使用NI LabVIEW和NI Multisim实现数字电路和模拟电路的联合仿真 - National Instruments
使用NI LabVIEW和NI Multisim实现数字电路和模拟电路的联合仿真
以下文档介绍了如何在NI LabVIEW和Multisim软件之间实现模拟和数字数据的联合仿真。学习如何使用LabVIEW来改变Multisim软件中的一个串联RLC电路中直流电源的电压输出值，然后将仿真后的电路输出电压回传给LabVIEW，并在LabVIEW显示图形中进行显示。
在设计和分析一些完整系统(例如电力和机械行业的一些工程应用)的时候，您需要有效地在模拟部分和数字部分之间进行设计。传统的平台不能准确地将模拟和数字部分进行综合仿真，所以设计错误会影响到物理原型，进而造成低效率而且冗长的设计过程。
现在，使用具有全新联合仿真能力的和，您可以为整个模拟及数字系统设计出精确的，闭环逐点仿真。
2. 软件需求
在开始LabVIEW和Multisim的联合仿真之前，你必须按照顺序安装下面的软件。
1. 安装LabVIEW 2011完整版/专业版或更新的版本
2.安装LabVIEW控制设计与仿真模块2011或更新版本
3. 安装Multisim 12.0或更新版本。在安装Multisim的过程中选择安装NI LabVIEW-Multisim Co-Simulation 插件。
4.现在，你已经成功安装了LabVIEW与Multisim联合仿真所需的开发环境。
3. 在Multisim中创建一个模拟电路
1. 放置一个压控电压源，这样在仿真的过程中就可以使用LabVIEW来调整直流电压输出值。右键单击，从弹出的快捷菜单中选择放置元件。 选择以下参数：
数据库: Master Database
元件组: Sources
类别: Controlled_Voltage_Sources
元件: Voltage_Controlled_Voltage_Source
点击确认来将元件放置到电路原理图上。双击该元件可以改变控制电压与输出电压的比率。如果设置比率为1 V/V，那么当LabVIEW改变1V的时候，Multisim中的压控电压源也会改变1V。
2. 在电路图上放置电阻，电容和电感。使用以下参数的理想元件：
数控库: Master Database
元件组: Basic
类别: CAPACITOR, INDUCTOR, RESISTOR
元件: C=50 uF, I=20 mH, R=10 Ω
随着Multisim 12.0的发布，您可以使用非理想电阻，电容和电感，添加元件的寄生参数。对非理想元件，使用以下参数：
数控库: Master Database
元件组: Basic
类别: NON_IDEAL_RLC
元件: NON_IDEAL_CAPACITOR, NON_IDEAL_INDUCTOR, NON_IDEAL_RESISTOR
放置元件以后，你必须双击每一个元件来改变非理想元件的值。这个时候也同时可以修改可靠的寄生参数。
3. 最后，在电路图中放置电路的地。在选择元件对话框中，选择以下参数：
数据库: Master Database
元件组: Sources
类别: Power Sources
元件: Ground
4. 现在，你已经可以在电路图中添加LabVIEW交互接口，用以与LabVIEW仿真引擎之间的数据收发。这些Multisim中的接口是分级模块(Hierarchical Block)和子电路(Sub-Circuit)接口(HB/SC)。右键点击鼠标并从弹出的快捷菜单中选择 Place on schematic>>HB/SC，或者简单地点击键盘<Ctrl-I>。放置一个HB/SC接口在电路图的左上方，另一个放置在右上方。按住Ctrl 并点击 R 将第二个接口旋转180度。按照下图将电路与接口连接起来。
5. 然后，你必须打开LabVIEW Co-simulation Terminals窗口来将HB/SC接口设置为针对LabVIEW的输入或者输出。浏览到 View>>LabVIEW Co-simulation Terminals。
注意前面放置在本窗口中的HB/SC接口，为了将各个接口配置为输入或者输出，在模式设置中选择所需要的选项，然后可以在类型设置中将各个接口设置为电压或者电流输出/输出。最后，如果你想将放置的输入输出接口设置为不同的功能对，你可以选择Negative Connection。将IO1配置为输入，然后将IO2配置为输出。
6. 注意 Multisim design VI preview 会根据你所作的选择的不同不断更新。这个预览是之后你会放入LabVIEW用作与Multisim电路交互的虚拟仪器(VI)。如果你希望改变这个Multisim VI中输入与输出接口的名字，可以修改LabVIEW Terminal 设置中的文本。例如，为输入和输出模块更改Voltage_In和Voltage_Out文本。
