∞ 文章编号:1001—9944(2016)11-0070.04 基于LabVI EW与M ultisi m的电路实验平台设计 刘伟玲,杨彩双,杨泽青,王泽华 (河北工业大学机械工程学院,天津300000) 摘要:该文利用LabvIEw与Multisim的联合仿真功能,实现电路参数的实时修改,可在Lab— VIEW的前面板中观察到更加直观的实验现象,进行实验数据的采集与保存。结合Lab— VIEW的网络通信功能.构建了基于B/S架构的远程虚拟电路实验室.可以从远端进行实 验、获取数据、观察实验现象。同时结合NI ELVIS实验平台开发了硬件电路实验与实验室 环境监控平台.实现了基于Web的远程可视化测控并用于远程教学,缩短了实验时间,提高 了实验设备的利用率.对于高校的实验教学改革具有重要的借鉴意义。 关键词:LabVI EW;Hu]t1 s1 m;仿真实验;远程访问 中图分类号:TP23 文献标志码:A Design of Circuit Experiment Platform Based on LabVIEW and Multisim LIU Wei—ling,YANG Cai-shuang,YANG Ze—qing,WANG Ze—hua (School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300000,China) Abstract:By taking advantage of the LabVIEW—Muhisim CO—simulation toolkit,it is possible to alter the parameter of circuit,observe a more vivid experimental phenomenon and gather experimental data.Combine the network communiea- tion function of LabVIEW,this article build a remote vitrual laboratory based on B/S framework,which can conduct an experiment from the remote terminal,get experimental data,observe the phenomenon.At the same time using the NI ELVIS experiment to build a hardware circuit and environment detection platform,achieving the visualization of measure— ment and control and its application on experiment teaching can cut down the testing time,improve the use efficiency of equipment,which have an important reference for the revolution of experiment teaching in colleges and universities. Key words:LabVIEW;Multisim;simulation;remote access 对于电子类专业的学生来说。数字电子技术与 模拟电子技术是两门对动手能力和实践思维要求 很强的专业课,偏重工程应用.较少研究纯理论性 的问题。LabVIEW是一个以图形化语言G语言为基 Muhisim的完善的电路仿真功能与LabVIEW强大 的数据处理能力相结合.利用网络技术搭建B/S结 构的仿真类实验平台[1-2],能将结果发送到远程的 Web界面上形成网上实验,使实验摆脱了时间与空 间的制约,提高了设备利用率,也激发了同学们亲 自参与实验、自主学习的热情。 础的编程软件.用户可以按照自己的需求方便地搭 建属于自己的仪器。网络技术和虚拟仪器技术结合 所建立的基于因特网的实验搭建、电路仿真、远程 操作的平台能将模拟电路实验与数字电路实验的 数据采集到服务器内并进行测量与处理.因此通过 收稿日期:2016—07—26:修订日期:2016—10—17 1 实验平台总体设计实现 ELVIS实验平台是一款开放性的实验平台,可 作者简介:刘伟玲(1973一),女,副教授,研究方向为光电检测及智能仪器;杨彩双(1991一),女,硕士,研究方向为光电检测 与智能仪器。 囫 Automation&Instrumentation 2016(11) 以结合NI Muhisim进行数据采集与仿真环境,实 现对板载电路的测量与仿真。学生可以利用Muh— sim进行3D仿真电路图的绘制并进行连通性验证, 然后在ELVIS实验平台上搭建实验电路。由于 ELVIS具有丰富的资源和可更换的原型设计板.学 生们可以根据需要变更电路原件的参数。既加深了 对实验的理解,也培养了动手实践能力。NI DAQ设 备的另一个优点就是远程访问技术.利用RDA(re— mote device access)技术可以将DAQ设备放到网络 上进行共享,即在搭建完成硬件后。学生们可以共 享实验结果与实验数据,并且可以和在本地控制设 备一样地在网络上对DAQ设备进行控制.提高了 设备的利用率。实验平台整体结构如图1所示。 