基于LabVIEW與Multisim的電路實驗平臺設計

劉偉玲，楊彩雙，楊澤青，王澤華

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300000）

對于電子類專業的學生來說，數字電子技術與模擬電子技術是兩門對動手能力和實踐思維要求很強的專業課，偏重工程應用，較少研究純理論性的問題。LabVIEW是一個以圖形化語言G語言為基礎的編程軟件，用戶可以按照自己的需求方便地搭建屬于自己的儀器。網絡技術和虛擬儀器技術結合所建立的基于因特網的實驗搭建、電路仿真、遠程操作的平臺能將模擬電路實驗與數字電路實驗的數據采集到服務器內并進行測量與處理，因此通過Multisim的完善的電路仿真功能與LabVIEW強大的數據處理能力相結合，利用網絡技術搭建B/S結構的仿真類實驗平臺[1-2]，能將結果發送到遠程的Web界面上形成網上實驗，使實驗擺脫了時間與空間的制約，提高了設備利用率，也激發了同學們親自參與實驗、自主學習的熱情。

1 實驗平臺總體設計實現

ELVIS實驗平臺是一款開放性的實驗平臺，可以結合NI Multisim進行數據采集與仿真環境，實現對板載電路的測量與仿真。學生可以利用Multsim進行3D仿真電路圖的繪制并進行連通性驗證，然后在ELVIS實驗平臺上搭建實驗電路。由于ELVIS具有豐富的資源和可更換的原型設計板，學生們可以根據需要變更電路原件的參數，既加深了對實驗的理解，也培養了動手實踐能力。NI DAQ設備的另一個優點就是遠程訪問技術，利用RDA（remote device access）技術可以將DAQ設備放到網絡上進行共享，即在搭建完成硬件后，學生們可以共享實驗結果與實驗數據，并且可以和在本地控制設備一樣地在網絡上對DAQ設備進行控制，提高了設備的利用率。實驗平臺整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構Fig.1 Overall structure

1.1 Multisim電路設計與仿真流程

Multisim是美國國家儀器公司推出的一款電路仿真軟件，可以進行電路原理圖的繪制，擁有強大的仿真能力與電路分析能力。Multisim利用軟件給客戶提供與真實器件參數一致的元件庫和仿真虛擬儀器進行各種數字電路與模擬電路的設計和仿真，基于Multisim的實驗研究流程[3]如圖2所示。

圖2 基于Multisim的實驗研究方法流程Fig.2 Flow chart experimental research methods based on Multisim

1.2 LabVIEW與Multisim聯合仿真

虛擬實驗模塊設計了模擬實驗和數字實驗兩大類型的實驗模塊[4]。通過在繪制好的Multisim電路中插入LabVIEW-Multisim聯合仿真端子，可實現在仿真過程中修改電路參數，且可以在LabVIEW的前面板中自定義控件，顯示更加直觀。LabVIEW軟件在數據的處理、采樣與保存上有著很強大的功能。利用NI的仿真與控制模塊和Multisim的HS/BC接口將LabVIEW與Multisim電路結合起來。可以實現在仿真的過程中修改電路元件的參數，觀察到電路的各種不同的情況。

1.3 模擬電路實驗模塊設計

為了更好地配合教材，選擇搭建運算放大電路、基本共射級放大電路、全橋濾波電路、電流源這4個包括信號產生、信號放大、信號處理與傳輸過程的實驗，使學生全面了解模擬電路的脈絡，把握課程的重點。下面以同相比例運算放大實驗為例講述建立過程。

同相比例運算放大實驗通過例子使同學們明白集成運算放大器的使用方法和“虛短”、“虛斷”的概念，熟練掌握比例運算放大電路的計算。同相運算放大電路與反相運算放大電路的差別在于信號輸入端的不同，分別實現信號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，Uo是輸出的正弦信號，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 比例運算電路Fig.3 Proportional calculation circuit

由于采用的運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”的知識可以推導出同相比例運算電路和反相比例運算電路的輸入和輸出電壓的關系：

在Multisim中搭建圖3的比例運算電路，并添加LabVIEW交互接口來實現和LabVIEW之間數據的交流。添加HB/SC接口之后的比例運算放大電路[5]如圖4所示，其中輸入端子通過與LabVIEW的輸入控件進行連接，為比例運算提供輸入電壓與工作電壓，輸出端子可以與LabVIEW中的輸出控件進行連接，如接波形圖顯示控件與數值顯示控件，當啟動仿真以后，通過修改相關電阻的大小來修改電路的放大系數，也可以修改比例運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行直觀的觀察。

