基于Multisim和LabVIEW的虛實結合數字電路實驗教學

王開宇， 盧 誠， 姜艷紅， 程春雨， 曾文軍

(大連理工大學 a.電工電子國家級實驗教學示范中心、國家級虛擬仿真實驗教學中心； b.電子信息與電氣工程學部，遼寧 大連 116024)

0 引 言

在工科院校的教學工作中，實驗教學能很好調動學生的學習積極性，培養學生的學習興趣，幫助學生更好理解與掌握書本上的理論知識，因而，實踐環節在教學工作中意義重大[1-4]。在實際的實物教學實驗中，由于實驗器材、實驗環境的限制，大多數工科院校的學生實驗過程中都是按照老師設計好的詳細步驟操作實驗，極大限制了學生的探索實踐過程[5]。針對該問題，本文提出將仿真電路與實物電路實驗有機的結合同步操作。

本文將Multisim軟件與LabVIEW軟件結合起來，并使用Web發布實現遠程實驗操作。運用LabVIEW設計的直觀簡潔操作界面，在LabVIEW中操作仿真軟件，實現電路仿真；運用LabVIEW將NI Elviss II結合起來，實物電路連接到NI Elviss II上，實現實物電路實驗。實驗中先可通過LabVIEW在Multisim做仿真實驗，然后通過LabVIEW在NI Elviss II上做實物實驗。本文以一個數字電路實驗為例來應用實現該方法。該方法可較好解決目前電路教學實驗中電路仿真實驗與實物電路實驗各自獨立，無法統一的問題。

1 實驗教學平臺概述

Multisim是一款著名的電子設計軟件，該仿真軟件的工作環境為Windows系統。該軟件沒有spice軟件晦澀難掌握[6-7]。作為一款優秀的仿真軟件，其擁有簡單易學的操作界面、豐富全面的元器件庫，給電工電子專業相關的人員帶來大大便利。運用Multisim優秀的仿真功能于電子電路的探索實驗環節中，不僅能節省大量的電氣元器件、實驗器材，還為實驗提供了安全保障[8-11]。

NI Elviss II是美國國家儀器公司開發的一款模塊化實驗教學平臺[12-14]，該平臺結合多種實驗儀器于一體，用戶在使用時不必像傳統實驗時購買大量的實驗設備，如示波器、可變電源、波特儀、函數信號發生器、普通萬用表等，節約的大量的財力。平臺采用USB即插即用的接口，用于平臺與計算機電腦的連接，使用方便快捷。同時具有多路模擬信號輸入輸出與數字信號輸入輸出。

LabVIEW是美國國家儀器公司開發的G語言圖形化編程軟件，廣泛被應用于學術領域的研究、工業領域的控制與上位機監控界面的設計[15-16]。該款軟件內置互聯網領域的通信協議多種庫函數。且LabVIEW給跨平臺設備提供了較好的一致性服務，在軟件G語言代碼不變的情況下可以移植多種操作系統平臺，也對嵌入式設備提供了較好支持。

2 遠程功能實現

在遠程實物實驗操作過程中，數據由用戶端到遠端硬件，實驗操作人員在用戶端界面用鼠標操作控件以后，對應信息經過互聯網傳遞到遠端服務器，服務器解析接收到的信息成相應的指令，經過USB發送給硬件ELVIS。ELVIS調用控制相關硬件，完成實驗的控制。信號數據由遠端硬件到用戶端，用戶實驗過程中硬件端會產生輸出信號數據模擬量，模擬量先轉換為數字量經USB上傳到服務器。

在遠程仿真實驗操作過程中，Multisim軟件中的仿真信號先經過LabVIEW的Web服務器與互聯網傳送到遠端的用戶操作的瀏覽器上。用戶根據顯示信息進行實驗操作，操作信號同樣經過互聯網發送到實驗端的Web服務器上，然后經由LabVIEW來信號解析，最終變成對應的控制操作指令，完成實驗操作。

圖1 遠程虛實結合實驗實現框架圖

配置LabVIEW的Web服務器如圖2所示，在Web服務器中設置調試HTTP端口8000，SSL端口選用443，這里的HTTP端口為默認設置的，用戶也可以根據自身電腦端口的使用情況選擇適當的端口。配置好后，然后，發布Web到網頁，選用內嵌模式，就可以在遠端用戶端訪問服務器本機了，在沒有獨立IP的情況下此次的遠程訪問只局限于局域網內。為此，本次的實驗選用擁有獨立IP的電腦服務器，這樣就可以實現互聯網內的遠程實驗了。

圖2 Web服務器配置

3 LabVIEW與Multisim整合環境搭建與實驗電路接口設計

3.1 聯合仿真環境搭建

LabVIEW軟件與Multisim在進行聯合仿真時，需要將兩款軟件連接在一起，可以通過安裝與軟件相關聯的插進來實現。本文采用LabVIEW 2011使用的插件為Co-Simulation(見圖3)。