7.完整的电路包括一个与电感，电容和电阻串联的压控电压源。压控电压源的输出电压由LabVIEW中的一个控件控制，RLC滤波器的输出传送回给LabVIEW，然后在图形化显示控件中将输入电压和输出电压同时进行显示，以便于比较。下图给出了Multisim的设计片段（Multisim Design Snippet），你可以将该片段直接拖放到Multisim环境中，将自动生成代码。
8. 保存Multisim设计于一个常用的位置，这样你可以在编写LabVIEW的时候再次调用它。现在你可以进行LabVIEW VI的编程，以完成与Multisim的通讯。
4. 在LabVIEW中创建一个数字控制器
1.要在LabVIEW和Multisim之间传送数据，首先需要使用LabVIEW中的控制与仿真循环(Control & Simulation Loop)。浏览到LabVIEW的程序框图(后面板)，右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & Simulation>>Simulation>>Control & Simulation Loop。左键点击，并将其拖放到程序框图上。
2.要修改控制仿真循环的求解算法和时间设置，双击输入节点，打开Configure Simulation Parameters窗口。输入如下图的参数；在这些选项中使用本文后面提供参数，可以有效地在LabVIEW的波型图表中显示数据。你也可以根据自己的需求改变这些参数。
3. 现在，在你的VI中添加仿真挂起(Halt Simulation)函数来停止控制仿真循环。右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & Simulation>>Simulation>>Utilities>>Halt Simulation。左键点击，并将其拖放到程序框图上，然后在布尔输入上右键点击并选择Create>>Control。这样就可以在VI的前面板上创建一个布尔控件来控制程序的挂起，来停止仿真VI的运行。
4.接下来，将管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之间通讯的Multisim Design VI放置到程序框图中。右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & Simulation>>Simulation>>External Models>>Multisim>>Multisim Design，左键点击，并将其拖放到控制与仿真循环之中，注意，这个VI必须放置到控制仿真循环中。
当你将Multisim Design VI放置到程序框图上以后，会弹出选择一个Multisim设计（Select a Multisim Design）对话框。在对话框中你可以直接输出文件的路径，或者浏览到文件所在的位置来进行指定。
现在Multisim Design VI会生成接线端，接线端的形式与Multisim环境中的Multisim Design VI预览一致，具有相对应的输入与输出。如果接线端没有显示出来。左键点击下双箭头，展开接线端。
5. 要向Multisim中的电路传送数据，你必须首先在前面板上创建一个数字控件。可以通过右键点击输入接线端，Voltage_In，然后选择Create>>Control来方便地完成创建命令。这样就能够在程序框图中放置一个数字控件的接线端，并且该接线端已经连接到了Multisim VI的输入上。程序框图中的控件在前面板上有一个对应的控件。这就是LabVIEW中的用户界面。可以按<Ctrl-E>来快速地在前面板和程序框图之间进行切换。
如果你想要改变前面板中数字控件的外观，你可以调整它的大小，并随意移动它。同样，你也可以用一个转盘，旋钮，滑动杆来代替这个控件，还可以右键点击该控件，选择Replace>>Silver>>Numeric，然后你需要的数字控件。双击控件的最大值和最小值可以调整控件的可调范围。这里，我们将范围设置为-25到25。
6.要将Multisim中的数据显示到LabVIEW中，你需要创建一个显示控件来展示数据。因为你需要同时显示输入电压和Multisim仿真以后的输出电压结果，一个波型图表可以做得很好。在前面板的空白位置点击右键，浏览到Silver>>Graph>>Waveform Chart (Silver)，放置并调整大小。
