接口仿真平台（精选8篇）
接口仿真平台 篇1
0 引言
利用电力系统动态仿真程序模拟和分析电力系统的全过程稳定特性, 对避免发生大面积停电事故及研究防止事故扩大的有效措施具有重要意义。
稳控装置是电力系统的重要组成部分, 它对保证系统发生较严重的故障时仍维持安全稳定运行有着很重要的作用。但是, 目前电网稳定分析软件中安全稳定控制的功能仿真与国内电网中实际广泛应用的稳控装置有着较大区别, 缺少区域型稳控装置的模型, 无法真实、完全地反映稳控装置在电网故障期间对电网稳定性的影响。因此, 研究稳控装置模型及其建模方法, 在稳定分析工具中引入稳控装置接口仿真平台, 真实模拟电网全过程动态特性, 对提高电网动态仿真的精确性、验证稳控装置工作准确性十分重要[1,2,3]。
本文围绕电网动态仿真中的稳控装置接口仿真平台进行研究, 介绍了实际稳控装置的动作特性, 提出了用于电网动态仿真的稳控装置模型, 建立了相应的接口仿真平台 (ISP) ;在此基础上, 结合电力系统仿真计算软件 (PSASP) 的用户程序接口 (UPI) 功能, 进行了仿真算例验证。
1 电网动态仿真中的稳控装置模型现状
稳控装置是指当电网出现紧急状态后, 通过执行各种紧急控制措施, 使电网恢复到正常运行状态的控制系统。稳控装置分为区域型和就地型2种。就地型稳控装置通常只应用于可等值为单机无穷大的电网中。现代电网中已难以找到单机无穷大的典型模式, 在一个厂站用就地稳定控制系统就能解决电网稳定性的情况已经很少。通常提到的稳控装置指的是区域型稳控装置, 目前国内广泛应用的稳控装置主要有国电自动化研究院和南京南瑞集团公司联合开发的FWK-300分布式稳定控制装置、南京南瑞继保公司开发的RCS-992A系列分布式区域安全稳定控制装置、RCS-9012稳控集中管理系统和北京四方公司开发的CSS-100BE数字式安全稳定控制装置、CSSM-2000电网稳定控制集中管理系统等[4,5,6,7]。另外, 国电自动化研究院研制的大电网广域监测分析保护控制系统 (WARMAP) [8,9]也可进行在线安全稳定及经济运行分析, 实现控制策略的离线校核、在线计算和整定, 但该系统的稳控装置模型与电网中实际应用的安全稳定系统的工作过程并不完全一致, 并且未提供与常用电网动态仿真程序的接口。
而目前国内外常用的电网动态仿真程序中几乎没有提供稳控装置模型, 提供的安全稳定控制措施仅有自动切负荷和解列两大功能。表1为目前国内外一些有代表性的电网动态仿真程序中稳控装置模型的研究现状[10,11,12,13,14]。
表1所述控制措施大多基于就地控制, 缺少区域型稳控装置的模型;另外, 仿真程序仅能通过时间延时预设某些安全稳定控制措施, 这与实际稳控装置的工作过程有较大区别, 无法真实模拟实际稳控装置的动作情况。因此, 必须在电网动态仿真程序中引入与实际应用的稳控装置动作特性相一致的稳控装置模型。
2 稳控装置建模
实际稳控装置包括主站、子站和执行站。工作时先离线生成控制决策表, 存储于主站或子站中;在线运行时由主站/子站检测故障信息、查找匹配决策表、转发控制信息等, 由执行站执行控制策略。
2.1 稳控装置模型总体结构和功能概述
在稳控装置建模时, 可忽略实际系统的通信要求, 将主站、子站、执行站的相似功能整理合并, 采取2层结构:主站为第1层, 子站和执行站合并为第2层。
主站独立设置, 主要功能为运行方式预设识别、存储决策表、故障判断、故障匹配、查找决策表、转发控制策略等。
子站设置于需要执行控制策略的网络节点处, 具体位置由电网结构及运行方式决定, 主要功能为执行控制策略。
2.2 稳控装置模型的工作过程
稳控装置模型先通过离线仿真计算生成预想故障集、控制决策表, 存储于主站中。在线运行时, 首先对系统的运行方式进行在线识别, 当检测到故障发生时, 进行故障匹配计算, 看该故障是否在预想故障集中, 进而查找决策表, 执行相应的稳控策略。模型的工作流程如图1所示。
2.2.1 运行方式预设与识别
稳控装置模型工作时需要对电网运行方式进行离线预设和在线识别。
