摘要：作为工科电类专业的基础课程，电路实验能够巩固电路理论知识，提高动手实践能力。常规的电路实验系统需要借助于大量的元器件和硬件设备，存在用电安全问题。针对上述情况，根据电路实验课程设计需要，结合数字化、信息化的手段，以电路实验中的基尔霍夫定律验证实验为例，提出了一种基于LabVIEW和Multisim联合仿真的虚拟电路实验系统的设计。系统借助LabVIEW软件和Multisim软件，利用应用编程接口工具包和LabVIEW－Multisim协同仿真终端，引入虚拟仿真建模、模块化编程等概念，在满足电路实验基本要求的同时，提供了一种经济、安全的实验方式，为学生后续的专业课学习提供了一种新的思维方式。测试结果表明，设计的系统作为理论知识和电路实践的中间补充环节，加深了理论知识，提高了元件熟悉程度，降低了实践操作的危险性，进一步减少后续实践操作的元器件损坏率，降低了硬件成本，同时能有效提高实验室管理工作的效率。

　　关键词：LabVIEW；Multisim；基尔霍夫定律；联合仿真；虚拟电路实验系统

　　Design of Virtual Circuit Experiment System Based on LabVIEW Multisim Co－simulation

　　Yu Bingwei，Wang Yuxiao，Wang Fei，Bao Zihong

　　(School of Intelligent Manufacturing，Zhejiang Guangsha Vocational＆Technical University of Construction，Dongyang，Zhejiang 322100，China)

　　Abstract：Circuit experiment is a basic course for electrical majors of engineering，which is not only the consolidation of circuit theoretical knowledge，but also the improvement of practical ability．Conventional circuit experiment systems need to rely on a large number of components and hardware equipment，and there is a problem of electrical safety in the process of theoretical knowledge and hands－on transformation of practice．In view of the above situation，according to the needs of circuit experiment course design and combined with the means of digitalization and informatization，taking Kirchhoff's law verification experiment in circuit experiment as an example，a virtual circuit experiment system based on LabVIEW and Multisim joint simulation was proposed．The system used LabVIEW software and Multisim software，and it used the Application Programming Interface(API)Toolkit and LabVIEW Multisim co－simulation terminal，introduced the concepts of virtual simulation modeling and modular programming，and provided an economic and safe experimental method while meeting the basic requirements of circuit experiments，and provided a new way of thinking for students'subsequent professional courses．The test results show that as an intermediate supplement to theoretical knowledge and circuit practice，the designed system deepens theoretical knowledge，increases familiarity with components，reduces risk of practice，and further reduces the damage rate of components in subsequent practical operations，cuts the hardware costs，and effectively improves the efficiency of laboratory management．

　　Key words：LabVIEW；Multisim；Kirchhoff＇s law；co－simulation；virtual circuit experiment system

　　0引言

　　电路实验作为工科电类专业的一门基础课程，它不但要求学生掌握电路的基本分析和计算，更重要的是培养学生对电路的设计及实际应用的能力。传统的电路实验教学，学校需投入大量的人力物力进行实验室的建设、维护等工作，并且建成的实验室在可扩展性上等方面存在一定的不足[1]。此外，在某些环境下，电路实验课程不能开展线上教学，学生所学的理论知识无法在实验过程中得到实践验证。借助于信息化、数字化的技术手段，建设虚拟化的数字教育实验资源将成为各高校刻不容缓的工作之一。

　　2018年教育部开始评审国家级虚拟实验项目，以项目为导向的实验虚拟技术落地课堂教学[2]。

　　本文根据上述情况和电路实验课程的设计需求，以基尔霍夫定律验证实验为例，借助于LabVIEW软件和Multisim电路仿真软件，利用应用编程接口工具包和LabVIEW－Multisim协同仿真终端，设计开发了一套虚拟电路实验系统。该系统可在正常教学中承担理论知识到电路实验内容的中间补充环节，也可在线上教学时，作为数字化线上实验教学资源。

　　1实验系统概述

　　整个实验系统是在LabVIEW和Multisim软件中共同实现的，总体可分为两大模块：Multisim电路仿真模块和LabVIEW交互统计模块。

　　Multisim是一种给予SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)元件模型的电子电路设计与仿真软件，既可接受电路原理图形式的图形输入，也可利用电路硬件描述语言输入[3]，还提供了庞大的元器件模型库和种类齐全的虚拟仪器和分析工具，具有强大的建模仿真功能与计算能力[4]。

