基于LabVIEW與Multisim的電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉偉玲，楊彩雙，楊澤青，王澤華

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300000）

對(duì)于電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)是兩門(mén)對(duì)動(dòng)手能力和實(shí)踐思維要求很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課，偏重工程應(yīng)用，較少研究純理論性的問(wèn)題。LabVIEW是一個(gè)以圖形化語(yǔ)言G語(yǔ)言為基礎(chǔ)的編程軟件，用戶(hù)可以按照自己的需求方便地搭建屬于自己的儀器。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)結(jié)合所建立的基于因特網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)搭建、電路仿真、遠(yuǎn)程操作的平臺(tái)能將模擬電路實(shí)驗(yàn)與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集到服務(wù)器內(nèi)并進(jìn)行測(cè)量與處理，因此通過(guò)Multisim的完善的電路仿真功能與LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力相結(jié)合，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建B/S結(jié)構(gòu)的仿真類(lèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1-2]，能將結(jié)果發(fā)送到遠(yuǎn)程的Web界面上形成網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)擺脫了時(shí)間與空間的制約，提高了設(shè)備利用率，也激發(fā)了同學(xué)們親自參與實(shí)驗(yàn)、自主學(xué)習(xí)的熱情。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一款開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以結(jié)合NI Multisim進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)板載電路的測(cè)量與仿真。學(xué)生可以利用Multsim進(jìn)行3D仿真電路圖的繪制并進(jìn)行連通性驗(yàn)證，然后在ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建實(shí)驗(yàn)電路。由于ELVIS具有豐富的資源和可更換的原型設(shè)計(jì)板，學(xué)生們可以根據(jù)需要變更電路原件的參數(shù)，既加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，也培養(yǎng)了動(dòng)手實(shí)踐能力。NI DAQ設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是遠(yuǎn)程訪問(wèn)技術(shù)，利用RDA（remote device access）技術(shù)可以將DAQ設(shè)備放到網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行共享，即在搭建完成硬件后，學(xué)生們可以共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且可以和在本地控制設(shè)備一樣地在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)DAQ設(shè)備進(jìn)行控制，提高了設(shè)備的利用率。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure

1.1 Multisim電路設(shè)計(jì)與仿真流程

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的一款電路仿真軟件，可以進(jìn)行電路原理圖的繪制，擁有強(qiáng)大的仿真能力與電路分析能力。Multisim利用軟件給客戶(hù)提供與真實(shí)器件參數(shù)一致的元件庫(kù)和仿真虛擬儀器進(jìn)行各種數(shù)字電路與模擬電路的設(shè)計(jì)和仿真，基于Multisim的實(shí)驗(yàn)研究流程[3]如圖2所示。

圖2 基于Multisim的實(shí)驗(yàn)研究方法流程Fig.2 Flow chart experimental research methods based on Multisim

1.2 LabVIEW與Multisim聯(lián)合仿真

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)兩大類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)?zāi)K[4]。通過(guò)在繪制好的Multisim電路中插入LabVIEW-Multisim聯(lián)合仿真端子，可實(shí)現(xiàn)在仿真過(guò)程中修改電路參數(shù)，且可以在LabVIEW的前面板中自定義控件，顯示更加直觀。LabVIEW軟件在數(shù)據(jù)的處理、采樣與保存上有著很強(qiáng)大的功能。利用NI的仿真與控制模塊和Multisim的HS/BC接口將LabVIEW與Multisim電路結(jié)合起來(lái)。可以實(shí)現(xiàn)在仿真的過(guò)程中修改電路元件的參數(shù)，觀察到電路的各種不同的情況。

1.3 模擬電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

為了更好地配合教材，選擇搭建運(yùn)算放大電路、基本共射級(jí)放大電路、全橋?yàn)V波電路、電流源這4個(gè)包括信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)放大、信號(hào)處理與傳輸過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生全面了解模擬電路的脈絡(luò)，把握課程的重點(diǎn)。下面以同相比例運(yùn)算放大實(shí)驗(yàn)為例講述建立過(guò)程。