离线预设时, 利用发电机开机方式、线路运行情况和负荷水平描述电网所有主要的运行方式, 并生成运行方式列表。
在线运行时, 通过发电机出力、线路断路器位置等信息确定发电机开机方式、线路运行情况和负荷水平, 从运行方式列表中识别出电网当前的运行方式。
2.2.2 预想故障集形成逻辑
预想故障集是决策表的一部分, 如图1中间部分所示。首先在每种运行方式下, 对电网进行N-K (K一般取1和2) 扫描, 将引起电网失稳的故障定为预想故障。每一个预想故障由故障位置和故障类型描述。故障位置为故障元件编号;故障类型为各元件所对应的故障逻辑语句, 如三相永久性接地短路语句等。故障逻辑语句由判断故障的电气量信息组合表示, 如三相永久性接地短路语句由三相电流升高、三相电压降低等组成。
所有运行方式及对应方式下的预想故障共同构成预想故障集, 并生成预想故障集列表。
2.2.3 离线生成决策表工作逻辑
预想故障集和与各个故障相对应的控制策略构成决策表, 决策表采用树形结构。对于同一故障可能存在多个控制策略, 此时需要进行控制策略的优先级排序, 排序原则根据系统实际情况确定。
控制策略包括控制对象和控制量。控制对象一般不超过3个, 主要为发电机、负荷或线路。控制量对发电机、负荷而言指的是切机、切负荷的量或百分比, 对线路而言指的是切或不切。
2.2.4 离线预设值说明
稳控装置模型中, 需要预设的定值为预想故障集定值和控制策略定值。预想故障集定值在主站中设定;控制策略定值在子站中设定, 主站仅存储相应标识信息并在需要时转发控制信号。离线设定采用对话框形式, 运行方式、预想故障、判断条件及各条控制策略均在独立的选项卡设定, 设定结束后可在主站决策表窗口中查看或输出决策表。
预想故障定值由运行人员选定故障判断语句完成设定。在判断故障时, 可能同时需要几个元件进行故障定位, 因此, 故障定值为突变量启动语句、元件编号和判断语句的组合。每个故障判断条件默认提供5组元件编号及识别语句, 数量可添加。
控制策略定值由运行人员直接填写。对于每个故障, 默认提供2条控制策略:1条主策略和1条备用策略。每条控制策略一般提供3个控制对象。控制对象及控制策略的数量可添加。
2.2.5 在线运行逻辑
稳控装置模型在线仿真时, 首先通过发电机出力、线路断路器位置等信息确定发电机开机方式、线路运行情况和负荷水平, 在运行方式列表中识别出电网当前的运行方式。
系统发生某一事故时, 首先判断模型是否需要启动。模型启动后利用故障判断条件, 通过电网发生预想故障时的电气量变化, 如电流、电压、功率、断路器位置等, 对故障进行判断, 得到故障位置和故障类型, 进而在故障集列表中识别出当前运行方式下系统发生的故障。最后, 遍历搜索决策表, 查找到对应该预想故障的控制策略, 并由主站将控制信号转发给相应子站, 由子站执行控制策略。
3 用于电网动态仿真的稳控装置接口仿真平台
针对当前仿真软件的不足, 结合一体化仿真计算的需要, 依据稳控装置模型, 构建了一个用于电网长过程动态特性分析的稳控装置接口仿真平台软件。该软件由图形化操作平台、SQL Server数据库、外部接口程序和稳控装置模块组成, 能够与任一电网稳定计算软件接口, 导入在稳定计算软件中定义的仿真电网的拓扑结构及其参数, 基于离线仿真确定的控制决策表在图形化操作平台上对电网进行子站的配置和决策表整定, 进而在每一个仿真步长中通过外部接口程序在线访问稳定计算软件, 将稳定计算软件产生的电网各节点电压、电流等数据实时送入到接口仿真平台软件的稳控装置模块中, 按照预先配置好的预想故障判断条件进行在线故障判断, 查找转发控制策略, 然后由子站将动作情况回送到稳定计算软件中去控制相应电气元件的状态和电网模型的拓扑结构, 从而实现了闭环、交互式的实时仿真, 克服了以往稳定计算软件不能真实反映稳控装置动态行为的缺点, 能够对电网全动态过程进行有效仿真。该仿真平台的总体结构如图2所示。
程序每个部分的功能和作用如下。
