于 建 姚宇鳳 河北民族師范學(xué)院

基于Multisim和LabVIEW聯(lián)合仿真的課堂演示實(shí)例設(shè)計(jì)

于 建 姚宇鳳 河北民族師范學(xué)院

現(xiàn)代電子學(xué)課堂教學(xué)與以往傳統(tǒng)式的黑板教學(xué)有了很大的不同，教師會(huì)充分利用多媒體技術(shù)對(duì)于課本內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，制作出幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容的課件，通過生動(dòng)的課件演示，幫助學(xué)生更加深入的理解所學(xué)的知識(shí)內(nèi)容。同時(shí)，眾多輔助教學(xué)的仿真軟件，以其更加接近工程實(shí)際的特點(diǎn)，為課堂教學(xué)提供了新的思路和方法。本文以美國(guó)NI公司的核心軟件Multisim和LabVIEW為基礎(chǔ)，利用兩者的聯(lián)合仿真開發(fā)出適合“數(shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)演示實(shí)例，從根本上提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣，深入理解課程內(nèi)容，了解課程內(nèi)容在工程實(shí)際的應(yīng)用。

Multisim；LabVIEW；聯(lián)合仿真

引言

電子課堂教學(xué)通常面臨著與工程實(shí)際脫離的情況，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，無法真正理解所學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用價(jià)值，不能主動(dòng)地將所學(xué)內(nèi)容用到后期的設(shè)計(jì)中去。美國(guó)NI公司發(fā)布的Multisim仿真軟件一直以來被認(rèn)為是電子學(xué)教學(xué)中應(yīng)用最廣泛的軟件之一，而NI公司的LabVIEW是一個(gè)使用圖形符號(hào)進(jìn)行編寫程序的編程環(huán)境，作為數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究性實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，通過LabVIEW功能強(qiáng)大的圖形編程語言可以成倍的提高生產(chǎn)效率，還可以自定義屬于自己的虛擬儀器(VI)。本文一方面利用Multisim強(qiáng)大的電路仿真功能，另一方面，利用LabVIEW的數(shù)據(jù)分析及結(jié)果顯示的能力，綜合兩者優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適合課堂教學(xué)的演示實(shí)例，方便從事電子學(xué)的教育工作者進(jìn)行相關(guān)課程的教學(xué)工作。本質(zhì)上說，可以把Multisim提供的模塊看作是子電路，通過LabVIEW可以直接調(diào)用，并且在此基礎(chǔ)上完成后續(xù)的前面板設(shè)計(jì)，為用戶提供良好的交互界面。這種“軟硬”結(jié)合的方式，能夠提供給學(xué)習(xí)者針對(duì)硬件設(shè)計(jì)、層次化設(shè)計(jì)、軟件算法一種新思路、新視角。

圖2.LabVIEW程序框圖

圖3.前面板（GUI）

1.教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

進(jìn)行Multisim和LabVIEW聯(lián)合仿真，需要聯(lián)合仿真模塊(co-simulation)才能夠調(diào)用相關(guān)的Multisim設(shè)計(jì)。數(shù)字電路課程的理論教學(xué)傳統(tǒng)上的方式是以黑板課堂以及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)合完成，然而理論課程與配套的實(shí)驗(yàn)課程很難做到實(shí)時(shí)同步。為此，為了配合理論課程的教學(xué)，有必要利用各種手段，設(shè)計(jì)出相關(guān)的演示實(shí)例，結(jié)合實(shí)際，令學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用有更具象的認(rèn)知，以提高教學(xué)效果。

1.1 四位二進(jìn)制加法器演示實(shí)例設(shè)計(jì)

如下，就是我們?cè)O(shè)計(jì)的全加器構(gòu)成加法器的演示實(shí)例，圖1為Multisim提供的全加器仿真模塊，圖2為利用LabVIEW設(shè)計(jì)的4位二進(jìn)制串行加法器的程序圖，圖3為前面板(GUI)。

