兩種軟件聯(lián)合仿真在電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

汪 源， 王良成， 王連勝

(三亞學(xué)院 理工學(xué)院, 海南 三亞 572022)

兩種軟件聯(lián)合仿真在電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

汪 源， 王良成， 王連勝

(三亞學(xué)院 理工學(xué)院, 海南 三亞 572022)

本文介紹了LabVIEW聯(lián)合Multisim的仿真方法，利用兩種軟件的優(yōu)勢(shì)，大大擴(kuò)展了仿真的適用領(lǐng)域和范圍，使以往的電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以直接仿真的實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)使數(shù)據(jù)在仿真時(shí)可實(shí)時(shí)地在軟件間進(jìn)行傳輸，真正達(dá)到了實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)仿真。聯(lián)合的結(jié)果豐富了電子類教學(xué)的資源，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新意識(shí)。

LabVIEW；Multisim；聯(lián)合仿真

0 引言

實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench)是由美國國家儀器公司(NI公司)所開發(fā)的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。它采用數(shù)據(jù)流的編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。LabVIEW主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域[1]。

Multisim是一款用于原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的仿真軟件，可以虛擬設(shè)計(jì)測(cè)試和演示各種電子電路(電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路等)，具有豐富的仿真分析能力。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試的完整綜合設(shè)計(jì)流程。

電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用中，LabVIEW軟件的優(yōu)勢(shì)在于可以按照實(shí)際的需要設(shè)計(jì)“虛擬儀器”，用于產(chǎn)生、采集和處理各種信號(hào)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能，且儀器界面友好和美觀，但LabVIEW不能進(jìn)行電子電路的仿真；

Multisim軟件的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)各類電子電路進(jìn)行仿真并進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試，但對(duì)于特殊信號(hào)的產(chǎn)生(如非正弦的周期信號(hào)、公式信號(hào)等)、對(duì)輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理(如仿真產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他物理信號(hào)、最大功率傳輸問題中負(fù)載大小的判斷等)等方面存在缺陷。

Multisim被NI公司收購以后，其性能得到了較大的提升，最大的改變就是Multisim 與LabVIEW的完美結(jié)合，使其具有以下新特點(diǎn)：①可以根據(jù)自己的需求制造出真正屬于自己的儀器；②所有的虛擬信號(hào)都可以通過計(jì)算機(jī)輸出到實(shí)際的硬件電路上；③所有硬件電路產(chǎn)生的結(jié)果都可以傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析。用戶可以創(chuàng)建輸入儀器(Multisim輸入數(shù)據(jù)到基于LabVIEW的儀器)或者輸出儀器(基于LabVIEW的儀器輸出數(shù)據(jù)到Multisim)。改進(jìn)后，LabVIEW和Multisim之間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、功能融合得到了更好地實(shí)現(xiàn)，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合仿真[2]。

1 聯(lián)合仿真方法

在電子類實(shí)驗(yàn)中，基于LabVIEW和Multisim的聯(lián)合仿真方法有兩種：一種為基于LabVIEW環(huán)境調(diào)用Multisim虛擬儀器，另一種為基于Multisim環(huán)境調(diào)用LabVIEW虛擬儀器[2-4]。前一種方法在文獻(xiàn)[4]中已有較為詳細(xì)的描述，本文將以“溫度采集模擬系統(tǒng)”為例詳細(xì)描述后一方法，即基于Multisim環(huán)境調(diào)用LabVIEW虛擬輸入儀器，調(diào)用LabVIEW虛擬輸出儀器的步驟可類似得出，方法共分如下5步[6]。

1)搭建編程環(huán)境

安裝Multisim10.0或以上版本軟件及LabVIEW8.0或以上版本軟件(注意：在安裝Multisim過程中需安裝NI LabVIEW-Multisim Co-simulation插件)。

2)構(gòu)建模板項(xiàng)目(基于LabVIEW環(huán)境)

(1)將LabVIEW的安裝目錄中samplesLabVIEW InstrumentsTemplatesInput (若為Window7或以上操作系統(tǒng)，目錄為C:UsersPublicDocumentsNational Instruments Circuit Design Suite 11.0samplesLabVIEW InstrumentsTemplates)文件夾復(fù)制并重新命名為“溫度傳感器”；

(2)將其中“Starter Input Instrument.lvproj”項(xiàng)目文件重新命名為“溫度傳感器.lvproj”，并打開；

(3)將“Starter Input Instrument.vit”重新命名為“溫度傳感器Instrument.vit”；

(4)將“Starter Input Instrument_multisimInformation.vi”重新命名為“溫度傳感器Instrument_multisimInformation.vi”(注意：必須保持“_multisimInformation.vi”的擴(kuò)展名)；

(5)保存項(xiàng)目。

3)指定界面信息(基于LabVIEW環(huán)境)

