基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验系统设计.pdf

，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 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 5-0 139-0 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.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，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拟仿真实验系统的核心功能，是对电路数据进行分析，以波形图的方式展示出电路的运行特征，故本文利用小波分析技术对数字电路进行数据处理。假设单位时间为数字电路电流、电压分别为U(t)、V(t)，电路状态为X(t)，经尺度伸缩与时间平移，得到电路信号小波簇：6(0)=X(0)0(=h式中，8（t）表示数字电路信号小波簇；z表示平移尺度；表示高斯函数的二阶导数；h表示伸缩尺度。小波平移与伸缩尺度为小波变换参数，其选值关系到小波分析精度，尺度参数共分为七个尺度，尺度1-尺度6，变换后的小波系数高频噪声较大，如果以该六个尺度作为参数，则需要再进行一次信号降噪处理，而尺度7 变换后的小波系数噪声较小，且对于任意一个电压。电流突变点，数字电路都能够很好地反映，故选择李谊萍：基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验系统设计尺度7 作为小波变换函数尺度参数。利用上述公式对电路信号变换后，可以得到数字电路各个时间点的幅值，为后续数字电路虚拟仿真提供依据。3.3数字电路虚拟仿真根据前文提取到的数字电路特征，绘制数字电路波形图。考虑到数字电路信号是有长度限制的，在计算用来表示有限时间域内的电路信号时，会引起边界效应，故将经过小波分析后的电路信号细节分量的两端去掉，只截取中间的数据段。按照信号时间排序，将对应时间点的数字电路值输入到上文建立的数学模型中，生成该时间段内数字电路电流、电压波形图。通过无线网络协议将数据发送到用户端上，对分析图像进行可视化展示，并运行数字电路中各个元器件功能程序进行循环。按照上述流程，用户根据实验需求，获取到相应的实验结果，以此完成基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验。4实验论证4.1实验准备与设计为了检验本次提出的基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验系统的可行性与可靠性，以某数字电路为实验对象，利用此次设计系统对该数字电路进行虚拟仿真实验，并选择两种传统系统作为对比，两种传统系统分别为基于Multisim和基于LabVIEW，以下用传统系统1与传统系统2 表示。实验准U备了一台液晶显示器、一台服务器、一台单片机以及一台数模0(2)1V=e-cX-ZU.V,转换器，将系统硬件设备电源采用串联的方式接入到实验室电路总线上，并对各个硬件设备调试。计算机系统采用win-dows2010,CPU为FMAAT261.26.i8，16 G B硬盘。在Proteus软件中建立数字电路数学模型，在软件中放入一个AC电源，将电路额定电压设置为12.46 V，额定电流设置为32.41uA，电容设定为0.2 6 uF/km，电阻设定为0.6 52/mk，电感设定为3.64mH/km，电路长度为12 6 4.2 5m。创建完电路数字模型后，将仿真数据连接到Proteus自动化API上，利用文件路径输入数据打开Proteus文件，枚举数字电路的I/O，执行仿真控制选板，等待数字电路虚拟仿真结果，以此完成数字电路虚拟仿真实验，仿真实验结果如图2 所示。0.02元件选定参数还原初始化参数(5)图2 数字电路虚拟仿真实验结果图从图2 可以看出，设计系统基本可以完成数字电路虚拟仿真实验任务，以下对系统具体性能进行检验。