Реферат: Исследование радиоэлектронных схем с использованием их виртуальных аналогов
Цельработы
1. Осуществить связь между программнымисредствами NI MultiSim 10.1 и NI LabVIEW 8.5 с помощью дополнения MultisimAutomation with the LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit (beta);
2. Ознакомиться и научиться пользоватьсяинструментами добавления Multisim Automation with the LabVIEW MultisimConnectivity Toolkit (beta);
3. Собрать исследуемую модельлабораторного макета «входная цепь бытовых радиоприемников» – «схема свнутриемкостной связью с антенной и внутриемкостной связью с нагрузкой» подисциплине «устройства приема и обработки сигналов» в программной среде NILabVIEW, с использованием Multisim Automation with the LabVIEW MultisimConnectivity Toolkit (beta).
Введение
Всовременном мире, мире компьютеризации, человек уже не может обходиться безкомпьютеров и специального программного обеспечения для достижения каких-либоцелей. Все производство требует участие компьютерных технологий. Другимисловами, компьютер – облегчает жизнь человека, а именно ускоряет требуемоевремя, экономит денежные средства и увеличивает качество и количествопроизводимых товаров в производстве.
Но по сейдень появляются некоторые трудности, связанные со спецификой программногообеспечения.
Впредприятиях, которые занимаются разработкой различных РЭС, используютмножество программных пакетов, позволяющие ускорить проектируемый процесс,устранить множество ошибок, возникшие при проектировании, и т.п. этипрограммные средства известны как САПР – система автоматическогопроектирования.
Впроцессе обучения, для исследования различного рода схем, в отсутствииреальных, мы использовали их виртуальные аналоги, с помощью САПР ElectronicsWorkbench. Спустя некоторое время, эта САПР развивалась и переросла уже в САПРNI MultiSim. И на данный момент, исследования схем проводятся с помощью этойпрограммного средства.
MultiSimразработана компанией National Instrument. Ею так же разработан ряд другихпрограммных средств, таких как Ultiboard, LabVIEW, Signal Express и т.д. Однойиз особенностей этих программных средств является способность обмениватьсямежду собой различными данными. Что позволяет сделать проектированиеуниверсальным в своей области.
Что такоеMultiSim?
Multisim – этоуникальная возможность разработки схемы и ее тестирования/эмуляции из однойсреды разработки. У такого подхода есть множество преимуществ. Новичкам в Multisim не нужно беспокоиться о сложном синтаксисе SPICE (Simulation Program with IntegratedCircuit Emphasis – программаэмуляции со встроенным обработчиком схем) и его командах, а у продвинутыхпользователей есть возможность настройки всех параметров SPICE.
Благодаря Multisimописание схемы стало какникогда простым и интуитивно понятным. Представление в виде электронной таблицыпозволяет одновременно изменять характеристики любого количества элементов: отсхемы печатной платы до модели SPICE.Безрежимное редактирование –это наиболее эффективный способ размещения и соединения компонентов. Работать саналоговыми и цифровыми составными элементами интуитивно просто и понятно.
Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволятпользователям подключать к схеме виртуальные приборы. Концепция виртуальныхинструментов – это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитацииреальных событий.
Также в Multisimесть специальные компонентыпод названием «интерактивные элементы" (interactive parts), вы можете изменять их во время эмуляции. К интерактивным элементамотносятся переключатели, потенциометры, малейшие изменения элемента сразуотражаются в имитации.
При необходимости более сложного анализа Multisim предлагает более 15 различных функций анализа. Некоторые примерывключают использование переменного тока, Монте-Карло, анализ наиболеенеблагоприятных условий и Фурье. В Multisim входит Grapher – мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции.
Функции описания и тестирования схемы, представленные в Multisim помогут любому разработчику схем, сэкономят его время испасут от ошибок на всем пути разработки схемы.
Что такоеLabVIEW?
До недавних нор специалисты при решении задач в собственной предметнойобласти были вынуждены прибегать к помощи профессиональных программистов, какправило, не являющихся носителями знаний в этой области. Такое посредничествочаще всего увеличивало материальные и временные издержки, а самое главное,снижаю качество исследований и разработок. Даже использованиеспециализированных программных средств лишь частично снимало эту проблему.Появление программных продуктов последнего поколения с весьма дружественнымиинтерфейсами, адаптированных к менталитету и профессиональным навыкамспециалистов, сделало возможным их использование специалистами напрямую, неприбегая к помощи посредников. К таким новым программным продуктам относится LabVIEW имеющий весьма удобный пользовательский интерфейс и мощныесредства графического программирования. С каждой последующей версией LabVIEW возрастает уровень интеллектуализации интерфейса пользователяи удобство его использования.