7. 为了准确地将输入电压和输出电压显示在一起，你需要将两个信号创建到一个数组中，右键点击程序框图，浏览到Programming>>Array>>Build Array 函数，左键点击并将其拖放到程序框图中。将你的鼠标指针放到Build Array函数下面中间位置，会变成大小调整指针，然后左键点击，拖动函数，将Build Array函数调整会两个输入端口。将电压调控件的输出端连接到上面的输入端口，然后将Multisim Design VI的输出电压Voltage_Out端口连接到下面的输入端口上。这样就可以创建一个两个元素的一维数组。
8. 最后，你需要在循环中放置一个函数来创建仿真时间波型以正确地显示两个波型。右键点击程序框图并浏览到Control Design & Simulation>>Simulation>>Graph Utilities>>Simulation Time Waveform。这个VI会自动地放置一个波型图表。方便地删除点这个新的图表，并将Simulation Time Waveform VI输出端连接重新连接到已经创建好的波型图表上。将Build Array函数的输出端连接到Simulation Time Waveform的输入端上。
9. 如果想要创建更具有可读性的波型图表。浏览到前面板，右键点击波型图表，选择属性，浏览到显示格式选项卡，在类型中选择自动格式，在位数中选择4。
然后浏览到缩放选项卡，取消时间(X轴)的自动缩放。最后，从时间(X轴)切换到幅值（Y轴），同样取消其自动缩放。这样就可以将图表的范围固定下来。点击确认应用所作的修改。
10. 接下来，双击幅值标尺的最大值和最小值，分别输入40和-40。这样就可以显示超过范围的显示值。双击时间轴的最大值，将该值设置为0.25，或250毫秒。
11.保存这个LabVIEW VI到一个常用的位置，最好是与前面创建的Multisim设计放置在一个路径下面，因为他们是一个仿真应用组。下图给出了该程序的VI片段，你可以拖放到一个空白的LabVIEW VI中，它会自动生成代码。点击了解更多相关信息。现在你已经准备好进行LabVIEW和Multisim联合仿真了。
注意: 一些浏览器不支持拖放LabVIEW VI片段功能。一个解决的办法是右键点击图片，选择Save image as…来保存图片。现在你就可以将保存后的图片拖放到LabVIEW的程序框图中。
5. 在LabVIEW 和Multisim之间实现联合仿真
我们已经在Multisim和LabVIEW中创建好了模拟电路和数字控制，而且我们已经建立好了数据通讯。你现在可以在两个仿真环境之间实现联合仿真，并且将结果以图形化的形式显示到LabVIE前面板的波型图表中。
1. 点击LabVIEW工具栏中的运行按钮来开始联合仿真。这个时候并不需要打开Multisim，因为此时，另一个Multisim的实例已经在后台运行。大概需要5到30秒的时间来启动这个实例，然后开始LabVIEW和Multisim仿真引擎之间的联合仿真。
2. 修改LabVIEW中的输入电压，观察从Multisim仿真引擎返回的输出电压的结果。下图显示了一个结果范例。
3. 在Multisim中修改RLC电路和参数来改变电路对输入电压的响应。如果想在仿真的过程中实时改变电阻，电容，电感的值，可以使用Multisim中的压控电阻，压控电感，压控电容，然后将LabVIEW中的控件值传送给Multisim。
正如LabVIEW前面板上波型图表显示的结果所示。LabVIEW和Multisim可以有效并准确地仿真RLC电路在多种不同输入电压变化条件下的输出响应。在这个范例中，LabVIEW作为数字控制器，控制了Multisim中仿真的模拟电压中的直流电源。这是一个简单但是相当基础的联合仿真电路。当然，还有更多更为复杂的LabVIEW与Multisim联合仿真电路。
7. 相关链接
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如何在LabVIEW界面中调用、打开Multisim文件，并编辑电路，实现仿真？
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求助如何在labview中调用multisim元件或者插入multisim
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Multisim 和labview都是NI公司的，我想这样做，比如说把MULTisim 中的电阻元件，导入labview。则它就成为一个数值型控件。电压源等同理。
或者这样，我可以在labview里调用multism的元件及绘图自动连线功能。然后labview来编程仿真。新手学习。希望得到大家的指点。我看到的都是用multisim设计个仪器dianlu1，然后labview做出仪器，可以导入multisim.我想反过来。labnview可以插入Multisim。就想word里可以插入一个excel对象一样
不知道我说清楚没有。谢谢 。请帮忙