远程监控模块 登 录 界 面 虚拟实验模块卜._-.{联合仿真控件 图1整体结构 Fig.1 Overall structure 1.1 Multisim电路设计与仿真流程 Muhisim是美国国家仪器公司推出的一款电路 仿真软件,可以进行电路原理图的绘制,拥有强大 的仿真能力与电路分析能力。Muhisim利用软件给 客户提供与真实器件参数一致的元件库和仿真虚 拟仪器进行各种数字电路与模拟电路的设计和仿 真,基于Muhisim的实验研究流程『3】如图2所示。 确定设计方案 原理图设计 r I 建立仿真模型 l '一 l 仿真调试、修改参数 l 模型修改 l . : 图2基于Multisim的实验研究方法流程 Fig.2 Flow chart experimental research methods based on Multisim a动化与仪表2016(11) 1.2 LabVIEW与Multisim联合仿真 虚拟实验模块设计了模拟实验和数字实验两 大类型的实验模块 。通过在绘制好的Muhisim电 路中插入LabVIEW.Muhisim联合仿真端子,可实现 在仿真过程中修改电路参数,且可以在LabVIEW 的前面板中自定义控件,显示更加直观。LabVIEW 软件在数据的处理、采样与保存上有着很强大的功 能。利用NI的仿真与控制模块和Muhis一 im的HS/BC 接口将LabVIEW与Muhisim电路结合起来。可以实 现在仿真的过程中修改电路元件的参数,观察到电 路的各种不同的情况。 1.3模拟电路实验模块设计 为了更好地配合教材,选择搭建运算放大电 路、基本共射级放大电路、全桥滤波电路、电流源这 4个包括信号产生、信号放大、信号处理与传输过程 的实验,使学生全面了解模拟电路的脉络.把握课 程的重点。下面以同相比例运算放大实验为例讲述 建立过程。 同相比例运算放大实验通过例子使同学们明 白集成运算放大器的使用方法和“虚短”、“虚断”的 概念,熟练掌握比例运算放大电路的计算。同相运 算放大电路与反相运算放大电路的差别在于信号 输人端的不同,分别实现信号的同相比例和反相比 例放大。图3所示的电路分别为同相比例电路和反 相比例电路的一般形式。 是输入的正弦信号, 是输出的正弦信号, 是反馈电阻,R 是同相输入 端的电阻,R:是反相输入端的电阻。 ・Il 图3比例运算电路 Fig.3 Proportional calculation circuit 由于采用的运算放大器是理想放大器,所以不 存在非线性的失真情况。利用“虚假短路”和“虚假 断路”的知识可以推导出同相比例运算电路和反相 比例运算电路的输入和输出电压的关系: (1)对于反相比例运算放大电路来说 =( RF) ; (2)对于同相比例运算放大电路来说 =1+ )・ 田 Muhisim中搭建图3的比例运算【乜路, 添 加LabVIEW交互接口求实现和LabV1EW之 数掂 的交流 、添加HB/SC接rI之后的比例运斡放大电 路l 5l如 4所爪,其中输入端子通过与I.abVIEW的 输入 什进行连接,为比例运算提供输入电 _r 作电』 输¨{端子可以llj LabVIEW中的输…控件 进行连接,如接波形 示控件与数值 ,J 控件, 当启动仿 以后,通过修改相关电阻的大小米修改 电路的放大系数,也可以修改比例运算放大电路输 入电JI 勺人小,输m电 的波形兀丁以在波形 巾进 行 观的观察 图4同相比例运算仿真电路 Fig.4 Same proportional calculation circuit 建 新的VI,将Muhisim Design拖人到控制与 仿真循环Lf1,修改仿真时 参数,设汁前面板的输 入与{I 爪控什,点击运行按钳,观察到的的 板I I如 5所爪,l J‘以看到输入f乜¨ 波形与输Hj电 波形 2条『¨1线,电J 的放大倍数与推导的公式完伞一致. 从而验 丫前文的推导结果. .z 1, 1 。 £。 §。 5 1 _1● ~~ 0 避壁照到 0 m 圈 畦 磷 曩 。≮ 誓 , 。 mme ̄mtl 趣圈 l窭I ≯ 自r+te-l- ̄t2 一一 三 1{ 图5仿真电路前面板 Fig.5 Fronl panel of emulation circuit 1.4数字电路实验模块设计 数 电路具有逻辑运箅和逻辑处理功能.所以 义称 数字 辑电路。仔储器是朋来存储二进制数 据的数字电路. 从整体J 香,数字电路可以分为组 合逻辑IU路和时序逻辑电路|姒J大类。下面通过奇偶 校验电路、优尤编码器、38译码器、六进制计数电路 72 这4个 浅入深的实验来介绍这2种数宁电路,片 先以汁数器为例讲述搭建过程 实验选择异步清零■一五进制计数 74LS90. 外形为双列直捅,计数脉冲f}i单次脉冲源提供,如 果从CP2端输入,从(T)3,Q2,q1输f .则怂异步 进制JJ1]法计数器. 片的管脚冈与功能农奠n罔6和 表1所永。按照管脚I 所示接好外罔的线路。就可 以进仃仿真实验『71,在A输入接入开火, L,他次按 下 关”断开时代表一个计数脉冲.输…接人 LED,通过观察LED灯亮的状态来观察实验的现 象。经过实验发现741 ¥90芯片的输…是从0到5 的循环.当剑5后在按卜JF炎时,输“{令 0,即输 {{J一共有6个状态,实现j 6进制计数功能 表1 74LS90功能表 Tab.1 Function table of 74LS90 NPU r rl、 (:Q QI)GNDQB Qc ll、j LI IIU l lJ i I.