a.图形化平台。图形化平台是整个软件的支撑和人机接口, 界面与PSASP类似。用户可以将电网拓扑结构、电网参数等相关信息从电力系统稳定计算软件的数据库中通过专门的数据接口读出, 并将读出的电网信息 (包括网络拓扑结构、电网参数等) 显示在图形化平台中。同时, 用户可以通过图形化平台对稳控装置配置, 包括决策表整定和子站配置。得到的电网拓扑结构、电气元件参数、子站布点以及决策表全部存入SQL Server数据库。
b.SQL Server数据库。SQL Server数据库作为整个程序的后台数据支撑, 保存电网结构、元件参数、子站布点、决策表以及相应整定值。
c.外部接口程序。外部接口程序与稳定计算软件进行接口, 执行具体的故障判断和控制策略, 并将动作结果返送到稳定计算软件。
d.稳控装置模块。稳控装置模块主要由主站和子站构成;初始化时从SQL Server数据库中获取电网拓扑结构、电气元件参数、子站布点、决策表以及相应整定值;开始计算时, 在稳定计算软件的每一次计算步长后, 从稳定计算软件获取该时刻所有节点的电压、电流等信息 (保存一定时段数据到缓冲区) , 按照既定的故障判断条件进行计算、判断, 如果满足某一预想故障的判断条件, 则转发相应控制策略, 并把动作信息返回给稳定计算软件和图形化平台, 然后此次计算结束, 等待下一步稳定计算软件计算步长;如果所有的电气量信息都不满足判断条件, 则稳控装置不动作, 不作任何处理, 此次计算结束, 等待下一步稳定计算软件计算步长。
4 含稳控装置模型的稳定计算仿真
将稳控装置接口仿真平台与PSASP通过UPI联接, 结合Visual C++程序编程, 进行含稳控装置模型的暂态稳定计算[15,16]。事实上, 无论何种电力系统动态仿真程序, 只要得到其计算接口, 都可以利用上述稳控装置模型接口仿真平台, 实现含稳控装置的稳定计算仿真。
以EPRI-36系统作为算例系统, 其网络结构如图3所示, 元件参数采用基础数据库参数。设定0.2 s时, 线路24 (BUS19-BUS16) 上距离BUS19侧20%处发生三相永久性接地短路故障, 0.3 s该线路主保护动作切除线路24。仿真计算的积分步长为0.01 s, 计算总时间20 s。此时假设系统中没有稳控装置模型。
4.1 故障线路断开后对其他线路潮流的影响
当线路24上发生故障并被主保护切除后, 该线路上的潮流将转移, 使得其他线路上的潮流发生变化, 可能导致其他线路过载。如图4所示, 线路28 (BUS19-BUS21) 的电流增加较大, 其电流峰值出现在0.46 s, 大小为1.91 p.u.。此时, 线路28在BUS19侧的视在阻抗为0.164 p.u., 已进入距离Ⅲ段保护动作范围。
4.2 离线仿真确定控制策略
显然, 因短路而切除故障线路引起的其他线路过载可能引起保护误动作, 易造成故障范围扩大即故障连锁跳闸, 从而引起更严重的系统失稳。在实际电网中可通过稳控装置来采取一定的控制策略保持系统安全稳定运行。
运用UPI和VC, 在该电网中加入稳控装置接口仿真平台, 其运行方式如图5所示。其中X为输入的电压、电流等数据, Y为输出的电网控制数据。
按照前文描述的稳控装置工作过程, 上述故障是预想故障集中的一个典型故障。针对此预想故障, 离线仿真确定控制策略为发电机4切机50%, 延时0.12 s。在发电机4处设置子站用以执行控制策略。生成的控制决策表如表2所示。
4.3 考虑稳控装置模型的仿真分析
加入稳控装置接口仿真平台后, 系统检测到线路24发生三相永久性接地短路的预想故障, 主站查找决策表、匹配故障后将相应控制策略转发给发电机4处的子站, 从而执行预设的控制策略。仿真结果如图6所示。
采取该控制策略之后, 线路28的最大电流出现在切机时刻0.32 s, 大小为1.72 p.u., 此时线路28在BUS19侧的视在阻抗为最小值, 大小为0.207 p.u., 不会造成距离Ⅲ段保护误动。
仿真结果表明, 通过稳控装置接口仿真平台与PSASP联合仿真, 能够准确模拟实际稳控装置的动作特性, 真实反映实际电力系统发生故障时的动态过程。
5 结语