圖3 兩款軟件接口插件

3.2 數字電路實驗聯合仿真

本文設計的數字電路是計數器實驗，運用74LS160計數器芯片作為計數芯片，74LS32D或門作為控制輸入端口，與非門分別于計數器芯片的輸出端QA、QB、QC相連接?；蜷T的輸出端同時也作為四輸入與非門的輸出，或門輸出連接到計數器的清零引腳，即計數器采用復位清零的方法。

在或門的控制端輸入低電平，則輸入的低電平對計數器輸出引腳QD沒有影響，此時的計數器為15進制，也就是計數為0～14；在或門的控制輸入端的引腳輸入為高電平的時候，無論計數器的QD輸出引腳輸出的是高電平還是低電平，則在或門輸出的都是高電平，此時的計數器為6進制。

在Multisim中的仿真電路在與LabVIEW交互的時候，需要設置輸出端與輸入端。電路中的接口配置如圖4所示，圖中設置了一個輸入端IO1，作為輸入控制端。IO2、IO3、IO4、IO5、IO6均作為輸出端口，分別對應計數器的QA、QB、QC、QD與計數器輸入的脈沖信號。在Multisim中配置的輸入接口，對應于LabVIEW軟件中的輸出接口；在Mlutisim中配置的輸出接口，對應于LabVIEW軟件中的輸入接口。

圖4 電路接口配置圖

如圖5所示，在前面安裝好Multisim軟件與LabVIEW軟件交互的相關組件后，就可以調用組件包里面的豐富的VI函數進行編程，實現兩款軟件的信號交互。

圖5 G言語接口交互程序

在完成軟件接口代碼編寫后，即可在前面板上進行仿真實驗操作。計數器的輸出高電平時，對應的數字信號為1，對應的模擬信號為5 V(見圖6)。該仿真實驗既可以在本地實驗操作，也可以在外地實驗操作。只需要使用Web發布功能將本地的LabVIEW代碼發布到Web服務器即可。

圖6 labVIEW操作界面圖

4 LabVIEW實物實驗實驗設計

將實物實驗電路元器件焊接到使用Altium Designer設計好的PCB板上，PCB板與LabVIEW接口設計成PCI接口。LabVIEW通過USB線與安裝有LabVIEW和Multisim的PC機通信。

如圖7所示,在操作界面中，設計了4輸入邏輯分析儀，分別用來測定輸出端Q0、Q1、Q2、Q3及輸入脈沖當前的輸出值CP。如圖8所示，操作界面中，效果圖中的指示燈的在實際中呈現黑黃動態交替變化。變化的頻率由計數器的輸入頻率決定。

圖7 PCB板設計圖

圖8 操作界面效果圖

用LabVIEW 設計的實驗實物操作界面，圖8中最上面的選擇按鈕，可以實現仿真實驗與實物實驗的切換。同樣的在LabVIEW程序使用Web發布以后，實物實驗同樣也可以在遠程端進行實驗操作。

圖9中代碼依次包含了脈沖任務的產生、完成與任務清除，即對應于DAQmx開始任務 (VI)、DAQmx任務完成 (VI)與DAQmx清除任務 (VI)。該代碼產生的脈沖初始延遲，輸出信號在未生成脈沖前處于空閑狀態的時間。高電平時間，脈沖處于高電平(5 V)的時間。低電平時間，脈沖處于低電平(0 V)的時間。其中，任務中本設計設定高電平時間為300 ms，低電平時間為700 ms。代碼中的，stop停止按鈕，可用于終止脈沖的產生。

圖9 脈沖產生源碼

如圖10所示先將通過NI ELVISmx Digital Reader獲取輸出的邏輯值隊列，再通過索引數組(VI)，從數組中獲取對應元素值，并輸出對應的邏輯值。接著，通過數值轉換，把邏輯值轉換為數值類型。最后，進制轉換為所需要的進制數。

5 結 語

本文首先介紹了在LabVIEW軟件環境下實現遠程實驗操作的Web服務器配置的方法；然后，詳細介紹了如何將Multisim軟件中的仿真電路連接到LabVIEW中的方法，包含驅動組件的安裝、電路接口配置與LabVIEW中G語言編程的實現交互的過程。最后，在安裝有實物電路實驗的NI ELVISS II平臺上完成數字計數器實驗操作。Web服務器提供的遠程實驗操作功能，可以讓學生在遠程端完成實驗，同時，仿真實驗與實物實驗相互結合的遠程控制實驗方式增加了時間分配的靈活性，打破了區域的限制性。

圖10 獲取輸出邏輯值源碼