圖1.全加器仿真模塊

通過演示，可以透過前面板設(shè)定2個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)結(jié)果。另外，切換到后臺(tái)程序框圖，利用LabVIEW的G語言的特點(diǎn)，讓學(xué)生可以清楚地了解到如何利用全加器模塊進(jìn)行串行加法器的設(shè)計(jì)，以及其中的邏輯關(guān)系。另外，根據(jù)演示實(shí)例中計(jì)算2個(gè)四位二進(jìn)制加法的用時(shí)，了解到串行加法器的問題所在，即實(shí)時(shí)性差，進(jìn)而提出改進(jìn)方案設(shè)計(jì)超前四位二進(jìn)制加法器，緊密貼合課本的內(nèi)容，加深理解。圖4給出了利用Multisim提供的74283模塊（超前加法器仿真模塊）以及LabVIEW程序圖聯(lián)合制作的課堂仿真演示實(shí)例，測(cè)試其計(jì)算2個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)的時(shí)間，通過課堂演示，讓學(xué)生通過仿真時(shí)間的差異感受兩種加法器的計(jì)算速度，了解工程設(shè)計(jì)中需要注意的實(shí)時(shí)性的問題，為后期深入學(xué)習(xí)諸如流水線加法器、乘法器等概念提供依據(jù)。同時(shí)，也更易理解4位2進(jìn)制超前加法器的原理。

1.2 搶答器演示實(shí)例設(shè)計(jì)

搶答器的設(shè)計(jì)一直以來作為電子專業(yè)學(xué)生必須制作的初步電路作品，本演示實(shí)例利用四輸入D觸發(fā)器完成簡(jiǎn)易的四人搶答器，演示過程中，首先提供由Multisim搭建的簡(jiǎn)易搶答器的仿真模塊（配置好相應(yīng)的接口），然后通過LabVIEW進(jìn)行調(diào)用，完成互動(dòng)的前面板設(shè)計(jì)。圖5為Multisim電路模塊，圖6為L(zhǎng)abVIEW程序框圖，圖7為此演示實(shí)例前面板。

圖4.基于74283模塊的超前加法器程序圖

圖5 搶答器電路模塊

圖6 LabVIEW程序框圖

圖7 演示實(shí)例前面板

通過Multisim模塊介紹，以及LabVIEW程序圖設(shè)計(jì)的闡述及前面板生動(dòng)的演示，讓學(xué)生更充分理解利用D觸發(fā)器構(gòu)成簡(jiǎn)易搶答器的原理，達(dá)到良好的教學(xué)目的。

2.利用LabVIEW WEB發(fā)布工具設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)資源共享平臺(tái)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完善，教學(xué)活動(dòng)不僅僅單一的存在于理論課堂之上，許多教育工作者會(huì)充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將教學(xué)活動(dòng)延伸到課堂教學(xué)之外的時(shí)間，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的觀看課堂教學(xué)中涉及的課件、仿真實(shí)例等。LabVIEW環(huán)境提供給用戶十分易用的WEB發(fā)布工具，利用此工具，教師可以將仿真實(shí)例通過網(wǎng)絡(luò)共享給學(xué)生，學(xué)生可隨時(shí)隨地的進(jìn)行訪問，幫助學(xué)生更好的復(fù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。通過此技術(shù)，一方面解決了實(shí)驗(yàn)室空間不足，學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程排課困難等問題，另一方面，在一定程度上節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的購(gòu)買及維護(hù)費(fèi)用。

3.結(jié)語

本文主要圍繞著美國(guó)NI公司的Multisim仿真軟件結(jié)合LabVIEW開發(fā)環(huán)境制作適合課堂教學(xué)的演示實(shí)例，并且利用LabVIEW提供的Web發(fā)布工具，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將資源共享給學(xué)生，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)造力。本文涉及到的演示實(shí)例的設(shè)計(jì)都是基于“數(shù)字技術(shù)”課程的，而對(duì)于其他課程，等并未涉及，這是我們下一步要進(jìn)行的工作。

[1]喬瑞萍等譯.LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程.[M].電子工業(yè)出版社,2008.

[2]聶點(diǎn)，李北雁等.基于NI Multisim11的PLD/PIC/PLC的仿真設(shè)計(jì).[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[3]孫紹榮.高等教育方法概論[M].上?！萌A東師范大學(xué)出版社，2010.

[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京∶高等教育出版社，2008.

[5]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程[M].北京∶高等教育出版社，2006.

于建 （1979.2-），男，河北承德人，碩士研究生，講師，研究方向∶虛擬儀器設(shè)計(jì)，F(xiàn)FT處理器；

姚宇鳳（1978.3-），女，河北唐山人，碩士研究生，講師，研究方向∶界面設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)

河北省承德市科技局、財(cái)政局項(xiàng)目《基于MULTISIM14的實(shí)踐教學(xué)仿真平臺(tái)開發(fā)》，項(xiàng)目編號(hào)：20155008。