同相比例運(yùn)算放大實(shí)驗(yàn)通過(guò)例子使同學(xué)們明白集成運(yùn)算放大器的使用方法和“虛短”、“虛斷”的概念，熟練掌握比例運(yùn)算放大電路的計(jì)算。同相運(yùn)算放大電路與反相運(yùn)算放大電路的差別在于信號(hào)輸入端的不同，分別實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同相比例和反相比例放大。圖3所示的電路分別為同相比例電路和反相比例電路的一般形式。Ui是輸入的正弦信號(hào)，Uo是輸出的正弦信號(hào)，RF是反饋電阻，R1是同相輸入端的電阻，R2是反相輸入端的電阻。

圖3 比例運(yùn)算電路Fig.3 Proportional calculation circuit

由于采用的運(yùn)算放大器是理想放大器，所以不存在非線性的失真情況。利用“虛假短路”和“虛假斷路”的知識(shí)可以推導(dǎo)出同相比例運(yùn)算電路和反相比例運(yùn)算電路的輸入和輸出電壓的關(guān)系：

在Multisim中搭建圖3的比例運(yùn)算電路，并添加LabVIEW交互接口來(lái)實(shí)現(xiàn)和LabVIEW之間數(shù)據(jù)的交流。添加HB/SC接口之后的比例運(yùn)算放大電路[5]如圖4所示，其中輸入端子通過(guò)與LabVIEW的輸入控件進(jìn)行連接，為比例運(yùn)算提供輸入電壓與工作電壓，輸出端子可以與LabVIEW中的輸出控件進(jìn)行連接，如接波形圖顯示控件與數(shù)值顯示控件，當(dāng)啟動(dòng)仿真以后，通過(guò)修改相關(guān)電阻的大小來(lái)修改電路的放大系數(shù)，也可以修改比例運(yùn)算放大電路輸入電壓的大小，輸出電壓的波形可以在波形圖中進(jìn)行直觀的觀察。

圖4 同相比例運(yùn)算仿真電路Fig.4 Same proportional calculation circuit

建立新的VI，將Multisim Design拖入到控制與仿真循環(huán)中，修改仿真時(shí)間參數(shù)，設(shè)計(jì)前面板的輸入與顯示控件，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，觀察到的前面板[6]如圖5所示，可以看到輸入電壓波形與輸出電壓波形2條曲線，電壓的放大倍數(shù)與推導(dǎo)的公式完全一致，從而驗(yàn)證了前文的推導(dǎo)結(jié)果。

圖5 仿真電路前面板Fig.5 Front panel of emulation circuit

1.4 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

數(shù)字電路具有邏輯運(yùn)算和邏輯處理功能，所以又稱(chēng)為數(shù)字邏輯電路。存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。從整體上看，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類(lèi)。下面通過(guò)奇偶校驗(yàn)電路、優(yōu)先編碼器、38譯碼器、六進(jìn)制計(jì)數(shù)電路這4個(gè)由淺入深的實(shí)驗(yàn)來(lái)介紹這2種數(shù)字電路，首先以計(jì)數(shù)器為例講述搭建過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)選擇異步清零二一五進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90，外形為雙列直插，計(jì)數(shù)脈沖由單次脈沖源提供，如果從CP2端輸入，從Q3，Q2，Q1輸出，則是異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，芯片的管腳圖與功能表如圖6和表1所示。按照管腳圖所示接好外圍的線路，就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[7]，在A輸入接入開(kāi)關(guān)，當(dāng)每次按下開(kāi)關(guān)并斷開(kāi)時(shí)代表一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，輸出接入LED，通過(guò)觀察LED燈亮的狀態(tài)來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)74LS90芯片的輸出是從0到5的循環(huán)，當(dāng)?shù)?后在按下開(kāi)關(guān)時(shí)，輸出全為0，即輸出一共有6個(gè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了6進(jìn)制計(jì)數(shù)功能。

