT输出一个CLK周期宽的负脉冲[6]。重写计数值及GATE信号变化对OUT输出的影响都可由学习者自行操作观察。整个仿真程序由一个While循环构成，由“退出”按钮控制循环结束，内部用一个While循环通过频率参数控制信号输出的速度[7]。时钟信号CLK、写信号WE、门控信号GATE、输出信号OUT、计数初值等变量进入循环体内，CLK信号在循环体中由移位寄存器回送并转向产生周期性变化的时钟信号[8]，循环体内通过多个CASE结构选择在重写入计数值、GATE信号变化及计数结束时对OUT输出信号的影响。

3 实验及应用举例

本模块按EL?I实验系统环境，对各接口实验实现模拟仿真。如图5所示为8255并行口实验模拟界面，学习者可打开实验说明了解实验内容，掌握实验原理，通过数字输入键设置8255工作方式控制字，下方对应的文本显示框中会实时显示出相应的工作方式，根据实验要求，写入控制字10010000B后，将A口设置为输入口，连接8个开关；B口设置为输出口，连接8个发光二极管，选择方式0工作[9]。可在CS0?CS7中任选一个与8255的选片信号CS8255相连，相应的端口地址如下文体框中显示，设置正确后可实时通过开关控制发光二极的状态。实验程序中提供了参考程序见图6。

4 结 语

利用LabVIEW将微机原理中各种时序关系及接口实验模拟仿真，能将枯燥抽象的理论变得生动可见；通过友好的操作界面可实时进行演示、验证，便于学生自主学习；LabVIEW开发虚拟实验效率高、成本低、本系统采用模块化程序设计，使得系统具有良好的扩展功能[10]，可极大地丰富微机原理教学方法，是一套很好的辅助教学工具，可以有效提高学生的学习兴趣，调动学生学习的主动性和积极性。

参考文献

[1] 冯博琴，吴宁.微机计算机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2] 张贞凯，田雨波，张娅丹.基于LabVIEW和Maltab的虚拟实验平台构建[J].现代电子技术，2013，36（6）：154?156.

[3] 郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4] 郑丹，王耀.电传动机车控制实验自主学习平台设计与实现[J].实验技术与管理，2012，29（6）：79?82.

[5] 吴荔清，娄胜南，张林涛.虚拟仪器技术在微机原理实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2007，5（3）：53?55.

[6] 吴秀清，周荷琴.微型计算机原理与接口技术[M].合肥：中国科技大学出版社，2000.

[7] 蒋漪涟.基于LabVIEW电子信息类实验教学系统的设计与实现[J].现代电子技术，2011，34（16）：152?154.

[8] 黄淑玲.计算机接口技术虚拟实验室系统设计与实现[J].现代计算机，2009（2）：180?182.

[9] 李干林，李升.微机原理及接口技术实验指导书[M].北京：北京大学出版社，2012.

[10] 聂伟，杨正.虚拟的模拟通信实验系统的设计与实现[J].现代电子技术，2014，37（15）：159?163.