4.2实验结果与讨论实验以仿真电路波形与实际电路波形相似度和仿真实验用时作为三种系统精度、响应两个性能评价指标，按照上述电路虚拟仿真程序，对电路仿真测试十次，截取3s内数字电路电140D设置测点仿真值仿真显示2012+29工仿真路径Changjiang Information&Communications流波形图，根据实验数据计算出仿真电路波形与实际电路波形相似度，其计算公式如下：=I.4-B式中，y表示系统显示数字电路波形与实际电路波形相似度，数值取值范围为0-1，数值越大表示两个波形相似度越高，仿真实验越接近现实；Amax、Bm a x 分别表示系统显示电路波形中电流最大值与实际电路波形最大值；Amin、Bm i n 分别表示系统显示电路波形中电流最小值与实际电路波形最小值；A、B分别表示系统显示电路波形中电流平均值与实际电路波形电流平均值。利用公式(6)计算出十组电路波形相似度，用电子表格对实验数据记录，结果如表1所示。表1三种系统仿真电流波形与实际电流波形相似度对比电路序号设计系统10.980.972345678910从表1可以看出，设计系统仿真电路电流波形与实际电路电流波形相似度比较高，最高相似度可以达到0.9 9，最小相似度为0.9 3，平均相似度为0.9 6，可以将电流相似度控制在0.9以上，说明设计系统虚拟仿真的电路与实际实验电路基本一致，仿真数据精度较高；而两种传统系统仿真电路与实际电路波形相似度相对较低，传统系统1与传统系统2 仿真与实际电路波形相似度最大值分别为0.58、0.52，最小值分别为0.45、0.39，平均值为0.51、0.44，远远低于设计系统，证明了设计系统仿真实验精度优于传统系统。为了进一步验证设计系统的适用性，对三种系统仿真实验用时时间进行对比，实验以输入数字电路参数时间为开始时间，以系统显示实验结果时间为结束时间，使用电子表格对实验数据记录，实验抽取4组实验数据，根据实验数据绘制三种系统仿真实验用时时间对比图如图3所示。设计系统10.58.56.54.52.50图3三种系统仿真实验用时时间对比图141李谊萍：基于Proteus的数字电路虚拟仿真实验系统设计从图3可以看出，设计系统仿真实验用时时间比较短，最短时间仅为2.36 s，最长时间为3.12 s，而在本次实验中两种传统系统用时时间相对比较长，传统系统1与传统系统2 仿真(6)时间最短分别为8.34s、8.49 s，最长时间分别为8.8 4s、9.46 s，远远长于设计系统。因此本次实验验证了，无论是在精度方面还是在响应性能方面，设计系统均表现出明显的优势，相比较传统系统更适用于数字电路虚拟仿真实验。5结语此次结合传统系统存在的缺陷与不足，将Proteus技术应用到数字电路虚拟仿真实验系统中，设计了一套新的实验系统，有效提高了系统实验精度，缩短了数字电路虚拟仿真实验时间，实现了对传统系统的优化与创新。此次研究对提高数字电路虚拟仿真实验真实性和准确性，推广Proteus技术在仿传统系统1传统系统20.450.390.530.480.990.480.980.580.960.520.970.530.930.510.990.490.990.520.990.45传统系统1第一组第二组实验组别真实验系统中广泛应用，提高数字电路仿真实验虚拟化、智能化水平，具有一定的现实意义。但是本次设计系统尚未在实际中得到大量应用与操作，在某些方面可能存在一些不足，今后会对数字电路虚拟仿真实验系统优化进行研究，为数字电0.52路虚拟仿真实验提供有力的技术支撑。0.520.460.430.470.420.490.47传统系统2第三组第四组参考文献：1闫奕名,赵春晖,廖艳苹,等.微波波导负载阻抗测量与匹配虚拟仿真实验系统设计J.实验技术与管理,2 0 2 2,39(11):192-196.2孙琴,邓自康,刘欣,等.基于Unity3D的气动顺序回路虚拟仿真实验系统开发J.电子测试,2 0 2 2(19):8-11.3雷菁,王广义,黄英,等.5G通信网络规划与控制虚拟仿真实验系统设计与应用J.实验技术与管理，2 0 2 2,39(0 8)：101-108.4邓莉,孙可,刘金梅,等.Unity 内嵌Matlab子程序实现迈克尔逊干涉仪虚拟仿真实验中的干涉动态演示J.大学物理实验,2 0 2 2,35(0 3):12 4-130.5于本知,韩建宁,赵欣洒,等.基于Unity3D引擎的类流体光声检测虚拟实验系统的设计与开发J.中北大学学报(自然科学版),2 0 2 2,43(0 2):18 6-19 2.6 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