看到论坛有高手给出了在labview里打开word.那如何打开multisim呢？
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如何使用NI Multisim和LabVIEW来设计和仿真有刷直流电机H-桥电路
使用NI Multisim 12.0，你可以在原型化你的整个模拟和数字电路系统之前对系统进行桌面的仿真。现在，使用Multisimn/LabVIEW联合仿真特性，可以进行数字FPGA控制器逻辑和晶体管电力电子器件级的闭环仿真。本教程展示了如何使用Multisim和LabVIEW2011来开发有刷直流电机H-桥电路的模拟部分和数字控制模块。在本文中，将学习到如何使用机电一体化，电力电子和传感器反馈模块(Multisim中的新特性)来创建一个闭环控制系统。同时还简要介绍了如何创建并调试LabVIEW FPGA IP核。Multisim和LabVIEW允许在系统层面上进行联合设计，通过仿真，保证了LabVIEW中开发的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的算法和代码可以提供模拟电路所需的运行结果以后，就可以直接用硬件进行实现，改变达到最小化。借助有仿真功能的高级Multisim设计途径，你可以在设计流程的前面几个阶段就了解系统的准确性能，这样的结果是减小了原型化过程中的迭代次数(至多可以节省三次PCB制造次数)，并可以用更少的编译时间来实现更准确的嵌入式代码(每次编译可以节省大约四小时)。
1. 软件及硬件需求
(可选为硬件实现平台)
使用系统级的仿真，你可以实现两个独立的仿真引擎(模拟SPICE电路和数字逻辑控制)之间的点对点仿真。这种功能完全体现在Multisim和LabVIEW平台上，两者通过(cosimulation)的方式来完成交互。仿真的结果就是对整个模拟电路和数字模块的验证，包括了所有的系统的动态特性。Multisim，作为专为准备的模拟和混合信号电路仿真的环境，内置了大量顶尖半导体厂商(如Analog Devices, NXP, ON Semiconductor, Texas Instruments, 等)提供的SPICE模型。LabVIEW仿真引擎则以图形化，数据流的形式有效地设计和实现控制逻辑。该引擎可以为机械系统的嵌入式数字代码提供高级的仿真优化解决方案。
图1.  Multisim 和 LabVIEW联合仿真
在这个范例设计中，开发了一个有刷直流电机H-桥电路连同脉宽调制(PWM)闭环控制逻辑的完整的系统仿真方案。对直流电机进行了建模并在Multisim中和H-桥晶体管及门极驱动一起进行了仿真。反馈传感器和测量电机速度的正交编码器用来为LabVIEW提供反馈信号。在LabVIEW中，一个专利控制逻辑用来对Multisim送来的反馈的信号进行处理。生成的PWM控制信号又再次施加给Multisim的输入接口，以此控制H-桥的晶体管门极开关状态。这个电路可以调节流入电机的电流大小。使用LabVIEW FPGA IP模块进行的逻辑仿真以40MHz的频率运行。
本教程演示了一个在硬件实现前准确的桌面仿真原型。
3. 技术背景文档
学习以下相关知识：
 LabVIEW和Multisim联合仿
4. 设计过程
Multisim电路设计
设计的第一步是在Multisim中开发模拟电路。电路中包括了Multisim 12.0提供的新的电力电子元件模型。
新的电力金属氧化物半导体，场效应晶体管(MOSFET)模型，可以改变器件的参数选项
新的直流永磁机模型
新的增量编码器和rad/s及rpm转换器模型
Multisim模拟电路包括三个不同电路图：
第一个电路使用了IR公司(International Rectifier)的MOSFET (IRF953和IRF371)
第二个电路又添加了两个额外的门极驱动器(IR2101)的SPICE模型来保证MOSFET开关有可靠的偏置。
第三个电路基于通用的MOSFET模型
图2. 使用(IR)公司MOSFET模型的模拟电路图
图3. 使用IR公司MOSFET模型和门极驱动器的模拟电路图
使用Multisim仿真，你可以在设计流程的靠前阶段验证电气部分。SPICE模型是由半导体生产商提供了基于真实器件性能的准确模型。使用这些模型，你可以在制造原型机之间就决定系统预期达到的效果。
在仿真中使用IR公司的MOSFET模型可以在桌面仿真阶段就验证电路的真实运行情况。观察结果可以发现，由于在第二个电路中添加了门极驱动器，引入了几个纳秒的延迟，当然，这是可以忽略的。
如果你使用的MOSFET没有生产厂商提供的模型，增强的Multisim数据库提供了通用的MOSFET模型，你可以根据器件规格自定义MOSFET的各个参数。图4中的第三个电路图展示了基于通用MOSFET模型的电路图。
图 4. 使用通用MOSFET模型的模拟电路图
