虛擬仿真技術(shù)在項目式綜合測控系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

梁 勇

（桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 綜合測控系統(tǒng)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

綜合測控系統(tǒng)實驗教學(xué)是高校測控類專業(yè)教學(xué)中非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論教學(xué)的延續(xù)拓展和深化，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，提高就業(yè)競爭力有著極其重要的作用［1］。目前各高校測控專業(yè)在實踐教學(xué)中多以課內(nèi)實驗、課程設(shè)計等形式進(jìn)行。課內(nèi)實驗的項目和內(nèi)容設(shè)置普遍為分立的驗證性和簡單的設(shè)計性實驗，而且通常附屬于相關(guān)的理論課程，難免各自為戰(zhàn)，不能統(tǒng)籌考慮不同課程實驗間的相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)性不強(qiáng)，也容易造成內(nèi)容設(shè)置上的重疊或缺失［2］。這種單一的實驗往往針對某一門課程的特點而設(shè)計，內(nèi)容簡單，實驗步驟明確，學(xué)生思維被限制在教師所設(shè)計的實驗框架的狹小范圍內(nèi)，所做的僅僅是被動的驗證工作，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力［3］，很難發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，難以適應(yīng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求。

此外，各學(xué)校的大多數(shù)實驗依賴于成套的商品化實驗設(shè)備，這些設(shè)備減少了教師的實驗前期的準(zhǔn)備工作量，但存在著實驗容易停留在按圖接線、記錄數(shù)據(jù)等認(rèn)知性、驗證性實驗的層面上，對提升學(xué)生的動手能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的作用有限［4］。課程設(shè)計通常選擇綜合本課程主要知識點的課題來完成理論計算、原理性設(shè)計和仿真調(diào)試，對提高學(xué)生基本設(shè)計能力起到了一定的作用，但由于課時安排、實驗難度等原因，多數(shù)未能做出實物進(jìn)行調(diào)試，這對于設(shè)計和調(diào)試系統(tǒng)能力的培養(yǎng)會有所欠缺。

為此，本文以Proteus與LabVIEW軟件為核心，對綜合測控系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗教學(xué)，用構(gòu)建的虛擬測控電路以及單片機(jī)系統(tǒng)代替實驗箱的硬件電路，用LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集界面設(shè)計，如此有利于增強(qiáng)學(xué)生對測控系統(tǒng)構(gòu)建的感性認(rèn)識［5］。在實驗過程中鼓勵學(xué)生采用其他常用款式的單片機(jī)代替已用類型，有效調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)能動性，進(jìn)一步提高了學(xué)生的科研能力及創(chuàng)新能力，同時增加實驗開放的受益面［6］，為綜合測控系統(tǒng)教學(xué)提供一個應(yīng)用范例。

2 Proteus與LabVIEW特點

Proteus是英國Labcenter Electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件，由ISIS和ARES 2個軟件構(gòu)成，其中ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺軟件，ARES是一款高級的布線編輯軟件。Proteus的基本結(jié)構(gòu)包括2大部分，即Proteus虛擬系統(tǒng)模型和Proteus印刷電路板設(shè)計。Proteus不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模／數(shù)混合電路的設(shè)計與仿真平臺，更是一種多種型號微控制器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺，它真正實現(xiàn)了在計算機(jī)上完成從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB的完整的電子設(shè)計、研發(fā)的全過程。Proteus已在設(shè)計、生產(chǎn)和教育等領(lǐng)域得到廣泛使用［7］。

LabVIEW 是美國 NI（National Instrument）公司推出的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，它是一種圖形化編程語言，已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、學(xué)術(shù)領(lǐng)域和實驗室等，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用LabVIEW可以很方便地建立自己的虛擬儀器系統(tǒng)，其圖形化的界面使得編程及使用過程都形象生動。圖形化的程序語言，又稱為“G”語言，使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是程序框圖，只要準(zhǔn)確連線即可。

一個LabVIEW應(yīng)用程序包括前面板（frontpanel）、流程圖（block diagram）以及圖標(biāo)／連結(jié)（icon／connector）3部分。前面板是圖形用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和輸出顯示，其作用是仿真實際的儀器面板。流程圖提供虛擬儀器的圖形化源程序，在流程圖中進(jìn)行編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。圖標(biāo)／連結(jié)部分用于將LabVIEW程序定義成一個子程序，以便被其他程序作為模塊調(diào)用［8］。