本文分析了稳控装置接口仿真平台对电网动态仿真的重要意义, 介绍了实际稳控装置的动作过程, 提出了用于电网动态仿真的稳控装置模型及其建模方法, 进而建立了相应的接口仿真平台;利用PSASP自带的UPI功能, 在PSASP中引入该接口仿真平台, 实现了含稳控装置接口仿真平台的暂态稳定计算仿真。仿真结果表明, 含稳控装置接口仿真平台的电网暂态稳定仿真能够更加真实地反映实际电力系统发生故障时的动态过程, 有助于运行人员分析和理解实际电力系统受扰动后的动态行为。
摘要：针对常用仿真程序中稳控装置模型的不足, 提出了用于电网动态仿真的稳控装置模型及其建模方法, 进而建立了用于电网动态仿真计算的稳控装置接口仿真平台;在PSASP中通过UPI实现了该仿真平台与PSASP的联合运算功能, 并进行了暂态稳定仿真计算。仿真结果表明, 稳控装置接口仿真平台与PSASP联合仿真能够更加准确地模拟实际装置的工作过程, 真实反映实际电网发生故障时的动态特性。
关键词：稳控装置,模型,接口仿真平台,暂态稳定,PSASP,仿真
接口仿真平台 篇2
关键词：Proteus仿真实验；改革
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 07-0000-01
Proteus Simulation Experiments Application in 8086
Wang Yueming
(Guangzhou Institute of Modern Information Technology,Guangzhou510663,China)
Abstract:8086
courses for the electronics,computer,automatic control and other majors students is an important course.However,as the course is based on practical teaching experiment box applications and a lack of innovation,
too old for this situation,the article introduces the curriculum reform Proteus7.5.Dominated by independent experiments to reduce the verific-
ation experiments,adding new content and application examples,etc.to carry out reforms,to stimulate student interest in learning,improve their practice and innovation to develop comprehensive abilities of students to adapt to the new situation Higher demand for skilled personnel training.
Keywords:Proteus simulation experiment;Reform
一、引言
《微机原理与接口技术》是一门实验性比较强的专业基础课，学生要想学好这门课程，就必须很好地理解和掌握计算机硬件以及计算机软件方面的基础知识。随着科技的不断法杖，出现了微型计算机系统，其发展的速度很快，同时随着微机接口新技术的不断出现，各种高档微机在各个领域得到越来越广泛的应用，但是随着计算机技术的飞速发展，Z—80芯片已逐步退出市场，若微机教学仍然仅仅围绕Z—80组织教学，那就显得越来越落后，所以师生都深感这门课非改不可。究其原因有以下几点：（一）随着社会的不断发展，实验内容的陈旧、实验方法的传统性使得其不能很好的适应社会的发展；（二）同时其这个缺点在一定程度上抑制了学生的创新思维，使得学生学习这门课的兴趣降低；（三）这门课的另外一个缺点在于其缺乏主动性，对于培养创新性人才不是很合适。鉴于上述的原因，便需要对对《微机原理与接口技术》的教学方法进行了一些改革探索和实践。
二、微机原理与接口技术教学现存在的问题