LabVIEW являетсяидеальным программным средством для создания систем измерения, а также системавтоматизации управления на основе технологии виртуальных приборов. LabVIEW – программа в комплексе с такими аппаратными средствами, каквстраиваемые в компьютер многоканальные измерительные аналого-цифровые платы,платы захвата и синхронизации видеоизображения для систем машинного зрения,платы управления движением и исполнительные механизмы, а также измерительныеприборы, подключаемые к компьютеру через стандартные интерфейсы RS-232, RS-485, USB, GPIB (КОП), PXI, VXI, позволяетразрабатывать системы измерения, контроля, диагностики и управления практическилюбой сложности.
LabVIEW имеет собственнуюмощную математическую поддержку. Кроме того, LabVIEW можетинтегрировать в себя программы, написанные в среде MatLab. Большое количество встроенных алгоритмов цифровой обработкиодномерных и двумерных сигналов позволяет осуществлять весьма сложную обработкусигнала, изображения и экспериментальных данных во временной, пространственнойи спектральной областях. Программная среда LabVIEW постояннорасширяется новыми средствами обработки сигналов на основе вейвлет-анализа,алгоритмов нечеткой логики, сетевых технологий и т.д.
Роль программных сред, подобных LabVIEW, внаучных исследованиях и технических экспериментах весьма велика. В настоящеевремя в науке наблюдается своего рода «ренессанс» эксперимента. Вызвано эторазвитием и совершенствованием измерительной техники и появлением нового поколениявысокоточных и высокочувствительных измерительных приборов и автоматизированныхизмерительных систем, с помощью которых регистрируются тонкие эффекты 3-4-гопорядка малости. Несмотря на свою «малость», эти эффекты часто играют ключевуюроль в формировании основного явления, влияния на качество конечной продукции ит.д. Анализ подобных эффектов, как правило, оказывается вне досягаемоститеоретических моделей. Поэтому в большинстве случаев эксперимент являетсяединственным источником качественно новой и надежной информации. При этомрезультат достигается гораздо быстрее, чем методами «чистой» теории. Зачастуюэто выгодно и экономически, так как рядовой экспериментатор, вооруженный современныминструментарием, подобным LabVIEW,может достаточно скорополучить нужную информацию.
Традиционно для исследователя функции моделирования и экспериментированияразделены. Моделирование осуществляется в среде математических программныхпакетов, а эксперименты поддерживаются другими программными средствами, чтоотнюдь не повышает эффективность исследований. Эффективность использованиясреды LabVIEW в научных исследованиях состоит в том,что, оставаясь в ее рамках, можно разрабатывать как математическую модельобъекта, так и снабжать эту модель экспериментальными данными с помощьюаппаратных средств ввода-вывода, сопряженных с реальным объектом.
Перспективаиспользования LabVIEW для продления испытаний и проверки
1. Инженер проектировщик, имеятеоретические знания в различных областях, может производить различные анализы,получать, вычислять, преобразовать и сравнивать необходимые данные. Т.е.LabVIEW гибкий в своем использовании, за счет обширного набора функций.
2. Проведение испытаний и проверкипроводится большей точностью и скоростью, по сравнению с MultiSim.
3. Позволяет пользователю делать лицевуюпанель удобную для регулировки и визуализации.
4. Существует онлайн режим, благодаря чемупользователю предоставляется возможность проводить испытания с использованиемспециального высокопроизводительного оборудования посредством интернет обмена.
Имея этии другие достоинства, LabVIEW идеально подходит для проведения испытаний ипроверки РЭС.
Дооктября 2008 года пользователь мог осуществлять связь между
MultiSimи LabVIEW только посредством экспорта данных через «Grapher», и интегрироватьсозданные виртуальные приборы (ВП) LabVIEW в MultiSim вручную. Это и многоедругое затрудняло работу пользователя. 7 октября 2008 года вышла статья AnIntroduction to Multisim Automation with the LabVIEW Multisim ConnectivityToolkit (beta) [1], в которой рассказывается о осуществления связи LabVIEW иMultiSim посредством дополнительных инструментов. Благодаря этому дополнениюустранены выше упомянутые недостатки.
СВЯЗЬ«MULTISIM + LABVIEW»
Используядополнение An Introduction to Multisim Automation with the LabVIEW MultisimConnectivity Toolkit (beta) инженеру достаточно собрать схему РЭС в MultiSim,согласно определенному правилу (см. ниже) и произвести моделирование в LabVIEWв зависимости от того, что хочет получить сам инженер.