3 虛擬仿真技術(shù)在測控系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用的優(yōu)勢

在測控電路的教學(xué)中，如果學(xué)生動手不多，很難理解相應(yīng)理論。雖然有實驗，但大多為驗證性實驗，而且課時有限，并且往往做實驗時忘了理論分析，難以做到即時驗證理論。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)，能夠快速、完整地構(gòu)建出實驗的原理圖，并且能夠完美地進(jìn)行實驗過程的仿真，實時顯示實驗結(jié)果，是提高教學(xué)效率和效果的好方法。

與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的預(yù)習(xí)相比，用Proteus仿真軟件與LabVIEW進(jìn)行虛擬測控系統(tǒng)實驗、實訓(xùn)與課程設(shè)計的預(yù)習(xí)時，具有如下比較明顯的優(yōu)勢［9］：

（1）激發(fā)學(xué)生對測控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生從電路圖設(shè)計到仿真再到PCB設(shè)計，都可以利用該軟件完成，克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中手抄預(yù)習(xí)實驗報告的枯燥以及學(xué)生不能更改的局限性，可以拓展學(xué)生的思路、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。

（2）硬件方面投入費(fèi)用少，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯［10］。Proteus支持ARM、PIC、AVR及51系列的微處理器CPU模型，較傳統(tǒng)實驗教學(xué)省去了購買各種系列單片機(jī)的費(fèi)用。在Proteus所提供的元件庫中，大部分元件可以直接用于接口電路的搭建，并且這些標(biāo)準(zhǔn)元件都是可靠和經(jīng)濟(jì)的。如果在實驗教學(xué)中使用真實的儀器和元件，元件的損壞和儀器的維護(hù)所需的費(fèi)用和工作量也是比較大的。使用Proteus軟件進(jìn)行實驗可減少元器件的損耗，實驗過程比較安全。

（3）操作簡單。Proteus仿真軟件簡單易學(xué)，仿真調(diào)試真實，可滿足學(xué)生對電路設(shè)計及程序設(shè)計的學(xué)習(xí)的需要。

綜上所述，僅就學(xué)生實驗預(yù)習(xí)而言，基于Proteus的測控系統(tǒng)的預(yù)習(xí)比傳統(tǒng)預(yù)習(xí)方式在諸多方面都有了改善，既節(jié)省硬件方面的開支，又達(dá)到了很好的預(yù)習(xí)效果，并且簡單易學(xué)，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新能力有很大幫助。

3.1 測控系統(tǒng)綜合實驗設(shè)計框架

測控系統(tǒng)綜合實驗從傳感器開始，包括測量放大電路、信號調(diào)理電路、MCU系統(tǒng)、PC機(jī)上LabVIEW信號采集界面設(shè)計等。基本上涵蓋了測控系統(tǒng)的全部專業(yè)課程知識，把所涉及到的知識通過一個綜合型項目的形式有機(jī)地連貫起來，做到融會貫通，從而達(dá)到應(yīng)用型實驗教學(xué)目的，測控系統(tǒng)綜合實驗的設(shè)計框架見圖1。

圖1 測控系統(tǒng)綜合實踐設(shè)計框架

3.2 儀表放大器的實例應(yīng)用與Proteus7.5仿真

如圖2所示，設(shè)計一個儀表放大器，其中傳感器用一個信號源直接輸出一個交流小信號來表示，運(yùn)放的電源電壓為12V。

圖2 Proteus7.5仿真的儀表放大器

圖2是目前廣泛應(yīng)用的高共模抑制比放大電路［11］。高共模抑制比放大電路由3個集成運(yùn)算放大器（U2、U3和U5）組成，其中U5和U2為2個性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器OP07E，構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級。U3構(gòu)成雙端輸入差動放大電路，用來進(jìn)一步抑制U5和U2的共模信號，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。