《微机原理与接口技术》课程应以8086为模型机，同时教学的内容应该突出各芯片的特点、区别、新的概念和新技术，以使学生获得最新的具有持续发展的知识结构。同时《微机原理与接口技术》是一门理论性强、逻辑严密、动态/静态结合及内容丰富的专业课程。学生只靠硬背芯片引脚、信号名称和逻辑框图是不能理解微型计算机工作原理的。本课程是许多计算机相关专业的核心专业课程之一。但是目前，这门课程的教学中存在如下几个重要的问题:（一）计算机的发展与现在《微机原理与接口技术》课程教学内容陈旧相矛盾。（二）教学内容的更新与最新出版教材内容之间存在矛盾。（三）教学内容的更新与实验教学的环境之间存在矛盾。（四）教学内容的更新与教学手段之间存在矛盾。面对计算机技术的发展与《微机原理与接口技术》课程教学矛盾的日益加深，如何解决这些矛盾，做好《微机原理与接口技术》课程的教学，是本门课程教学改革的重点。
三、Proteus的简单介绍
PROTEUS 软件首先是由英国Labcenter Electronics公司开发，它是一种电路分析与实物仿真软件。其主要作用是可以对模拟器件和集成电路进行仿真和分析。这种软件的特点是：（一）其可以很好地绘制原理图；（二）可以进行PCB设计以及自动布线功能；（三）它具有一个比较强大的元器件库，其大概具有具有三十多个元器件库，同时其也具有数千种元器件仿真模型以及多种信号激励源和虚拟仪器仪表；（四）其在功能方面可以比较好地实现单片机仿真和SPICE电路仿真的结合；其优点在于：1.硬件投入少，经济优势明显由于PROTEUS是纯软件环境；2.学生可自行实验，锻炼解决实际工程问题的能力；同时在遇到工程问题时，为了方便行事可以先利用软件来进行分析，即通过模拟来实现，然后再利用硬件。利用上述的方法来处理的优点在于其不仅可以很好地节约时间和人力，也可以节省金钱，这是因为如果方案不正确，这样做便可以比较好地减少由于方案不对而导致的硬件投入的浪费；3.在实验过程中，便可以不用考虑元器件的损耗问题，同时其损耗小；4.同时在教学方面如果采用PROTUES仿真软件来进行，便可以减少由于操作不当而造成的元器件或者仪器仪表方面的损坏问题，更为重要的是这样实验过程是很安全的。
四、引入Proteus仿真实验的8086<微机原理与接口技术>教学
在课堂上讲授《微机原理与接口技术》课程时，我们知道在大学中很多的老师会选择利用PPT来进行教学，但是对于《微机原理与接口技术》课程，如果只是采用传统的Powerpoint幻灯片作为教学手段，便不可能很好的模拟课程中的内容和讲述知识，通过研究人们找到了一种很好的方法即是在在授课的过程中，适当地引入PROTEUS软件，这样的目的在于其可以对所讲授的内容进行仿真演示，可以很好地提高学生的学习热情和兴趣，进而提高教学效率。
五、引入Proteus仿真实验的优势
引入PROTEUS软件可以很好地提高学生的学习热情和兴趣以及提高教学效率：（一）PROTEUS的特点就在于其可以很好地利用实际的动态演示来让学生学习，这样便提高了学生的兴趣以及学生在学习上的积极性，该软件可以使得抽象的事物变得形象化，使以往不容易被学生理解的内容简单化；（二）运行PROTEUS 软件只需一台电脑就行了，又由于现在学工科的学生基本上都自己用一台电脑，所以学生在自己的寝室便可以利用PROTEUS软件来学习单片机的相关知识了，同时也可以温习已经学过的知识，更为重要的是通过该软件可以自己设计一些东西，达到练习的目的。
参考文献：
[1]周润景,张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006
接口仿真平台 篇3
所谓嵌入式系统即指以应用为中心的一种专用计算机系统, 此系统的软硬件均可裁剪, 对体积、能耗等各方面的要求非常严格。嵌入式系统的内核小、结构精简, 其系统软件非常高效, 可用多任务的操作系统来开发软件。
ARM+DSP双核嵌入式仿真平台由RISC、C5000DSP、C2000DSP组成, 采用双核芯片TMS320VC5470对APM部分和C5000DSP部分进行集成组合, 有效的提高了系统功效, 降低了能耗, 编程灵活度显著提高, 还可加速软硬件升级, 节省投资, 提高上市速度。