　　虚拟仪器是指以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统[5]。NI公司开发的LabVIEW是目前最为成功的虚拟仪器软件之一，其提供了简便直观的图形化编程方法以及众多的编程函数，使用户可以便捷地构建自己所需要的仪器系统[6]，在测试测量、数据采集、仪器控制、数字信号处理等领域得到了广泛的应用。

　　整个虚拟电路实验系统框架如图1所示，主要包含两大部分：Multisim电路仿真和LabVIEW交互统计。

　　其中Multisim电路仿真部分包含了4个常见电路模型：基尔霍夫定律验证；叠加定理验证；三极管静态分析电路；反相比例运算电路。LabVIEW交互统计部分包含了4个模块：登录模块；自校验模块；联合仿真模块；仿真数据统计模块[7]。Multisim与LabVIEW软件之间的交互通过应用编程接口工具包(Application Programming Interface Toolkit)和LabVIEW Multisim Co－simulatio协同仿真终端实现。

　　本文以电路分析中的基尔霍夫定律为例，结合本系统的各个模块，介绍系统的具体构成和功能。

　　2 Multisim建模仿真

　　基尔霍夫定律是求解复杂电路的电学基本定律，包括基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)，具体可描述为：在集总电路中，任何时刻，对任一节点，所有流出节点的支路电流的代数和恒等于零；在集总电路中，任何时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。

　　根据基尔霍夫定律，在Multisim电路仿真软件中搭建如图2所示的电路模型，将流过电阻R1的电流定义成I1，流过电阻R4的电流定义成I2，流过电阻R3的电流定义成I3，各电流定义的参考方向如图2中标注所示；R1两端电压为UFA，R2两端电压为UED，R3两端电压为UAD，R4两端电压为UAB，R5两端电压为UDC。基于Multisim仿真软件对上述电路进行建模，将电压源Uin1设定为10 V，电压源Uin2设定为12 V，并加入节点探针对相关物理量进行监控。

　　仿真结果如图3所示，其中I1＝31．67 m A，I2＝－41．67 mA，I3＝73．33 mA；UA＝6．83 V，UB＝11 V，UC＝－1 V，UD＝3．17 V，UF＝10 V。结合模型定义的变量参考方向和仿真结果，可以得到：

　　电路仿真结果符合基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。

　　在进行LabVIEW与Multisim的联合仿真之前，需要在Multisim端配置接口用于LabVIEW端的参数输入和结果读取。基尔霍夫电流定律的验证需要获取节点A处的电流I1、I2和I3。由于Multisim中的LabVIEW Co－simulation仅支持电压输入端子、电压输出端子、电流输入端子，为测得节点A处的电流还需借助于电流探针，将电流信号转换成电压信号，并利用电压输出端子将电流输出至LabVIEW。最后建立的LabVIEW Co－simulation终端模型如图4所示。

　　3 LabVIEW与M ultisim联合仿真设计

　　LabVIEW端主要包含4个模块：登录模块；自校验模块；联合仿真模块；仿真结果统计模块。

　　登录模块设置了3级权限管理：学生、管理员和教师，如图5所示。不同等级权限的人员登录后可在系统主界面执行不同的操作。以基尔霍夫定律验证实验为例，学生权限仅可对必要参数Uin1和Uin2进行修改和仿真测试；管理员权限可对电路中的RLC等元件值进行修改和仿真测试；教师权限除了基本的修改参数和仿真功能外，还可对仿真结果数据进行汇总查看。

　　自校验模块通过LabVIEW Multisim API Toolkit，在LabVIEW端获取Multisim软件的路径和版本号等信息，用于确定仿真前软件间的通讯是否正常。若无法获取到上述信息，则通过弹窗的形式提醒用户检查软件是否安装正确。

　　联合仿真模块通过LabVIEW Multisim API Toolkit和LabVIEW－Multisim Co－Simulation实现。利用LabVIEW Multisim API Toolkit实现LabVIEW与Multisim软件之间

　　的基础通讯，利用LabVIEW－Multisim Co－Simulation实现根据LabVIEW端选择的项目名，调用不同的Multisim电路模型，实现联合仿真的效果。

