虚拟仿真技术在项目式综合测控系统教学中的应用

梁 勇

（桂林电子科技大学 信息科技学院，广西 桂林 541004）

1 综合测控系统实验教学现状

综合测控系统实验教学是高校测控类专业教学中非常重要的教学环节，是理论教学的延续拓展和深化，对培养学生的实践能力和创新能力，提高就业竞争力有着极其重要的作用［1］。目前各高校测控专业在实践教学中多以课内实验、课程设计等形式进行。课内实验的项目和内容设置普遍为分立的验证性和简单的设计性实验，而且通常附属于相关的理论课程，难免各自为战，不能统筹考虑不同课程实验间的相互关联，系统性不强，也容易造成内容设置上的重叠或缺失［2］。这种单一的实验往往针对某一门课程的特点而设计，内容简单，实验步骤明确，学生思维被限制在教师所设计的实验框架的狭小范围内，所做的仅仅是被动的验证工作，不利于培养学生综合运用所学知识的能力［3］，很难发挥学生的主观能动性，难以适应高素质创新型人才的培养要求。

此外，各学校的大多数实验依赖于成套的商品化实验设备，这些设备减少了教师的实验前期的准备工作量，但存在着实验容易停留在按图接线、记录数据等认知性、验证性实验的层面上，对提升学生的动手能力、设计能力和创新能力的作用有限［4］。课程设计通常选择综合本课程主要知识点的课题来完成理论计算、原理性设计和仿真调试，对提高学生基本设计能力起到了一定的作用，但由于课时安排、实验难度等原因，多数未能做出实物进行调试，这对于设计和调试系统能力的培养会有所欠缺。

为此，本文以Proteus与LabVIEW软件为核心，对综合测控系统进行仿真实验教学，用构建的虚拟测控电路以及单片机系统代替实验箱的硬件电路，用LabVIEW实现数据采集界面设计，如此有利于增强学生对测控系统构建的感性认识［5］。在实验过程中鼓励学生采用其他常用款式的单片机代替已用类型，有效调动了学生的学习兴趣及学习能动性，进一步提高了学生的科研能力及创新能力，同时增加实验开放的受益面［6］，为综合测控系统教学提供一个应用范例。

2 Proteus与LabVIEW特点

Proteus是英国Labcenter Electronics公司研发的EDA工具软件，由ISIS和ARES 2个软件构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES是一款高级的布线编辑软件。Proteus的基本结构包括2大部分，即Proteus虚拟系统模型和Proteus印刷电路板设计。Proteus不仅是模拟电路、数字电路、模／数混合电路的设计与仿真平台，更是一种多种型号微控制器系统的设计与仿真平台，它真正实现了在计算机上完成从原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整的电子设计、研发的全过程。Proteus已在设计、生产和教育等领域得到广泛使用［7］。

LabVIEW 是美国 NI（National Instrument）公司推出的虚拟仪器软件开发平台，它是一种图形化编程语言，已广泛地应用于工业、学术领域和实验室等，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，是一个功能强大且灵活的软件。利用LabVIEW可以很方便地建立自己的虚拟仪器系统，其图形化的界面使得编程及使用过程都形象生动。图形化的程序语言，又称为“G”语言，使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是程序框图，只要准确连线即可。

一个LabVIEW应用程序包括前面板（frontpanel）、流程图（block diagram）以及图标／连结（icon／connector）3部分。前面板是图形用户界面，用于设置用户输入和输出显示，其作用是仿真实际的仪器面板。流程图提供虚拟仪器的图形化源程序，在流程图中进行编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。图标／连结部分用于将LabVIEW程序定义成一个子程序，以便被其他程序作为模块调用［8］。

3 虚拟仿真技术在测控系统教学中的应用的优势

在测控电路的教学中，如果学生动手不多，很难理解相应理论。虽然有实验，但大多为验证性实验，而且课时有限，并且往往做实验时忘了理论分析，难以做到即时验证理论。应用虚拟仿真技术进行辅助教学，能够快速、完整地构建出实验的原理图，并且能够完美地进行实验过程的仿真，实时显示实验结果，是提高教学效率和效果的好方法。

与传统实验教学的预习相比，用Proteus仿真软件与LabVIEW进行虚拟测控系统实验、实训与课程设计的预习时，具有如下比较明显的优势［9］：

（1）激发学生对测控系统的学习兴趣。学生从电路图设计到仿真再到PCB设计，都可以利用该软件完成，克服了传统实验教学中手抄预习实验报告的枯燥以及学生不能更改的局限性，可以拓展学生的思路、提高学生的学习兴趣，并且提高了学生的创新意识与创新能力。

（2）硬件方面投入费用少，经济优势明显［10］。Proteus支持ARM、PIC、AVR及51系列的微处理器CPU模型，较传统实验教学省去了购买各种系列单片机的费用。在Proteus所提供的元件库中，大部分元件可以直接用于接口电路的搭建，并且这些标准元件都是可靠和经济的。如果在实验教学中使用真实的仪器和元件，元件的损坏和仪器的维护所需的费用和工作量也是比较大的。使用Proteus软件进行实验可减少元器件的损耗，实验过程比较安全。