表1 74LS90功能表Tab.1 Function table of 74LS90

圖6 74LS90管腳圖Fig.6 74LS90 pin map

由功能表可知74LS90實(shí)現(xiàn)任意模數(shù)計(jì)數(shù)器的方法是反饋歸零法，當(dāng)74LS90的MR1與MR2管腳同時(shí)置1時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)異步清零。六進(jìn)制是從0000到0110，所以當(dāng)計(jì)數(shù)值為0110時(shí)，利用中間的計(jì)數(shù)器異步清零，然后重新從0000開(kāi)始計(jì)數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能，LabVIEW仿真實(shí)驗(yàn)的前面板如圖7所示。按下計(jì)數(shù)按鈕，數(shù)碼管的數(shù)值從0增長(zhǎng)到5后又回到0，實(shí)現(xiàn)了六進(jìn)制計(jì)數(shù)的功能。

圖7 六進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)前面板Fig.7 Experience front panel of hex counter

在利用LabVIEW進(jìn)行電路仿真之后，雖然得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是這是建立在虛擬元器件的基礎(chǔ)之上的，要想獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就需要搭建真實(shí)的實(shí)驗(yàn)電路。以NI ELVIS為核心的電路硬件平臺(tái)結(jié)合Multisim的電路，利用Multiism的3D仿真連線功能繪制出3D電路圖[8]，搭建仿真電路檢查連通性無(wú)誤后就可在ELVIS上進(jìn)行硬件的連線搭建對(duì)應(yīng)的電路，從而驗(yàn)證仿真的結(jié)果。

1.5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

為了提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安全性和降低人工巡檢的成本，保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)服務(wù)器和ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的安全，同時(shí)又不能增加相應(yīng)的人力成本，開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。利用傳感器與測(cè)量技術(shù)結(jié)合LabVIEW的視頻采集功能開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控、溫度測(cè)量和煙霧報(bào)警功能[9]。

1.6 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交模塊

在本科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，完成課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告一直是不可或缺的。然而，大部分學(xué)校的提交報(bào)告的方式仍然是提交紙質(zhì)版的報(bào)告，難于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理。為此，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在LabVIEW的Web服務(wù)器的基礎(chǔ)上搭建了FTP服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交和管理[11]。為了方便進(jìn)行用戶(hù)管理和維護(hù)服務(wù)器，選用Serv-U軟件，其用戶(hù)界面符合Windows的標(biāo)準(zhǔn)親切友好，支持實(shí)時(shí)的多用戶(hù)連接，可通過(guò)LabVIEW的用于執(zhí)行系統(tǒng)命令的System Exec子VI調(diào)用執(zhí)行。

1.7 遠(yuǎn)程Web訪問(wèn)

通過(guò)利用Web發(fā)布和動(dòng)態(tài)調(diào)用遠(yuǎn)程前面板來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的VI發(fā)布功能，即登錄頁(yè)面通過(guò)加載到內(nèi)存中的形式發(fā)布到Web服務(wù)器中，當(dāng)用戶(hù)輸入U(xiǎn)RL時(shí)即可進(jìn)入登錄頁(yè)面，當(dāng)輸入正確的用戶(hù)名與密碼時(shí)，會(huì)響應(yīng)遠(yuǎn)程前面板連接，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境界面就會(huì)彈出，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)用遠(yuǎn)程前面板可以使相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)VI在需要時(shí)調(diào)用并加載到內(nèi)存中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)調(diào)用結(jié)束又會(huì)釋放一部分的內(nèi)存，節(jié)省了內(nèi)存的消耗與占用。

2 結(jié)語(yǔ)

基于Multisim與LabVIEW的電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)時(shí)性得到了提高，界面也更加友好，加快了對(duì)電路模型的驗(yàn)證，彌補(bǔ)了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)地的不足，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)登錄界面的設(shè)計(jì)、文件服務(wù)器系統(tǒng)的搭建和VI程序的遠(yuǎn)程發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的功能[11]。LabVIEW具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，除了與Multisim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真開(kāi)發(fā)電路實(shí)驗(yàn)外，還可以用于遠(yuǎn)程單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)今后還可以增加FPGA模塊用于實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的切換，還可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化從而實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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