　　仿真结果统计模块通过方法节点的方式，将每次不同参数的测试结果以图片形式进行保存，并将图片以时间加项目名加用户名的形式命名，方便后续的数字化资料汇总管理。

　　总体编程思路采用模块化编程的思路，将各个电路实验进行模块化封装，根据每次实验选择的内容再去调用不同的模块，避免出现数据串流错乱。该设计有利于实验程序的二次开发扩展，一旦实验内容需要新增，仅需新建一个实验模块并更改相应的选择控件即可，对其余实验流程无影响，同时也使得主程序框架更加简洁明了。

　　API是一种应用程序编程接口，通过LabVIEW Multisim API Toolkit这一工具包可以实现在LabVIEW端对Multisim的自动连接、软件路径和软件版本的校验等功能，程序框图如图6所示。

　　利用LabVIEW端Control＆Simulation功能，结合在Multisim端预先搭建好的LabVIEW－Multisim Co－Simulation端口，实现LabVIEW与Multisim的数据交互，从而打通两款软件的壁垒，实现虚拟电路实验系统的仿真。LabVIEW与Multisim通讯交互模块程序框图如图7所示。

　　虚拟电路仿真系统的主界面如8所示。以电路实验中的基尔霍夫定律实验为例，整个系统执行步骤如下：运行可执行文件后，需要选择不同的用户权限进行登录；登录成功后，会在主界面中刷新用户信息，用于后期数据的保存和统计，并且会对系统的参数和变量进行自校验和初始化；根据基尔霍夫定律的理论知识，需要设定两个电压源Uin1和Uin2；设定电路的参数完成后，点击开始仿真，等待主程序与Multisim通讯并进行数据交互后可获取当前次仿真测试的结果，并且会将数据保存到结果汇总的表格内。待设定不同的参数，执行5次仿真后，系统会自动将结果汇总表格以BMP图片格式的形式保存在主界面VI的目录下，为了方便数据的汇总和统计，图片名以时间加项目名加用户姓名的格式命名。数据保存的程序框图如图9所示。

　　根据LabVIEW端的仿真参数和结果，在Multisim端对模型设置相应的参数进行仿真，电流仿真汇总结果如表1所示，电压仿真汇总结果如表2所示。由表可知，LabVIEW端与Multisim端的数据保存格式略有不同，仿真数据结果个别精度有差异，整体数据基本保持一致，符合基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。

　　4结束语

　　本文设计了一种基于LabVIEW和Multisim联合仿真的虚拟电路实验系统，实现了用户登录信息的管理、LabVIEW和Multisim的联合仿真、LabVIEW端仿真结果的显示和仿真数据汇总等功能，其中LabVIEW和Multisim的联合仿真数据交互是该系统的重点。

　　该系统借助于LabVIEW计算分析功能强大、兼容性好、开发周期短、投资少和智能化等优点[8]，以电路实验中较为基础的基尔霍夫定律验证实验为例，详细介绍了该系统的组成结构和运行过程。将本联合仿真虚拟电路实验系统的结果与Multisim端仿真结果进行对比可知，系统运行结果数据可靠，符合基本定律。本系统的另外3个实验：叠加定理验证；三极管静态分析电路；反相比例运算电路，基本原理和运行过程与基尔霍夫定律一致，仅Multisim端电路模型和交互的数据参数不一样。本系统能较好地将学生的理论知识过渡到实践操作中，能有效减少实践操作的事故率，从而降低了实验室的运行成本和学生的安全事故率，也为学生提供了一种安全、无经济成本的电路设计方式。

　　参考文献：

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　　[2]吴玉春，龙小建．高校教育信息化背景下虚拟实验室应用研究—以井冈山大学为例[J]．科教导刊，2021(1)：20－22．

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　　[4]梁丽．基于EDA技术的电子线路设计的改革与实践[J]．实验技术与管理，2020，37(2)：100－103．

　　[5]连海洲，赵英俊．基于LabVIEW技术的虚拟仪器系统[J]．自动化博览，2001(3)：23－25．

　　[6]朱银龙，华超，陈昕，等．基于LabVIEW与单片机的温度采集监控系统设计[J]．计算机测量与控制，2019，27(12)：93－96．

　　[7]刘永，谷立臣．变转速液压测控实验台的设计与开发[J]．机电工程，2021，38(4)：507－510．

　　[8]冯学玲，翁文婷，吴葛，等．基于虚拟仪器的信号与系统实验装置研制[J]．机电工程技术，2022，51(4)：30－34．