（3）操作简单。Proteus仿真软件简单易学，仿真调试真实，可满足学生对电路设计及程序设计的学习的需要。

综上所述，仅就学生实验预习而言，基于Proteus的测控系统的预习比传统预习方式在诸多方面都有了改善，既节省硬件方面的开支，又达到了很好的预习效果，并且简单易学，对提高学生学习的积极性和培养学生的独立创新能力有很大帮助。

3.1 测控系统综合实验设计框架

测控系统综合实验从传感器开始，包括测量放大电路、信号调理电路、MCU系统、PC机上LabVIEW信号采集界面设计等。基本上涵盖了测控系统的全部专业课程知识，把所涉及到的知识通过一个综合型项目的形式有机地连贯起来，做到融会贯通，从而达到应用型实验教学目的，测控系统综合实验的设计框架见图1。

图1 测控系统综合实践设计框架

3.2 仪表放大器的实例应用与Proteus7.5仿真

如图2所示，设计一个仪表放大器，其中传感器用一个信号源直接输出一个交流小信号来表示，运放的电源电压为12V。

图2 Proteus7.5仿真的仪表放大器

图2是目前广泛应用的高共模抑制比放大电路［11］。高共模抑制比放大电路由3个集成运算放大器（U2、U3和U5）组成，其中U5和U2为2个性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同相输入通用集成运算放大器OP07E，构成平衡对称差动放大输入级。U3构成双端输入差动放大电路，用来进一步抑制U5和U2的共模信号，并适应接地负载的需要。

根据运算放大器的基本分析方法，容易得到U3的输出为［12］

式中ui1和ui2表示2个差动输入电压，uo1和uo2表示2个差动输出电压。

将图2中的电阻值代入式（1），可以得出uo＝25×（uo2－uo1），故电路有25倍差模放大能力，同时能抑制共模信号。

电平抬升电路（见图3）是利用反相加法器电路实现的。因为前级交流信号出现负值无法被A／D转换电路采集，因此需要对交流信号电平提升。

图3 Proteus7.5仿真的电平抬升电路

通过Proteus7.5仿真得到的仪表放大器和电平抬升电路的输出信号在示波器上显示的波形如图4所示。

图4 Proteus7.5仿真波形图

图4中（a）图是输入峰峰值为80mV的小信号（－40mV～40mV），是模拟传感器的输出信号，也是仪表放大器的输入信号。经过仪表放大器放大25倍后，峰峰值达到2V（－1.00V～999.91mV），如图4中（b）图所示。由于A／D转换器无法采集负电压，因此需要电平抬升电路。根据仪表放大器输出电压，电平需要提升1V即可（此仿真电路仅根据这次信号输入需要，但是只要保证电平提升范围在A／D的采集范围以内都行）。电平提升后的波形如图4（c）所示（－6.32mV～1.99V）。从理论设计和示波器显示结果来看，Proteus仿真比较成功。

Proteus仿真软件更强大的功能是能进行51系列单片机、ARM7、AVR、PIC等各种微处理器的仿真。我们用最基础的51系列单片机来实现波形数据的采集，如图5所示。

图5 Proteus7.5仿真单片机信号采集系统

A／D转换用0808（最新的是0809，但是软件仅提供0808仿真模型，时序功能都一样）。单片机采集到的波形数据用串口进行发送，将波形数据发送给Lab－VIEW上位机数据采集界面。不过他们之间需要一个桥梁，通过虚拟串口软件VSPD来连接Proteus仿真与LabVIEW采集。

3.3 LabVIEW上位机采集系统测试效果

从图6所示的Proteus7.5的频谱分析和Lab－VIEW波形采集界面可见，采集波形与Proteus仿真波形、频率和幅值保持一致。

图6 LabVIEW波形采集界面与Proteus7.5频谱分析

综上所述，我们完全能够利用仿真工具实现仪表放大器的原理设计、应用、信号采集以及波形显示，能够更加有效地在课程教学和实验中引导学生学会分析和应用，让学生学习利用仿真工具进行初步设计和验证。事实上，该应用系统的分电路模块均是本专业相关实验内容。

4 结束语

基于虚拟仿真技术的综合测控系统实现了理论与实践的紧密结合，利用计算机仿真，化难为易，变抽象为具体，使学生学习的积极性大大提高。但由于虚拟器件存在着虚拟的特点，在真实性方面与实际的仪器仪表存在着比较大的差距，因而并不能完全替代传统的实验仪器和手段，所以在实际的教学过程中，计算机仿真只是辅助的一种教学手段。教学实践表明，在实验前，应该先让学生利用虚拟仿真技术做预习，这样既能减少枯燥无味的手抄预习报告的工作，又能激发学生的学习热情，而且带着仿真结果再去做实验会有很高的效率和很好的效果。另外，通过计算机仿真，明显减少了在搭建实验电路过程中的错误。经过多年实际操作实践，该方法获得大部分学生的欢迎，实践效果明显改善。

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