HB/SC接线端定义为LabVIEW联合仿真的输入与输出端口。表1是从Multisim设计中导出的电子表格：
LabVIEW 接口
IdealSpeed
IdealSpeed
 表 1. LabVIEW 联合仿真输入与输出接口信息
最后，Multisim设计会在LabVIEW中加载为一个控制设计与仿真模块。整个系统的仿真会基于LabVIEW图形化界面运行，LabVIEW会与后台运行的透明的Multisim进行定时的数据传送和交互。
数字控制设计
Multisim设计会被装载入LabVIEW中作为一个虚拟仪器，然后连接到不同的系统模块来构成完整的闭环反馈系统。参考LabVIEW技术资源 来学习更多关于LabVIEW图形化编程及系统设计的基础知识。
图5的框图展示了系统的信号路径。
图 5. 系统框图
5. LabVIEW FPGA IP核
LabVIEW FPGA模块非常适合开发天生并行运行的FPGA硬件。另外，它还可以有效地对低级FPGA代码进行仿真，与直接编译FPGA数字相比可以节省很多时间。
在传统的控制逻辑设计中，工程师开发出与模拟电路分享的嵌入式的代码，但是逐渐地他们需要在系统级进行交互，这个通常很难实现同时的仿真。这种仿真能力的缺乏有可能导致开发出来的嵌入式逻辑并不能很好地支持模拟电路(例如，功率电路系统)，造成系统效率低于预期/设计指标。这将迫使开发者对算法进行调整并重编译。
每一次代码的修改都会在编译和部署阶段造成时间的损失(一次简单的重编译就可能花费你四小时的时间)。准确的结合模拟电路的联合仿真(可以由Multisim和LabVIEW提供)可以让你在制造原型或编译之前就了解系统整体的性能，所以可以减少原型化的迭代次数，节省开发时间和开发成本。
本设计中使用数字控制包括了四个LabVIEW FPGA IP核，如下图所示。
比例积分IP
在这段代码中，会根据用户提供的输入参数(Kp 和 KI)按照比例积分控制算法计算输出值。  
图 6. 比例积分模块框图和界面
正交编码器IP
在下面的代码中，解码后表示了电机转速(A,B和I)的信号会被重新编码来还原真实的速度值，然后提供反馈给PI模块，以此决定电机的转速是过快还是过慢。 
图 7. 正交编码器模块程序框图和界面
PWM发生器IP
该代码模块接收用户提供的时间输入和PI控制模块提供的反馈输入。
图 8. PWM控制模块程序框图和界面
H-桥控制器IP
该IP模块将PWM输出转换为4路MOSFET的开关信号，然后决定哪一个对角元素是打开还是关闭。它同时还接收用户对MOSFET死区时间的设置输入。
图 9. H-桥控制模块程序框图和界面
6. 完整系统架构
所有这些模块都放置在一个控制与仿真循环中，使用了预先设置的固定步长。系统可以以40MHz（250ns每步长）的频率运行。另外还开发了图形化用户界面来监控系统信号（如电机转速度和电流）。
图 10. 本完整系统架构框图包括了不同的FPGA模块和Multisim电路设计
完成了模拟功率建模和数字控制器设计之后，使用联合仿真工具对完整的系统进行分析和优化。在联合仿真环境下，Multisim和LabVIEW同时执行非线性的时域分析，每一个时间步长结束时两者交互数据。另外，当LabVIEW被配置为使用可变步长解算器之后，Multisim和LabVIEW就可以对未来的仿真步数进行协调，这样就形成了一个高度集成并且精确的仿真。结果就是两个工具都可以加强运算的精度，即使在两个解算器之间有耦合的养分方程的情况下，也可以保证仿真结果准确可靠。
通过系统分析，可以进一步观察到有刷直流电机驱动系统的运行性能。嵌入式FPGA控制代码和模拟对象模型中各个变量都可以在联合仿真的过程中观察到。能够观察任何信号(例如，MOSFET/电机中的电流/电压信号，控制代码的死区特征等)的功能让我们可以对系统的连通性有一个可靠的验证，也能更深入地了解系统的行为。1
图 11. 在这个1秒的系统仿真中，电机转速从0上升并稳定于1200rpm，显示的信号包括设定转速(红色)，Multisim中传感器读取的转速(黄色)以及仿真过程中电机的真实转速(白色)。
图 12. 仿真系统的LabVIEW界面显示了1秒的系统仿真时间，电机转速从0上升并稳定于1200rpm过程中从Multisim读取的电机电流信号(绿色)和LabVIEW给出的FPGA控制信号(蓝色)
你可以联合Multsim和LabVIEW的仿真功能来为带有直流有刷电机和相关电力电子器件的机电一体化系统创建完整的桌面仿真，针对H-桥进行模拟电路仿真，使用LabVIEW实现数字控制模块仿真。点对点的仿真可以在系统设计的前期阶段对系统进行验证，帮助你决定最合适的元件，PI控制参数，H-桥驱动模式和系统监控方案。
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