根據(jù)運(yùn)算放大器的基本分析方法，容易得到U3的輸出為［12］

式中ui1和ui2表示2個差動輸入電壓，uo1和uo2表示2個差動輸出電壓。

將圖2中的電阻值代入式（1），可以得出uo＝25×（uo2－uo1），故電路有25倍差模放大能力，同時能抑制共模信號。

電平抬升電路（見圖3）是利用反相加法器電路實現(xiàn)的。因為前級交流信號出現(xiàn)負(fù)值無法被A／D轉(zhuǎn)換電路采集，因此需要對交流信號電平提升。

圖3 Proteus7.5仿真的電平抬升電路

通過Proteus7.5仿真得到的儀表放大器和電平抬升電路的輸出信號在示波器上顯示的波形如圖4所示。

圖4 Proteus7.5仿真波形圖

圖4中（a）圖是輸入峰峰值為80mV的小信號（－40mV～40mV），是模擬傳感器的輸出信號，也是儀表放大器的輸入信號。經(jīng)過儀表放大器放大25倍后，峰峰值達(dá)到2V（－1.00V～999.91mV），如圖4中（b）圖所示。由于A／D轉(zhuǎn)換器無法采集負(fù)電壓，因此需要電平抬升電路。根據(jù)儀表放大器輸出電壓，電平需要提升1V即可（此仿真電路僅根據(jù)這次信號輸入需要，但是只要保證電平提升范圍在A／D的采集范圍以內(nèi)都行）。電平提升后的波形如圖4（c）所示（－6.32mV～1.99V）。從理論設(shè)計和示波器顯示結(jié)果來看，Proteus仿真比較成功。

Proteus仿真軟件更強(qiáng)大的功能是能進(jìn)行51系列單片機(jī)、ARM7、AVR、PIC等各種微處理器的仿真。我們用最基礎(chǔ)的51系列單片機(jī)來實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的采集，如圖5所示。

圖5 Proteus7.5仿真單片機(jī)信號采集系統(tǒng)

A／D轉(zhuǎn)換用0808（最新的是0809，但是軟件僅提供0808仿真模型，時序功能都一樣）。單片機(jī)采集到的波形數(shù)據(jù)用串口進(jìn)行發(fā)送，將波形數(shù)據(jù)發(fā)送給Lab－VIEW上位機(jī)數(shù)據(jù)采集界面。不過他們之間需要一個橋梁，通過虛擬串口軟件VSPD來連接Proteus仿真與LabVIEW采集。

3.3 LabVIEW上位機(jī)采集系統(tǒng)測試效果

從圖6所示的Proteus7.5的頻譜分析和Lab－VIEW波形采集界面可見，采集波形與Proteus仿真波形、頻率和幅值保持一致。

圖6 LabVIEW波形采集界面與Proteus7.5頻譜分析

綜上所述，我們完全能夠利用仿真工具實現(xiàn)儀表放大器的原理設(shè)計、應(yīng)用、信號采集以及波形顯示，能夠更加有效地在課程教學(xué)和實驗中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析和應(yīng)用，讓學(xué)生學(xué)習(xí)利用仿真工具進(jìn)行初步設(shè)計和驗證。事實上，該應(yīng)用系統(tǒng)的分電路模塊均是本專業(yè)相關(guān)實驗內(nèi)容。

4 結(jié)束語

基于虛擬仿真技術(shù)的綜合測控系統(tǒng)實現(xiàn)了理論與實踐的緊密結(jié)合，利用計算機(jī)仿真，化難為易，變抽象為具體，使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性大大提高。但由于虛擬器件存在著虛擬的特點，在真實性方面與實際的儀器儀表存在著比較大的差距，因而并不能完全替代傳統(tǒng)的實驗儀器和手段，所以在實際的教學(xué)過程中，計算機(jī)仿真只是輔助的一種教學(xué)手段。教學(xué)實踐表明，在實驗前，應(yīng)該先讓學(xué)生利用虛擬仿真技術(shù)做預(yù)習(xí)，這樣既能減少枯燥無味的手抄預(yù)習(xí)報告的工作，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，而且?guī)е抡娼Y(jié)果再去做實驗會有很高的效率和很好的效果。另外，通過計算機(jī)仿真，明顯減少了在搭建實驗電路過程中的錯誤。經(jīng)過多年實際操作實踐，該方法獲得大部分學(xué)生的歡迎，實踐效果明顯改善。

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