基于Multisim和LabVIEW的虚实结合数字电路实验教学

王开宇， 卢 诚， 姜艳红， 程春雨， 曾文军

(大连理工大学 a.电工电子国家级实验教学示范中心、国家级虚拟仿真实验教学中心； b.电子信息与电气工程学部，辽宁 大连 116024)

0 引 言

在工科院校的教学工作中，实验教学能很好调动学生的学习积极性，培养学生的学习兴趣，帮助学生更好理解与掌握书本上的理论知识，因而，实践环节在教学工作中意义重大[1-4]。在实际的实物教学实验中，由于实验器材、实验环境的限制，大多数工科院校的学生实验过程中都是按照老师设计好的详细步骤操作实验，极大限制了学生的探索实践过程[5]。针对该问题，本文提出将仿真电路与实物电路实验有机的结合同步操作。

本文将Multisim软件与LabVIEW软件结合起来，并使用Web发布实现远程实验操作。运用LabVIEW设计的直观简洁操作界面，在LabVIEW中操作仿真软件，实现电路仿真；运用LabVIEW将NI Elviss II结合起来，实物电路连接到NI Elviss II上，实现实物电路实验。实验中先可通过LabVIEW在Multisim做仿真实验，然后通过LabVIEW在NI Elviss II上做实物实验。本文以一个数字电路实验为例来应用实现该方法。该方法可较好解决目前电路教学实验中电路仿真实验与实物电路实验各自独立，无法统一的问题。

1 实验教学平台概述

Multisim是一款著名的电子设计软件，该仿真软件的工作环境为Windows系统。该软件没有spice软件晦涩难掌握[6-7]。作为一款优秀的仿真软件，其拥有简单易学的操作界面、丰富全面的元器件库，给电工电子专业相关的人员带来大大便利。运用Multisim优秀的仿真功能于电子电路的探索实验环节中，不仅能节省大量的电气元器件、实验器材，还为实验提供了安全保障[8-11]。

NI Elviss II是美国国家仪器公司开发的一款模块化实验教学平台[12-14]，该平台结合多种实验仪器于一体，用户在使用时不必像传统实验时购买大量的实验设备，如示波器、可变电源、波特仪、函数信号发生器、普通万用表等，节约的大量的财力。平台采用USB即插即用的接口，用于平台与计算机电脑的连接，使用方便快捷。同时具有多路模拟信号输入输出与数字信号输入输出。

LabVIEW是美国国家仪器公司开发的G语言图形化编程软件，广泛被应用于学术领域的研究、工业领域的控制与上位机监控界面的设计[15-16]。该款软件内置互联网领域的通信协议多种库函数。且LabVIEW给跨平台设备提供了较好的一致性服务，在软件G语言代码不变的情况下可以移植多种操作系统平台，也对嵌入式设备提供了较好支持。

2 远程功能实现

在远程实物实验操作过程中，数据由用户端到远端硬件，实验操作人员在用户端界面用鼠标操作控件以后，对应信息经过互联网传递到远端服务器，服务器解析接收到的信息成相应的指令，经过USB发送给硬件ELVIS。ELVIS调用控制相关硬件，完成实验的控制。信号数据由远端硬件到用户端，用户实验过程中硬件端会产生输出信号数据模拟量，模拟量先转换为数字量经USB上传到服务器。

在远程仿真实验操作过程中，Multisim软件中的仿真信号先经过LabVIEW的Web服务器与互联网传送到远端的用户操作的浏览器上。用户根据显示信息进行实验操作，操作信号同样经过互联网发送到实验端的Web服务器上，然后经由LabVIEW来信号解析，最终变成对应的控制操作指令，完成实验操作。

图1 远程虚实结合实验实现框架图

配置LabVIEW的Web服务器如图2所示，在Web服务器中设置调试HTTP端口8000，SSL端口选用443，这里的HTTP端口为默认设置的，用户也可以根据自身电脑端口的使用情况选择适当的端口。配置好后，然后，发布Web到网页，选用内嵌模式，就可以在远端用户端访问服务器本机了，在没有独立IP的情况下此次的远程访问只局限于局域网内。为此，本次的实验选用拥有独立IP的电脑服务器，这样就可以实现互联网内的远程实验了。

图2 Web服务器配置

3 LabVIEW与Multisim整合环境搭建与实验电路接口设计

3.1 联合仿真环境搭建

LabVIEW软件与Multisim在进行联合仿真时，需要将两款软件连接在一起，可以通过安装与软件相关联的插进来实现。本文采用LabVIEW 2011使用的插件为Co-Simulation(见图3)。