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

建立新的VI，將Multisim Design拖入到控制與仿真循環中，修改仿真時間參數，設計前面板的輸入與顯示控件，點擊運行按鈕，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，電壓的放大倍數與推導的公式完全一致，從而驗證了前文的推導結果。

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

1.4 數字電路實驗模塊設計

數字電路具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱為數字邏輯電路。存儲器是用來存儲二進制數據的數字電路。從整體上看，數字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。下面通過奇偶校驗電路、優先編碼器、38譯碼器、六進制計數電路這4個由淺入深的實驗來介紹這2種數字電路，首先以計數器為例講述搭建過程。

實驗選擇異步清零二一五進制計數器74LS90，外形為雙列直插，計數脈沖由單次脈沖源提供，如果從CP2端輸入，從Q3，Q2，Q1輸出，則是異步五進制加法計數器，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，就可以進行仿真實驗[7]，在A輸入接入開關，當每次按下開關并斷開時代表一個計數脈沖，輸出接入LED，通過觀察LED燈亮的狀態來觀察實驗的現象。經過實驗發現74LS90芯片的輸出是從0到5的循環，當到5后在按下開關時，輸出全為0，即輸出一共有6個狀態，實現了6進制計數功能。

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實現任意模數計數器的方法是反饋歸零法，當74LS90的MR1與MR2管腳同時置1時，可以實現異步清零。六進制是從0000到0110，所以當計數值為0110時，利用中間的計數器異步清零，然后重新從0000開始計數就可以實現六進制計數器的功能，LabVIEW仿真實驗的前面板如圖7所示。按下計數按鈕，數碼管的數值從0增長到5后又回到0，實現了六進制計數的功能。

圖7 六進制計數器實驗前面板Fig.7 Experience front panel of hex counter

在利用LabVIEW進行電路仿真之后，雖然得到了實驗數據，但是這是建立在虛擬元器件的基礎之上的，要想獲得真實的實驗數據，就需要搭建真實的實驗電路。以NI ELVIS為核心的電路硬件平臺結合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誤后就可在ELVIS上進行硬件的連線搭建對應的電路，從而驗證仿真的結果。

1.5 實驗平臺遠程監控模塊

為了提高實驗平臺安全性和降低人工巡檢的成本，保證實驗平臺服務器和ELVIS實驗平臺的安全，同時又不能增加相應的人力成本，開發了基于LabVIEW的遠程監控系統。利用傳感器與測量技術結合LabVIEW的視頻采集功能開發了遠程監控平臺，實現了視頻監控、溫度測量和煙霧報警功能[9]。

1.6 實驗報告提交模塊

在本科的實驗教學環節中，完成課后的實驗報告一直是不可或缺的。然而，大部分學校的提交報告的方式仍然是提交紙質版的報告，難于實現統一的管理。為此，本實驗平臺在LabVIEW的Web服務器的基礎上搭建了FTP服務器，用于實現對實驗報告的提交和管理[11]。為了方便進行用戶管理和維護服務器，選用Serv-U軟件，其用戶界面符合Windows的標準親切友好，支持實時的多用戶連接，可通過LabVIEW的用于執行系統命令的System Exec子VI調用執行。

1.7 遠程Web訪問

通過利用Web發布和動態調用遠程前面板來實現實驗系統的VI發布功能，即登錄頁面通過加載到內存中的形式發布到Web服務器中，當用戶輸入URL時即可進入登錄頁面，當輸入正確的用戶名與密碼時，會響應遠程前面板連接，實驗室環境界面就會彈出，通過動態調用遠程前面板可以使相應的實驗VI在需要時調用并加載到內存中，當實驗結束時調用結束又會釋放一部分的內存，節省了內存的消耗與占用。

2 結語

基于Multisim與LabVIEW的電路仿真實驗平臺，實時性得到了提高，界面也更加友好，加快了對電路模型的驗證，彌補了高校實驗教學場地的不足，實現了用戶登錄界面的設計、文件服務器系統的搭建和VI程序的遠程發布，實現了遠程實驗的功能[11]。LabVIEW具有強大的網絡功能，除了與Multisim軟件進行聯合仿真開發電路實驗外，還可以用于遠程單片機實驗。系統今后還可以增加FPGA模塊用于實現不同種類硬件實驗平臺的切換，還可以進行網絡結構的優化從而實現多人同時進行實驗。

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[4]葉佳輝.虛擬儀器技術在傳感器智能檢測系統中的應用與研究[D].上海：東華大學，2012.

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[6]萬文略，崔冰波.LabVIEW在測控系統登錄與管理中的應用[J].自動化儀表，2012，33（4）：30-34.

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