基于LabVIEW和Multisim的虚拟电子技术实验系统的设计与实现

王 蕾

(唐山学院 智能与信息工程学院，河北 唐山 063000)

基于LabVIEW和Multisim的虚拟电子技术实验系统的设计与实现

王 蕾

(唐山学院 智能与信息工程学院，河北 唐山 063000)

利用LabVIEW和Multisim软件，通过结点法和调用法设计了虚拟电子技术实验系统。该系统具有用户登录模块和仿真模块，实现了用户身份认证和远程仿真功能。经测试，系统运行稳定，可用于电子技术实验的虚拟仿真实践教学。

LabVIEW；Multisim；电子技术；仿真

目前，一些高校的实验室的设备和规模难以满足实验教学的要求，电工学及电子技术等课程的实验常规设备也存在老化或技术落后等问题，而且依赖传统教学方式进行的实验教学工作量大，教学效率低下。随着计算机技术、信号处理技术和虚拟仪器技术的高速发展，虚拟电子仿真系统在实验教学中得到了广泛应用[1]，能够很好地解决上述问题。因此，本研究利用美国NI公司的虚拟仪器开发平台——LabVIEW和Multisim软件进行了电子技术实验教学系统的开发，设计了多个电路仿真实例，以用于电工学、电子技术和相关课程的实验教学。LabVIEW作为虚拟实验开发系统的代表，可以利用Internet进行虚拟实验室的网络发布，实现资源共享，不受时间、地点限制，满足学生远程实验的需求。这种开放式的实践系统有助于培养学生的工程思维方式，锻炼它们的动手能力和创新能力[2]。

1 系统实现方案

1.1 用户登录界面设计与实现

虚拟电子技术实验系统的开发主要用到LabVIEW提供的三个模板，它们分别是：工具模板、控制模板和功能模板[3]。系统登录结构层次图如图1所示。图1中大的框架由一个while循环和一个事件结构组成，即组建前面板上可能发生的各种事件。

用户登录系统采用LabSQL与Access数据库进行链接，LabSQL支持Windows操作系统中任何基于OBDC的数据库，包括Access，SQL Server，Oracle，Pervasive，Sybase等。LabSQL利用Microsoft ADO对象和SQL语言来完成数据库访问，将复杂的底层ADO及SQL操作封装成一系列的LabSQL VIs，具有简单易用的特点。用户登录界面如图2所示。

图1 系统登录结构层次图

图2 用户登录系统界面

用户登陆界面设计还包括用户管理界面的设计，即进行增加用户、删除用户和修改密码等操作，但是在删除用户中不可以删除管理员用户。在密码验证时，当错误输入三次密码时，系统将自动退出用户登陆界面，用户必须再次打开软件才能继续进行验证。

当用户登录时，系统根据数据库内容判断用户名和用户密码是否正确和匹配，然后执行相应的程序，用户权限有教师和学生两种，教师可以修改权限。系统用一个子VI核对密码，并显示用户权限和核对密码是否正确，调用3个条件结构和1个外部条件结构执行密码输入结果相应的程序。条件假的分支的内层条件结构执行不同错误次数的相应程序，条件真的内层条件结构用于判断该用户是否是管理员并执行相应的程序。该程序用到了局部变量和属性节点，使得程序实现的功能变得强大，实现起来也非常简单。用户登录系统界面后面板如图3所示。

当用户信息输入正确时，便可以进入仿真主界面，完成对多个电路的仿真。用户仿真主界面如图4所示。

图3 用户登录系统界面后面板

图4 用户仿真主界面

1.2 虚拟实验的设计与实现

Multisim与LabVIEW两款软件搭配，应用结点法和调用法分别实现系统设计。虚拟实验部分的设计主要步骤为：首先进行Multisim下的软件仿真，调试成功后进行相应的设置并保存；然后打开LabVIEW，按照实验要求及目的设置用户前面板，做到与实验者的友好交互，方便实验者的使用和操作；最后将保存的Multisim文件导入到LabVIEW中，再进行相应操作即可实现实验室系统下的虚拟实验。

本系统设计了多个电路仿真实例，现以汽车尾灯控制电路系统为例进行仿真设计说明。

1.2.1 汽车尾灯电路原理仿真设计

汽车尾灯电路设计要求实现左转弯、右转弯、停止等条件下尾灯的点亮与熄灭。汽车尾灯系统开关控制电路由2个开关控制，通过控制译码电路提供的信号来控制驱动电路。三进制计数器电路由2个主从JK触发器构成，通过主从JK触发器的特性构成时序逻辑电路来实现三进制计数。译码电路采用74LS138D译码器，使用三线八线译码器控制8个端口的输出，而本实例只需使用6个端口，其余2个端口闲置，通过三进制计数器和开关控制电路来控制译码器6个端口的逻辑状态。驱动电路采用常用的LED管，呈共阳极形式，LED管的正极接+5 V电压，负极通过驱动电路来控制LED的亮灭。

端口将在LabVIEW中以子VI的端口承接，接收和输出double类型的数据流。其端口设置如图5所示。

图5 汽车尾灯的端口设置

将端口的属性设置为对应的输入(input)和输出(output)，IO7和IO8为输入量端口，分别为左转、右转的控件。其中IO1为左尾灯1，IO2为左尾灯2，IO3为左尾灯3，IO4为右尾灯1，IO5为右尾灯2，IO6为右尾灯3。