Какимобразом происходит эта связь?
MultiSimAutomation API позволяет производить и получать данные моделирования MultiSimчерез COM-интерфейс. Т.е. API позволяет программно управлять моделированиемMultiSim без необходимости просмотра в MultiSim. Таким образом, клиенты,написанные на любом COM-Aware языке программирования, таких как NI LabVIEW,могут получать доступ к MultiSim через этот интерфейс, а так же управлять иполучать данные моделирования движка.
Через APIможно:
1. Открывать и закрывать существующиесхемы MultiSim/
2. Изменить сигнал в месте установленногоисточника тока или напряжения.
3. Управлять запуском, остановкой, паузойи т.п. моделирования.
4. Получать результаты моделирования отустановленного «пробника».
5. Получить перечисления компонентовсхемы.
6. Заменить компоненты компонентами избазы данных.
7. Получить и установить значениярезисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.
8. Перечислять варианты.
9. Получить и установить активный вариантдля моделирования.
10. Создать отчет по схеме, включаяперечень элементов и список соединений.
11. Получить изображение схемы.
12. Изменять и заменить компоненты схемы наверхнем уровне проектирования, компоненты подсхем и иерархические блоки немогут быть изменены.
Подготовкасхемы в MultiSim
Настройкавходов
ИспользуяAPI можно менять значение источника сигнала (питания). Для этого необходимо всхеме установить этот источник. В зависимости от надобности, источников можетнесколько, и нужно установить их там где понадобится их контролирование.
Установкаисточника:
1. Выберите Place → Component
2. Database установите Master Database
3. Group установите Sources
4. В Family выберите POWER_SOURCES
5. Здесь выбираем AC_POWER или DC_POWER
Настройкавыходов
Для тогочтобы API понял с какой ветви схемы нужно брать сигнал необходимо установить«Пробник» (Probe). Каждый «Пробник» в схеме должен иметь свое индивидуальноеимя.
Установка«Пробника»:
1. Выберите Simulate → Instruments →Measurement Probe
2. Подключите «Пробник» к интересующейветви
3. Дважды щелкните по «Пробнику»
4. Выберите вкладку «Monitor»
5. В разделе RedDes введите имя«Пробника». Для ветви, которое является выходом, используют имя «output».
MultisimAutomation with the LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit (beta)
Как былосказано выше, Multisim Automation with the LabVIEW Multisim ConnectivityToolkit (beta) позволяет связывать схему в MultiSim с LabVIEW через MultisimAutomation API. Инструменты Multisim Automation API, такие как открытие,закрытие, просмотр схемы, запуск, пауза и т.п., представлены в LabVIEW как ВП.
Данноедополнение можно найти по адресу ni.com/labs.
Послеустановки Multisim Automation with the LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit(beta) новую палитру ВП можно найти в Functions → Connectivity →Multisim, а так же в Functions → Addons → Multisim (см. рис.1).
/>
Рис.1.Палитра MultiSim Automation API
Подключаемыефункции
Подключаемые функции Описание/>
Эти ВП позволяют подключать и отключать движок Multisim./>
Эти ВП позволяют открыть, сохранить, создать новый пустой файл Multisim, увидеть имя файла и схемы./>
Для моделирования существуют различные элементы ввода/вывода. Эти ВП ввода/вывода позволяют получить, установить и удалить элементы ввода/вывода при моделировании./>
Эти ВП позволяют контролировать процесс моделирования: запуск, пауза, остановка, возобновление и т.п. Также производить частотные характеристики и контролировать процесс с помощью команд командной строки (SPICE)./>
Эти ВП позволяют изменять значения компонентов схемы./>
Здесь часть ВП позволяют обрабатывать ошибки и часть ВП – утилиты, которые позволяют LabVIEW согласовываться с automation API.Полиморфныефункции
Дляоблегчения многие из функций LabVIEW являются полиморфными, т.е. один блокимеет несколько функций. Например, если рассмотрим функцию Log File (ФайлЖурнала), то можем увидеть что он может иметь одно из трех подфункций:
· Get the Log File Path (Получить путь кФайлу Журналу);
· Set the Log File Path (Установить путьк Файлу Журналу);
· Disable the Log File Path (Отключитьпуть к Файлу Журналу).
