基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验系统设计.pdf
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1、,信息通信基于Proteus 的数字电路虚拟仿真实验系统设计(江西农业大学南昌商学院,江西九江332 0 2 0)摘要:为了提高数字电路虚拟仿真实验的实验效果,提高仿真结果与实际电路的相似度,缩短仿真实验的时间,文章设计基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验系统。结合系统设计需求,以管理模块和模拟电路实验模块两部分构成系统的整体架构。在硬件方面,对单片机与数模转换器进行选型与设计。在软件方面利用Proteus软件对数字电路进行虚拟化,建立数学模型。利用小波分析技术对数字电路信号转换,提取数字电路运行特征。通过对数字电路的信号边界进行处理,实现仿真实验可视化展示。实验证明,设计系统的仿真电路波
2、形图与实际电路波形图相似度较高,且仿真实验时间较短,具有良好的数字电路虚拟仿真实验效果。关键词:Proteus;数字电路;虚拟仿真实验;单片机;数模转换器中图分类号:TP391.90引言仿真实验系统是互联网技术、信息技术与实验教学相融合的产物,利用互联网强大的互联特性,以及信息技术强大的通信特性,将某一物体虚拟化,仿真模拟出实验过程及结果。目前仿真实验系统已经被广泛应用到教育领域中,尤其是数字电路实验教学。数字电路具有一定的复杂性,对其开展实验教学不仅成本比较高,而且消耗的资源也比较多,因此目前大部分高校已经针对数字电路实验需求,研发设计了对应的虚拟仿真实验系统,克服了很多外在因素限制2 。但
3、是国内关于数字电路虚拟仿真实验系统研究起步比较晚,相关技术与理论还不够成熟,虽然近几年仿真实验系统受到研究领域重视与关注,提出了一些系统设计思路,但是现有的系统灵活性、适用性较低,在实际应用中仿真电路与实际电路相似度较低,而且仿真实验用时时间较长,已经无法满足实际数字电路实验教学需求,为此提出基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验系统设计。1数字电路虚拟仿真实验系统架构设计此次结合数字电路虚拟仿真实验需求,对系统整体架构进行设计,系统主要由管理模块和模拟电路实验模块两部分组成,具体如图1所示。数字电路模拟仿真实验系统系统管理模块身份验信总管理用理图1数字电路虚拟仿真实验系统架构图收稿日期:2
4、 0 2 2-12-2 7基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目:基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验系统设计(项目编号:GJJ209102)作者简介:李谊萍(19 8 2-),女,江西南昌人,本科,讲师,研究方向:电子通信。参考文献:1王锋,王彦彪,等.基于智能头盔的变电站移动巡检系统设计.电力信息与通信技术,2 0 2 2,2 0(4):48-55.2 蔡志全,张晶,等.巡检机器人在变电站运维中的应用J.冶金动力,2 0 2 2,3:59-6 2.1392023年第0 5期(总第 2 45期)李谊萍文献标识码:B文章编号:2 0 9 6-9 7 59(2 0 2 3)0 5-0 139
5、-0 3如图1所示,系统管理模块主要作用是用户管理,其中包括用户管理、身份验证以及信息管理,为了保证系统中信息的安全,用户在登录系统时,对其身份验证,确定为系统注册用户后方可进入到系统中进行仿真实验操作。信息管理实际为数字电路元器件信息管理,信息管理中有元器件添加、删除、修改三块内容,用户将元器件相关数据上传到系统数据库中,用于基于Proteus数字电路虚拟化。模拟电路实验模块包括实验准备、电路虚拟化以及可视化展示三部分,在实验开始前,需要做一些准备工作,如对仿真参数设定,利用Proteus软件对数字电路抽象处理,生成数学模型,并通过数字电路形象直观地表达和描述,实现对数字电路实验过程的可视化
6、展示,从而实现用户与系统的交互响应,模拟出数字电路波形、频率等,对实验数据分析及统计,从而实现基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验。2数字电路虚拟仿真实验系统硬件设计系统的硬件主要由单片机、数模转换器以及液晶显示器组成,液晶显示器为系统基础硬件,在此不做过多介绍,以下对单片机与数模转换器两个硬件设备选型和设计。单片机是系统的核心控制设备,根据实际需求此次选择型号为OUTA-A45F单片机,其内部所有组件是通过微控制器数据总线连接,在芯片上集成了微型计算机。为了保证其控制功能有效发挥,为其配备ALU中央处理器,用于系统数据加、减、乘、除运算,采用BCD十进制运算方式4。此外还配备了两个八位寄
7、存器模拟电路实验模块和16 GB存储器,系统运算数据计算结果寄存到寄存器上,并最终存储到存储器中,用于系统的输入与输出(I/O)5。考虑到Proteus模拟仿真数字电路数据均为模拟量数据,这种形式数据无法被系统识别和运算,因此选用IHFA-A4F7数模转换器实验准备电路虚拟化可视化展示将模拟量数据转换为数字量数据,为转换器设计了16 位A/D转换接口,将其转换电压设置为5.55V,转换时间设定为12 0 us,转换功率设置为15mW,保证转换器三态输出6.采用并联的方式将单片机与数模转换器等系统硬件接入到实验室电源总线上,由单片机对系统所有单元及硬件进行控制,由数模转换器+3孙冬,吉炫颖,等.
8、增强现实技术在变电站设备运检中的应用J.电力信息与通信技术,2 0 2 1,19(6):44-49.4方维岚,吴奕龙,等.基于AR/MR技术的智能穿戴设备在工业巡检中的应用J.数字技术与应用,2 0 2 1,39(7):150-152.5 程绳,范杨,等.基于AR智能眼镜的输电线路巡检标准化作业J.智能信通技术,2 0 2 1,9:140-144.+Changjiang Information&Communications对系统内运行的数据转换处理,使数字电路虚拟仿真实验流程有序进行。3数字电路虚拟仿真实验系统软件设计3.1基于Proteus的数字电路虚拟化由于Proteus软件具有强大的电路
9、仿真功能,故采用该技术对数字电路虚拟化,建立数字电路数学模型,在系统逻辑单元中建立一个Proteus单元,其虚拟化过程如下。步骤1:编辑实验环境7 。在Proteus中构建数字电路物理模型,选中电路元件表,在实验环境中添加对应的数字电路元器件,采用自定义的方式对元器件物理模型大小、形状等设置。步骤2:元器件参数设定。在实验环境中选中元器件,右键设置元器件参数,包括输入电源电压、电阻、电容、电感以及电流等信息,使用“数值显示控件”对显示的参数信息进行监控。步骤3:构建数字电路数学模型,将逻辑模型映射到物理模型上,模拟出数字电路运行情况。假设数字电路节点有n个,过任意一个节点的方向向上的电流为I,
10、方向向下的电流为l,方向向左的电流为12,方向向右的电流为13,该电流用公式表示为:U=I+I+I2+1,(1)式中,U表示数字电路电流值8。将该式整理成线性方程组形式:0001,02213式中,r表示电流经过的节点。同样利用线性方程组的形式表示出数字电路电压,数字电路是通过滑动变阻器改变节点电压的变化,经过变化后的电路电压表示为:(3)P式中,V表示数字电路滑动变阻电压;e表示数字电路直流电压;c表示基极电压;p表示集电电压。故建立的数字电路数学模型用公式表示为:(4)=1式中,X表示数字电路数学模型。利用数学模型描述出实验中数字电路运行情况。3.2数字电路信号小波分析本文所设计的数字电路虚
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