在对汽车尾灯原理仿真设计的基础上，分别使用结点法和调用法实现LabVIEW与Multisim软件的握手连接[4-5]。

1.2.2 利用结点法实现电路设计

LabVIEW与Multisim软件建立连接的步骤如下：在Multisim环境下标记并设置各实验的输入/输出端口；将Multisim文件保存在固定的文件夹下；打开LabVIEW前面板，并按照要求设计模块放置位置，同时在功能模块中调用与Multisim模块相连接的控件进行LabVIEW仿真[6]。汽车尾灯后面板的设置过程主体是按照以上步骤将LabVIEW各个控件和调用的Multisim仿真形成的子VI连接起来，最终在LabVIEW中实现系统控制，这样便可以在运行LabVIEW时进行Multisim调用和运行。结点法实现的汽车尾灯后面板如图6所示。

图6 结点法实现的汽车尾灯后面板

图7为结点法实现的汽车尾灯右转前界面。图中汽车左尾灯示波器无波形显示，右尾灯示波器有脉冲波形显示，表明按下汽车右转按钮即汽车右转时右尾灯闪烁，左尾灯不亮。

图7 结点法实现的汽车尾灯右转前界面

结点法实现的用户界面具有良好的交互性，用户操作简便，仿真结果显示清晰。

1.2.3 利用调用法实现电路设计

调用法的实质是在LabVIEW中直接打开Multisim，然后在Multisim中进行电路的仿真。具体步骤如下：首先，点击获取电路图，即在LabVIEW界面上获取Multisim电路图。此功能是利用赋值选项卡实现的：在后面板中利用Multisim Circuit Name打开文件，获取Multisim中的电路图，并把电路图转换为二维图片显示到LabVIEW前面板中。然后，打开仿真界面，通过cmd/x/c/start文件，找到自定义路径。最后，在Multisim中完成仿真。若想回到结点法仿真界面，点击“返回仿真”即可，页面将自动跳转到LabVIEW仿真界面中。使用调用法实现的汽车尾灯后面板图和前界面图如图8，图9所示。

图8 调用法实现的汽车尾灯后面板图

图9 调用法实现的汽车尾灯前界面

调用法实现的用户界面利于观察电路设计原理，便于用户进入仿真界面调用实验仪器进行仿真。

2 综合调试

在虚拟实验系统中每个实验案例都作为一个子VI被调用。从功能模板中拖出while循环并置于原循环之外，while循环为没有循环次数限制的循环。将引用句柄与属性节点进行连接，当执行此VI时便由引用句柄将地址指针指向此VI保存的地址，从而实现子VI的调用。LabVIEW软件自带检错功能，当有非法的语法错误时，会做出错误提示。设计用户可以通过数据流模式图观察信号传递路径。汽车尾灯LabVIEW仿真的数据流模式图如图10所示。

图10中的键1和键2为信号输入端，通过关系函数将高电平(5.00)和低电平(0.00)输入给Multisim仿真，仿真后输出不同的数值，再通过关系函数，将数据类型转换为布尔量，驱动尾灯LED模块显示。当布尔量为T时，前面板汽车尾灯点亮；当布尔量为F时，前面板汽车尾灯熄灭。

图10 汽车尾灯数据流模式图

3 结语

基于LabVIEW和Multisim软件，利用结点法和调用法设计的虚拟电子技术实验系统，充分利用了LabVIEW图形化编程的特点和其强大的分析处理优势，并链接Multisim仿真软件丰富的电子器件库，实现了电子技术实验虚拟仿真功能。经测试，系统运行稳定，用户界面友好，便于操作，适于电工学、电子技术和相关课程的实验教学。

[1] 梅加化.基于LabVIEW的虚拟实验教学系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[2] 虚拟仿真技术在电子技术课程教学中的应用研究[D].长沙：湖南师范大学，2012.

[3] 伦志新.基于LabVIEW和Multisim的病床呼叫器的设计与实现[J].唐山学院学报，2013，26(5)：71-72.

[4] 姚旭栋.基于虚拟仪器的航电系统仿真平台设计与实现LabVIEW[D].上海：上海交通大学，2012.

[5] 段国艳.电子技术虚拟实验系统研究与开发[D].成都：西南交通大学，2013.

[6] 王蕾.LabVIEW仿真软件在电工学教学中的应用[J].中国现代教育装备，2013(13)：10-12.

(责任编校：李秀荣)

Design and Construction of Virtual Electronic Technology Experiment System Based on LabVIEW and Multisim

WANG Lei

(School of Intelligence and Information Engineering，Tangshan College， Tangshan 063000， China)

With the assistance of LabVIEW and Multisim， the author of this paper has designed a virtual electronic experiment system by the node analysis and invocation method， which has the user login module and simulation module and is capable of authentication and remote simulation. Testing of the system shows that it runs stably and can be applied to the practice teaching of virtual simulation of electronic experiments.

LabVIEW； Multisim； electronics； simulation

TP391.9；G642.423

A

1672-349X(2015)06-0039-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.06.015