打開“溫度傳感器Instrument_multisimInformation.vi”，輸入下列信息：Instrument ID =“溫度傳感器”，Display name =“溫度傳感器”，Number of input pins =“1”，Input pin names =“In”，并保存關(guān)閉VI文件。

注意：有效的儀器只能擁有輸入管腳或輸出管腳，否則為無效的儀器。

4)創(chuàng)建輸入儀器(基于LabVIEW環(huán)境)

(1)構(gòu)建儀器的前面板——打開“溫度傳感器Instrument.vit”，構(gòu)建如圖1所示的前面板；

圖1 輸入儀器的前面板

(2)完成儀器的程序框圖——按溫度傳感器對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換要求完成儀器的程序框圖設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖2所示(注意：創(chuàng)建輸出儀器的過程非常相似，只需要將所有需要發(fā)送到Multisim的數(shù)據(jù)連接到Update Initial Output Data的條件結(jié)構(gòu)分支中被命名為Multisim輸出管腳的控件上即可)；

(3)保存VI，并且關(guān)閉前面板和程序框圖；

(4)構(gòu)建輸入儀器——展開Build Specifications，并雙擊打開Source Distribution，選擇“Distribution Settings”條目，將Distribution Directory改為 ...溫度傳感器Build溫度傳感器.llb，完成后保存項(xiàng)目并關(guān)閉LabVIEW。

注意：不要?jiǎng)h除VI前面板上的控件或程序框圖

圖2 輸入儀器的程序框圖

中的代碼，模板中的一切內(nèi)容都是在Multisim和基于LabVIEW儀器間進(jìn)行通信所需要的。

5)安裝輸入儀器(基于Multisim環(huán)境)

在Multisim內(nèi)使用的儀器都在Multisim安裝包中提供。

(1)將構(gòu)建的輸入儀器“溫度傳感器.llb”復(fù)制到Multisim安裝目錄中“l(fā)vinstruments”文件夾中；

(2)啟動(dòng) Multisim，從儀器工具欄的LabVIEW類型或者從Simulate 菜單(Simulate > Instruments > LabVIEW Instruments >溫度傳感器)，訪問輸入儀器“溫度傳感器”；

(3)在Multisim中構(gòu)建如圖3所示的溫度采集模擬系統(tǒng)電路，并將電路輸出的電信號(hào)輸入到“溫度傳感器”輸入儀器中(圖3中XLV1控件)。

圖3 Multisim中構(gòu)建溫度采集模擬系統(tǒng)的電路

2 電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 基于Multisim環(huán)境調(diào)用LabVIEW虛擬儀器

按照上述的聯(lián)合仿真方法，在Multisim程序中設(shè)計(jì)相應(yīng)的電子電路，虛擬產(chǎn)生與實(shí)際電路相似的電信號(hào)，通過調(diào)用LabVIEW虛擬儀器的方法將該電信號(hào)輸入LabVIEW程序進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的物理信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。

上述的“溫度采集模擬系統(tǒng)”案例中，Multisim程序通過對(duì)如圖3所示的電子電路進(jìn)行仿真得到溫度傳感器采集并進(jìn)行放大的電壓信號(hào)，將該電壓信號(hào)輸入到“溫度傳感器”輸入儀器中，Multisim程序?qū)?shí)時(shí)調(diào)用LabVIEW程序?qū)﹄妷褐颠M(jìn)行如圖2所示的數(shù)值運(yùn)算，得到與之對(duì)應(yīng)的溫度值，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在“溫度傳感器”輸入儀器的面板上，結(jié)果如圖4所示。

圖4 “溫度傳感器”輸入儀器運(yùn)行結(jié)果

注意：如果需要構(gòu)建或使用連接到實(shí)際I/O上的儀器(如DAQ、GPIB、串口、文件等)，請(qǐng)考慮仿真時(shí)間(與SPICE Tmax、電原理圖復(fù)雜度、CPU速度等有關(guān))與“實(shí)時(shí)”之間的關(guān)系；輸出儀器不能在仿真運(yùn)行時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ultisim，因此數(shù)據(jù)采集、生成等需要在開始SPICE仿真前完成(如先使用麥克風(fēng)記錄數(shù)據(jù)，然后開始仿真)。

此外，Multisim軟件中自帶了部分可以調(diào)用的LabVIEW虛擬輸入儀器和虛擬輸出儀器，利用這些LabVIEW虛擬儀器可以大大擴(kuò)展Multisim軟件仿真的運(yùn)用領(lǐng)域，豐富電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。圖5和圖6展示的是基于Multisim環(huán)境調(diào)用LabVIEW虛擬輸出儀器“信號(hào)發(fā)生器”來產(chǎn)生鋸齒波的案例，此外還可根據(jù)實(shí)際情況自定義LabVIEW虛擬儀器來滿足聯(lián)合仿真的需要。

