[發明專利]基于現場可編程門陣列的便攜式綜合電子實驗平臺

在審

• 申請號: 201410837788.1
• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104504975A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發明（設計）人: 任艷頻;秦儉;李振剛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G09B23/18
• 分類號: G09B23/18
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于電子技術教學設備和虛擬儀器技術領域，特別涉及數字電路和模擬電路教學實驗裝置。

背景技術

數字集成電路(Digital?Integrated?Circuit,簡稱數字IC)從功能上分為通用型和專用型兩大類。

通用型的數字IC在出廠之后，設計者可以基于它實現各種各樣的具體應用。例如，一片與非邏輯運算IC，既可以用于實現加法運算電路，又可以用于實現多人表決器電路。但這片IC始終實現與非邏輯運算，不能通過編程設定來實現其它邏輯運算。

專用型的數字IC則針對特定的應用而設計。例如，為數字稱重計專門設計的IC，它只能用于開發和數字稱重有關的應用；為媒體播放而專門設計的IC，它主要應用于媒體播放設備中。

通用型的數字IC的特點是生產批量大，單片的生產成本低。而專用型的數字IC針對特定的應用生產，批量相對較小，單片的生產成本高。

FPGA(現場可編程門陣列Field?Programmable?Gate?Array)芯片是專用型數字IC發展的一個分支，是一種可編程邏輯器件。一方面，FPGA按通用器件進行生產，并非針對特定應用而定制，它具有通用型數字IC生產成本低的特點；另一方面，在FPGA芯片出廠之后，設計者可以對它的邏輯功能進行編程設定，獲得具體應用的單芯片解決方案，從而兼具專用型IC的優點。隨著半導體工藝的不斷發展，IC的集成度不斷提高，單片FPGA內可以集成越來越多的邏輯單元。通過對這些邏輯單元進行配置和連接，利用單片FPGA就可以實現很多復雜的特定應用。

作為數字集成電路的最新發展分支，目前FPGA已經在電子產品開發中得到越來越多的應用。FPGA的組成和工作原理以及基于FPGA的數字電路設計，已經成為高校電子技術相關課程的一個重點教學內容。

目前，在電子技術課程的教學實驗環節，如清華大學自動化系本科階段的數字電路實驗、模擬電路實驗、電子技術課程設計等，為每個學生配備一套實驗設備，包括直流穩壓電源、數字信號發生器、數字示波器、FPGA開發板。

其中直流穩壓電源為學生的數字和模擬實驗電路提供5V、±12V等常用的直流電源供電。數字信號發生器為實驗電路提供輸入信號。數字示波器用于對實驗電路中各點的波形進行觀測。

這些設備在市場上都已經有成熟的產品，可以滿足學生在實驗室開展電子技術實驗的需求，但由于它們體積大、重量重且價格昂貴，不適合給每位學生都配備一套，以便在實驗室以外的地方便攜式使用。而為了更好地培養學生的創新精神和實踐動手能力，需要為學生創造更自由的實驗空間和更開放的實驗環境，支持隨時隨地的自主實驗探究。

隨著現代電子測量技術的發展，一種基于集成電路與計算機技術的新型儀器——虛擬儀器(Virtual?Instrument，簡稱VI)應運而生。這是一種計算機儀器系統，與傳統的儀器相比，它擁有更多的功能、更高的處理速度、更大的帶寬、更友善的界面，并且體積小、擴展性好。虛擬儀器一般基于計算機(PC)平臺，因此可以方便地使用PC的軟硬件資源，并且具有靈活的數據處理能力。將虛擬儀器引入到高校實驗教學中，可有效降低實驗儀器成本，并提高實驗教學水平與教學質量，是高校實驗課程改革與發展的新趨勢。

虛擬儀器技術出現于20世紀80年代末90年代初。一方面，它通過I/O接口設備完成信號的采集、測量與調理，然后利用PC強大的計算能力實現信號數據的運算、分析和處理，從而完成各種測試功能。另一方面，它利用PC上的顯示界面模擬傳統的測試儀器控制面板，以多種形式輸出測試結果。

LabVIEW(Laboratory?Virtual?Instrument?Engineering?Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺)是業界主流的利用PC的虛擬儀器開發平臺，它由美國NI(National?Instrument)公司推出。LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發程序軟件，目前已廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，被公認為標準的數據采集和儀器控制程序軟件。利用LabVIEW，可以很方便地建立起自己所需的虛擬儀器。

LabVIEW采用面向對象設計方法，同時具有極好的模塊化性能，用它編寫的程序被稱為VI,由交互式用戶接口、數據流程圖和圖標連接端口構成。一個VI既可以作為單獨的程序來運行，也可以作為其它程序的子程序來調用。

用LabVIEW設計的虛擬儀器可脫離LabVIEW開發程序軟件，最終用戶可以在PC機屏幕上看見的是和實際的數字信號發生器、數字示波器相似的控制面板。