Имеющиесяполиморфные функции и связанные с ними подфункции:
Функция Подфункция Enum Inputs· 1D String Array
· Variant
Enum Outputs· 1D String Array
· Variant
Set Input Data· Raw
· Sampled
Clear Input· Input
· All Inputs
Clear Output· Output
· All Outputs
AC Sweep· String
· 1D String Array
· Variant
Save· Save
· Save As…
Enum Components· 1D String Array
· Variant
Active Variant· Get
· Set
RLC Value· Get
· Set
Last Error Message· From Application
· From Circuit
Report· BOM (Real, Virtual, Txt, Csv)
· Netlist (Probes, No Probes, Txt, Csv)
Log File· Get
· Set
· Disable
Multisim Path· Get
· Set
Модельлабораторного макета «входная цепь бытовых радиоприемников» – «схема свнутриемкостной связью с антенной и внутриемкостной связью с нагрузкой»
Используявышеупомянутые инструкции соберем схему с внутриемкостной связью с антенной ивнутриемкостной связью с нагрузкой входной цепи бытовых радиоприемников (см. рис.2).На вход реального лабораторного макета подается синусоидальный сигнал с ВЧгенератора амплитудой 50 мВ и частотой, изменяемой в пределах 600…1400 кГц.Поэтому в схеме собранной в Multisim установим источник переменного напряжения– DC_POWER. Конечно, далее, уже в LabVIEW значение источника будем менять почастоте в заданном диапазоне, но для правильной синхронизации программныхсредств, нам нужно установить любое значение. Поэтому выбрано значение чатоты 1МГц. R3 является нагрузкой схемы, поэтому выбор ветви пал на ветвь «output».Куда и устанавливаем «пробник». Изменим имя пробника с «Probe1» на «output». Наэтом подготовка в среде Multisim закончена.
/>
Рис.2.Схема в Multisim
Переходимк сборке модели исследования в LabVIEW. Связь будет осуществляться такимобразом:
/>
Рис.3.Обмен данными между MultiSim и LabVIEW модели
Сборкумодели начнем с установкой необходимых ВП в окне Block Diagram LabVIEW.Расположим блоки по их надобности (см. рис.4).
1. Включаем «движок» Multisim;
2. Открываем файл cхемы в MultiSim;
3. Определяем входной источник входногосигнала;
4. Включаем блок, с помощью которого можноподавать сигнал из LabVIEW в исследуемую схему в MultiSim, через источник V1;
4'. Генератор, с помощью которого подается сигнал на блоксинхронизации с MultiSim;
5. Устанавливаем значение ферровариометраL1;
6. Определяем местоположение «Пробника»;
7. Определяем какие данные нужно получитьиз «Пробника»;
8. Запускаем моделирование в MultiSim(кстати, в этот момент начинает работать MultiSim в фоновом режиме);
9. Получаем данные после моделирования;
10. Смотрим, изменилось ли значениеферровариометра L1;
11. Выводим необходимые данные для контролясигнала, в нашем случае на осциллограф и на вольтметр;
12. Останавливаем моделирование;
13. Отключаем «движок» MultiSim;
14. Осциллограф.
Далеепереходим в окно Front Panel в LabVIEW. Здесь установим и разместим необходимыеинструменты контроля (см. рис.5)
Полученнаявиртуальная модель лабораторного макета полностью соответствует реальномулабораторному макету.
/>
Рис.4.Блок диаграммы лабораторного макета
/>
Рис.5.Лицевая панель лабораторного макета
Заключение
Проделаннаяработа позволяет с уверенностью сказать
1. Проектирование занимает меньшее время,сил и денежных средств.
2. С помощью данного дополнения инженер слегкостью может продемонстрировать функциональность разрабатываемогоустройства.
3. Студенты могут выполнять лабораторныеработы используя виртуальные лабораторные макеты, например как представленный вданном докладе. И т.к. этот любой виртуальный макет можно размножить, то заодно занятие все студенты могут выполнять одну и ту же лабораторную работу,используя каждый свой макет. А это позволяет лучше понять лекционный курс, т.к.студент уже имеет все необходимые знания. А так же студент может выполнитьлабораторную работу дома, используя при этом свой ПК.
4. Если рассматривать второй и третийпункты достоинств, то при исследовании устройства, можно выявить еще однодостоинство: выход из строя виртуального устройства–макета невозможен.
5. В [2] предложены модели исследования подисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн». Смею предположить,что благодаря дополнению можно исследования передатчика, передачи и приемсигнала объединить в единое целое.
И ещеможно выявить ряд не перечисленных выше достоинств…
Списокиспользованной литературы
1. http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7785An Introduction to Multisim Automation with the LabVIEW Multisim ConnectivityToolkit (beta).
2. Евдокимов Ю.К.,Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEWдля радиоинженера: отвиртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы впрограммной среде LabVIEW. – М: ДМК Пресс, 2007. – 400 с.
3. National Instruments. Введение в Multisim. Трехчасовойкурс.