圖5 LabVIEW虛擬輸出儀器“信號(hào)發(fā)生器”

圖6 Multisim中調(diào)用“信號(hào)發(fā)生器”產(chǎn)生鋸齒波

通過Multisim環(huán)境調(diào)用LabVIEW虛擬儀器將Multisim進(jìn)行電子電路信號(hào)處理的功能和LabVIEW進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和結(jié)果顯示的功能有機(jī)、實(shí)時(shí)地結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了其它虛擬仿真軟件不能實(shí)現(xiàn)的功能，為傳感器電路信號(hào)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換、電子電路信號(hào)的實(shí)時(shí)處理等提供了簡(jiǎn)單、有效的虛擬仿真方法。

2.2 基于LabVIEW環(huán)境調(diào)用Multisim虛擬儀器

文獻(xiàn)[9]中介紹的基于LabVIEW環(huán)境調(diào)用Multisim虛擬儀器的方法也廣泛適用于電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。該方法由LabVIEW生成變化的信號(hào)或變化的電路元件參數(shù)來控制Multisim程序中的信號(hào)源或元件參數(shù)的變化，Multisim程序?qū)崟r(shí)仿真電子電路產(chǎn)生的信號(hào)后將信號(hào)輸回LabVIEW程序進(jìn)行處理、顯示等操作。

圖7展示的是“正弦穩(wěn)態(tài)電路最大功率傳輸定理”案例，通過LabVIEW程序改變Multisim程序中壓控可調(diào)電阻的阻值(由Multisim程序中IO3接口控制)實(shí)時(shí)仿真電路變量的變化情況，并將結(jié)果輸回LabVIEW程序進(jìn)行信號(hào)波形顯示和功率計(jì)算，從而達(dá)到尋找最大功率電阻阻值。圖8為“RLC串聯(lián)電路響應(yīng)”案例，通過LabVIEW程序改變Multisim程序中電阻、電感和電容的大小，實(shí)時(shí)仿真電路變量的變化情況，并在LabVIEW程序中實(shí)時(shí)顯示各種阻尼過程的響應(yīng)。

圖7 正弦穩(wěn)態(tài)電路最大功率傳輸定理的前面板和程序框圖

從中可以看出LabVIEW軟件對(duì)于數(shù)據(jù)分析、處理及顯示等方面的優(yōu)勢(shì)，但不同情況下電路的響應(yīng)又是調(diào)用Multisim軟件來實(shí)現(xiàn)的，真正將這兩種虛擬仿真軟件有機(jī)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

圖8 RLC串聯(lián)電路響應(yīng)的前面板和程序框圖

3 結(jié)語

本文通過介紹兩種基于LabVIEW和Multisim仿真軟件的聯(lián)合仿真方法，大大擴(kuò)展了聯(lián)合仿真方法的適用范圍，使得以往高校電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以直接仿真的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)聯(lián)合仿真方法使得數(shù)據(jù)在仿真時(shí)可以實(shí)時(shí)地在這兩種仿真軟件中相互傳輸，真正意義上達(dá)到了實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)仿真。聯(lián)合仿真方法大大豐富了電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源，在教學(xué)過程中極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新意識(shí)。

[1] 陳敏, 湯曉安. 虛擬儀器軟件LabVIEW與數(shù)據(jù)采集[J]. 沈陽: 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 2001(4):501-503.

[2] 陳海生, 王峰, 郭曉云, 等. 一種LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真的方法[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2014(2):118 -120.

[3] 劉 俊. 基于LabVIEW結(jié)合Multisim的仿真[J]. 重慶: 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào), 2008(7):73-76.

[4] National Instruments. 如何為NI Multisim創(chuàng)建基于LabVIEW的虛擬儀器[EB/OL]. http://www.ni.com/ tutorial/5635/zhs/, 2009-04-23/2015-08-01.

Application of The Co-simulation Method with Two Softwares in Electronic Teaching

WANG Yuan, WANG Liang-cheng, WANG Lian-sheng

(PolytechnicInstitute,SanyaUniversity,Sanya572022,China)

The paper introduce co-simulation methods with LabVIEW and Multisim. It use the advantages of LabVIEW and Multisim, and greatly extend the applicable field and range. In addition，the two methods make the simulation of the electronic experimental project that hard to be simulated become a reality, and can real-time transmit the data that between the LabVIEW and Multisim, in order to achieve the real-time co-simulation. The two methods enrich the resources of electronic teaching, and improve the students′ learning initiative and innovation consciousness.

LabVIEW; Multisim; co-simulation

2015-08-04;

2015-09- 25

海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(Hnjg2016ZD-20)

汪 源(1984 - )，男，碩士，副教授，主要從事電工電子技術(shù)的教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)的研究，E-mail：wangyuan0155@163.com

TP274

A

1008-0686(2016)03-0147-04