、1.L 119 K9 B (1)(2) (1)(2) 图6 74LS90管脚图 Fig.6 74LS90 pin map m功能表可知74LS90 现任:毒模数汁数器的 方法是反馈归零法, ‘{74LS90的MR1 I _MR2管脚 H 『置l时,可以实现异步清零六进制是从0000 到0ll0,所以当汁数值为0ll0时.利川【f1问的汁数 器 步清零,然后重新从0000开始计数隶虻r】r以实 现六进制计数器的功能,I,abVIEW仿真实验的前面 板 7所示。按下计数按钮,数码舒的数值从(】 增长刮5后义同到0,实现r六进制计数的功能 存利川LabVIEW进行电路仿真之 ,虽然得 到 实验数据,但是这是建 存虚拟兀器件的甚础 之』 的,要想获得真实的实验数据,就需嘤搭建 实的实验电路。以NI ELVIS为核心的电路硬件平 Automation&Instrumentation 2016(11 1 姚会弹出,通过动态测川1远 前面板可以使卡H应 ,IL ̄2-i 的实验VI在需要时渊 并JJ[1载到内存中, I{实验 聿 嘻J { J燕 ■l:! ! -Ⅻ_ _一 H日 计数 结束}Ilf洞用结束义会释放一部分的内存, 竹J’内 行的消牦与占川 ×1 x2 ×3 X4 2 结语 r Muhisim Lj Lal,VIEW的电路仿真实验平 行,实时性得到了提高,界 也更加友女『,加快J 对 ● ● ● ● 图7六进制计数器实验前面板 Fig.7 Experience front panel of hex counter 电路模型的验汪.弥补了高校实验教学场地的不 ,台 ^合Muhisim的电路,利川Ⅳhlitiism的3D仿 连线功能绘制fII 3D电路 I,搭迎f,J 电路食连 迎悱尢 J 就可在El VIS I 进行趔ft:的连线搭建 实现了,L}j户登录界 的哎}f‘、文件服务器系统 的搭建和VI程序的远程发 ,实现了远氍实验的 功能…I LabVIEW具有强大的网络功能.除r与 埘 的电路,从而验证仿真的2 1.5实验平台远程监控模块 、 Muhisin1软件进行联合仿真外发电路实验外.还可 以川r远程单片机实验. 系统今后还可以增加FPCA 模块川f于实现不同种类硬什 验平台的切换,还 Il『以进行网络结构的优化从 实现多人同时进行 验 J 捉I岛实验平台安令忡和降低人_r巡榆的 成小, 验平行服务器干I】¨ VIS实验平台的 安个.『,il时义不能增加相心的人力成本,开发了 J l,at EW的远 雌控系统利川传感器与洲 参考文献: l1倪聃.基于【_c1《络的虚拟实验系统的/I’发与应刚 l_浙汀:浙 帅 范人学.2009 i 技术 / l,abVlEW的视 采集功能开发了远稗 台, 现了视频 榨、温度洲 和炯雾报警 功‘I JL ̄I… 2】梁 祥,王照仲,栾海峰,等l l,vIEW实现的网络化仿 fI感 ;}{} 验室I JI.实验室6fl:5," 探索,201 2,31(10):1 7l一174. 31 郭人嚼.基于Mallab的|乜路分析 尖验、F台没计[川.自动化 仪 表,2()l5,30(11):66—68. 1.6实验报告提交模块 小科的实验教学环节If1' 成 后的实验报 告 址小・一j 或缺的 然而,人部分学校的提交报 告的,J f』j然是提交纸质版的报 .难于实现统一 的箭』 为此,本实验平台 l,ab\’IEW的Web服务 的揍砌I 搭建r FTP服务器,HJj:实现对实验报 41叶 辉.虚拟仪器技术 传感 柑能检测系统 的商川 JtiJ『究 II)】.卜海:东 #大学.20l2. 5l 元.利用I,abSQI 实州 nlJ术地远程数据庳…I也 测试. 2008(1】):84—87 告的提交和 :理I I。为了方便进行川ri管理币【1维护 服务 ,选川t Serv—U软件,其川rl界面符合Wil1一 cIows的怀准 切友好,支持实时的多用户连接,可 通过I,abVlEW的JH于执行系统命令的System Ex 了VI州川执行 1_7远程Web访问 6I ,J史略,崔冰波l,abVlEW } {i!lll拎系统登录 管理_}]的J jI]… fI动化仪表,2012.33(4):30—34. 71 靖奇端.媾_J Muhisim和I,abVIE ̄X...nq比例运算l 路联合仿 I Jl _【U 刚试,201 5(】7):58—60. 8I I I Ij成.基丁Muhisim仿 r乜路的没汁与分析fD 滨r程大学.2()l0 尔滨:哈尔 9】 缱峰.基于Muhisim“流稳 电源仿真分析l J1.h 仪丧 j r1 动化装置,2Ol5(4):65—67. j!!l过利川j We}】发布干l1动态州川t远程前面板来 现 验系统的VI发布功能,“lj 录贞而通过加 10I苏 ,吴金舟,黄箐.EDA仿 技术 川‘算机组成原雕实践敦 : t1,f内应 1研究¨I.I乜8卤钶】 l 技术,2(】l2(35):8449—8452. 1ll沈杨.基丁F1’P协议的数据传输软什的实现….科技‘。 I-活. 20l0(I4):21. 戴剑内仃『fl的形式发布到web服务 巾.当用户输 入L,,RI tt,t【!iJ l 进入 录贞面.当输入l卜确的Hj广1名 与 fll『,会响应远程前 板连接.实验室环境界 ■ 欢迎浏览自动化仪表网、 ,、 v.zdhyb.com 自动 与 蓑2016(11J 73