图3 两款软件接口插件

3.2 数字电路实验联合仿真

本文设计的数字电路是计数器实验，运用74LS160计数器芯片作为计数芯片，74LS32D或门作为控制输入端口，与非门分别于计数器芯片的输出端QA、QB、QC相连接。或门的输出端同时也作为四输入与非门的输出，或门输出连接到计数器的清零引脚，即计数器采用复位清零的方法。

在或门的控制端输入低电平，则输入的低电平对计数器输出引脚QD没有影响，此时的计数器为15进制，也就是计数为0～14；在或门的控制输入端的引脚输入为高电平的时候，无论计数器的QD输出引脚输出的是高电平还是低电平，则在或门输出的都是高电平，此时的计数器为6进制。

在Multisim中的仿真电路在与LabVIEW交互的时候，需要设置输出端与输入端。电路中的接口配置如图4所示，图中设置了一个输入端IO1，作为输入控制端。IO2、IO3、IO4、IO5、IO6均作为输出端口，分别对应计数器的QA、QB、QC、QD与计数器输入的脉冲信号。在Multisim中配置的输入接口，对应于LabVIEW软件中的输出接口；在Mlutisim中配置的输出接口，对应于LabVIEW软件中的输入接口。

图4 电路接口配置图

如图5所示，在前面安装好Multisim软件与LabVIEW软件交互的相关组件后，就可以调用组件包里面的丰富的VI函数进行编程，实现两款软件的信号交互。

图5 G言语接口交互程序

在完成软件接口代码编写后，即可在前面板上进行仿真实验操作。计数器的输出高电平时，对应的数字信号为1，对应的模拟信号为5 V(见图6)。该仿真实验既可以在本地实验操作，也可以在外地实验操作。只需要使用Web发布功能将本地的LabVIEW代码发布到Web服务器即可。

图6 labVIEW操作界面图

4 LabVIEW实物实验实验设计

将实物实验电路元器件焊接到使用Altium Designer设计好的PCB板上，PCB板与LabVIEW接口设计成PCI接口。LabVIEW通过USB线与安装有LabVIEW和Multisim的PC机通信。

如图7所示,在操作界面中，设计了4输入逻辑分析仪，分别用来测定输出端Q0、Q1、Q2、Q3及输入脉冲当前的输出值CP。如图8所示，操作界面中，效果图中的指示灯的在实际中呈现黑黄动态交替变化。变化的频率由计数器的输入频率决定。

图7 PCB板设计图

图8 操作界面效果图

用LabVIEW 设计的实验实物操作界面，图8中最上面的选择按钮，可以实现仿真实验与实物实验的切换。同样的在LabVIEW程序使用Web发布以后，实物实验同样也可以在远程端进行实验操作。

图9中代码依次包含了脉冲任务的产生、完成与任务清除，即对应于DAQmx开始任务 (VI)、DAQmx任务完成 (VI)与DAQmx清除任务 (VI)。该代码产生的脉冲初始延迟，输出信号在未生成脉冲前处于空闲状态的时间。高电平时间，脉冲处于高电平(5 V)的时间。低电平时间，脉冲处于低电平(0 V)的时间。其中，任务中本设计设定高电平时间为300 ms，低电平时间为700 ms。代码中的，stop停止按钮，可用于终止脉冲的产生。

图9 脉冲产生源码

如图10所示先将通过NI ELVISmx Digital Reader获取输出的逻辑值队列，再通过索引数组(VI)，从数组中获取对应元素值，并输出对应的逻辑值。接着，通过数值转换，把逻辑值转换为数值类型。最后，进制转换为所需要的进制数。

5 结 语

本文首先介绍了在LabVIEW软件环境下实现远程实验操作的Web服务器配置的方法；然后，详细介绍了如何将Multisim软件中的仿真电路连接到LabVIEW中的方法，包含驱动组件的安装、电路接口配置与LabVIEW中G语言编程的实现交互的过程。最后，在安装有实物电路实验的NI ELVISS II平台上完成数字计数器实验操作。Web服务器提供的远程实验操作功能，可以让学生在远程端完成实验，同时，仿真实验与实物实验相互结合的远程控制实验方式增加了时间分配的灵活性，打破了区域的限制性。

图10 获取输出逻辑值源码