基于虚拟仪器技术的电子仿真实验系统设计

基于虚拟仪器技术的电子仿真实验系统设计

邹圣烨  谢雨  田佳  刘隽晖  党榕元

营口理工学院，辽宁，营口，115014

摘要：基于仿真平台Labview可视化，简便化的特点，引入仿真系统，在研究了Labview和Multisim联合技术的基础上，构思联合方法，根据电子类课程教学特点，选取典型实验，并以此为实验内容进行了联合仿真。结果显示联合仿真结果较单一仿真方法更为直观和简便，为电工电子类实验课程教学提供思路。

关键词：虚拟仿真；Labview；电子技术；Multisim

实验是工科院校教学系统的重要组成部分，它能够提高学生的动手操作能力，加深学生对理论知识的理解，对学生创新意识的培养也大有裨益[1]。随着网络技术的迅速发展，以现代科学为基础的仿真实验方式逐渐成为当下最普遍的实验方式。在实践操作实验的基础上进行模拟实验是解决实验资源短缺，培养具有创新性的工程技术人才的一种行之有效的方法。随着我国高等教育普及程度越来越高，招生规模不断扩大，高校实验资源紧缺问题日益凸显，这将严重影响到学生和科研人员的学习和研究，制约了工程教育的发展，实验教学现状亟需改进[2]。

虚拟仪器是当今电气工程学的一个重要工具。随着我国经济的迅速发展，各大公司对先进仪器的需求量越来越大[3]。尽管国内虚拟仪器的研究起步较晚，但经过多年的探索，在虚拟仪器开发方面已形成了自己的特色。此外，近年来中国的自主计算机发展迅猛，为国内虚拟仪器的研发和应用打下了坚实的基础[4]。虚拟仪器技术在今后的发展中有着很大的发展空间。目前，国内很多科技院校都在进行虚拟仪器技术的研发和教学工作[5-6]。2006年，NI公司在国内实施了“NI中国大学”项目。浙江大学电气工程学院研制开发了一种用于模拟仿真的电力电子实验装置。为了便于访问，用户可以利用Flex技术和内置的浏览器来开发插件[7]。虚拟模拟终端采用Modelica技术，采用远程控制技术，通过定制的协议实现了服务器端的通讯[8]。中国科技大学人工智能与计算机应用实验室研制了一种基于几何光学的虚拟实体教学体系。借助于浙江中控公司CS4000实验设备，南京理工大学自行研制开发了一套远程实验系统，可通过网络实现对点传输，接收实验参数及数据[9]。

随着电子技术的飞速发展，将计算机技术和仪器技术紧密地联系在一起，各种模拟软件应运而生[10]。在产品设计中，应用模拟软件对电路和系统进行设计是非常关键的，通过模拟软件，可以预测出电路的性能，并对其进行合理的分析。模拟是设计与应用的桥梁，成功的模拟能使设计者更好地进行错误的评价，从而缩短设计周期，降低设计费用，提高设计成功率。用Labview和Multisim的连接技术，可以完成远程模拟电路的设计。

Labview主要分为两部分前面板和后面板（程序面板），前面板主要体现实验结果，比如波形图，数值输入以及界面的美观程度，程序编写是在后面板中表现，主要是通过各种函数进行仿真。在后面板内所编写的内容也会对应出现在前面板中。Multisim软件是由美国NI公司开发的基于计算机系统的模拟工具，适用于模拟/数字电路的设计。该软件采用元器件图形输入电路原理，硬件描述语言输入，具有较强的模拟和分析功能。设计者可以利用多模交互方式建立电路模拟示意图。利用Labview和Multisim联合模拟技术，可以将二者结合起来，从而使二者的优点得到最大程度的发挥。

Labview Multisim Co-Simulation(连接工具包）实现了Labview和Multisim的集成，是实现联合仿真的关键。该连接工具包是一组面向Multisim自动化API的封装程序，利用Labview编写客户端程序，可以利用此接口访问Multisim，并通过该仿真引擎采集仿真数据。该API允许编程控制Multisim仿真，而无须察看Multisim。

首先在Multisim中进行电路搭建，选取实验所需运算放大器，电阻，电容，电感等。调整位置和方向尽量使其美观。需要在特定位置放置连接口input节点和output节点，以实现后续的节点选择与仿真。之后把整个电路作为一个文件，保存在默认位置为之后仿真联立做准备。连接Labview仿真实验系统具体实现的第一步是正确连接Multisim之后是Labview程序代码。为实现后续仿真实验系统扩展，可以继续添加其它实验电路，并把新添加的 Multisim电路文件路径写入Labview程序即可。

使用Labview Multisim Connectivity Toolkit实现连接Multisim，如果连接成功，则使用Multisim Version Info.vi检测Multisim版本信息，连接失败则程序终止并且报错。Multisim Run Simulation vi体现了仿真的具体控制，Multisim Get Output Data vi体现了仿真后的结果测取。整个模拟过程在实验者一个周期内进行。

图1  模拟仿真技术虚拟仿真实验系统面板

实验结果最后在前面板显示，图1中左侧是Multisim电路，右侧为仿真结果波形图、控制条、值显示框。

通过典型实验举例，从元器件的选择，以及在Multisim中的电路连接，确定实验所需的变化参数从而加入连接口，之后采用Labview进行数据连接，运用Labview直观简便的显示方式，更加客观的显示实验结果。

参考文献：

[1] 乐永康,苏卫锋. 虚实结合的物理实验教学[J].物理实验,2017,37(01):39-43.

[2] 田凯,蔡晓艳. 仿真实验与实体实验相结合在大学物理实验教学中的应用探索[J].大学物理实验,2016,29(03):80-83.

[3] 何洁凝,关冠恒,龙天澄. 虚拟仿真实验室对教学的作用研究[J].中国教育学刊,2015(S2):318-319.

[4] 王磊. 基于Labview的虚拟实验室与传感器虚拟仪器的设计及实现[D].太原理工大学,2010.

[5] 叶兴琳,崔桃,王建国. 基于线上线下和虚拟仿真实验技术的有机化学实验教学改革[J].广东化工,2021,48(02):174-177.

[6] 谭惠灵,郭庆. 虚拟仿真实验教学建设的认识论思考[J].中国多媒体与网络教学学报(上旬刊),2020(12):17-19.

[7] 颜芳,宋焱翼,李新科. 基于Multisim的电路原理课程仿真实验设计[J].实验技术与管理,2013,30(05):59-62.

[8] 付扬. 基于Multisim技术的电子电路综合设计改革[J].实验技术与管理,2017,34(04):112-114.

[9] 王煜,周文龙. 虚拟仿真技术在计算机网络实验教学中的应用[J].计算机产品与流通,2020(07):190.

[10] 黄秀梅. 虚拟仿真设计在模电课程改革中的实践作用[J].电子世界，2020(10):13-14.

基金项目：营口理工学院2023校级创新训练项目“基于虚拟仪器技术的电子仿真实验系统设计”（项目编号：X202314435016）