使用TMS320VC5470芯片实现ARM+DSP嵌入式仿真平台具有更多优势, 主要表现为其简化了系统结构, 令ARM与DSP构成整体等, 许多嵌入式实时应用系统采用ARM+DSP的结构组合来充分发挥两种处理器的优势, 从每个处理器中获得最大益处, 以获得更高性能。
二、ARM+DSP嵌入式仿真平台动力推进系统硬件结构
ARM+DSP嵌入式仿真平台主要由以ARM, C5000DSP, C2000DSP3个处理器为中心的功能部分构成。其中ARM部分的ARM核微控制器是是整个系统的控制中心。主要负责上电后完成整个系统的自举加载和系统的任务分配、从物理设备输入和向物理设备输出信号、通过CAN总线与上位计算机通信等。
C5000DSP部分主要运行动力推进系统的数学模型, 并将仿真所得的转速和转矩的数据传递给C2000DSP部分的电机控制单元, C2000DSP部分接收运算结果, 按照该结果控制电动机达到仿真的转速和转矩, 最终实现用电动机来模拟推进主机。
以ARM+DSP为核心的嵌入式系统具有很强的控制接口能力和高速数字处理能力, 可以达到实时运行精确的动力推进系统的数学模型、实时控制外围物理设备的目的, 从而实现精确实时的半物理实物在环的动力推进仿真系统。
三、ARM+DSP嵌入式仿真平台CAN总线通信的接口设计
本嵌入系统中, CAN被分为不同的功能模块, 收发器在发送时将其逻辑信号转换为物理信号, 与接受时恰好相反。通常, SPI用于DSP处理器与外部设备间的通信, 因而我们把CAN总线通过2407的SPI和5470的ARM侧SPI口取得通信, 最终形成完整的硬件结构。
CAN总线通信接口电路内存接口方面, 片内RAM相比片外更具优先权, 由于程序和数据空间共享外扩RAM, 因而外扩数据空间和程序空间再CMD文件方面的分配上不能出现重叠的地址映射。
四、ARM+DSP嵌入式仿真平台的实时仿真通信程序设计实例研究
在ARM+DSP嵌入式仿真平台下, 5407的C5000DSP部分大部分是用来与进行传播推进系统的数学模型, 并对其进行分析, 该系统可用于传统的柴油机等方面, 或新型的电力系统方面。
C5000DSP程序实质上是以实时循环迭代求解微分方程组为主的程序, 每次循环求解一次, 得出推挤系统的仿真数据并将结果传送给APM部分, 通过SPI接口模块传送给2407DSP部分来显示与控制。
2407DSP大部分负责从其SPI接口模块的接收缓冲寄存器读取FIFO接收来自ARM侧SPI口从C5000DSP部分仿真结果中获取的转速和转矩信号。其中, TMS320LF2407则是这个控制子系统的核心, 它通过查询检测主控指令位正常与否, 正常则读取这个子系统的给定信号, 并通过捕获子程序接入反馈值。周而复始直到出现不正常或ARM主控成粗结束该任务的进程。
五、结论与展望
本文的创作对整个项目的功能开拓和日后完善较为有益, 在以后的工作开展中还应考虑到以下几点:
CAN现场总线的应用不可局限于已经形成的ARM+DSP嵌入式仿真系统中引入CAN总线, 以后还可把现场的节点扩大, 最终形成完整的传播仿真体系, 下一版应考虑更换内部RAM容量更高的双核芯片、简化电路结构等, 以更好的提升本嵌入式仿真平台的通信效率。
另外, 项目的开发应考虑寻找更广阔的推广平台, 相信其此成果可在工业控制、通信、图像处理等多方面获得长远发展。
摘要：本文从ARM+DSP嵌入式仿真系统的相关理论入手, 分析其特点, 论述ARM+DSP嵌入式仿真平台CAN总线的接口硬件以及总线通信原理和程序设计, 分析嵌入式实时仿真平台接口通信技术在动力推进系统中的应用, 展望其未来。
关键词：嵌入式系统,实时仿真,ARM+DSP,动力推进
参考文献
[1]相春雷.嵌入式系统:应机而动, 日进无疆[J].软件世界, 2010年02期
[2]2011年嵌入式系统联谊会5月份主题“MCU中国设计与中国应用”主题讨论会[J];单片机与嵌入式系统应用;2011年05期
[3]张娜.浅析自动化嵌入式系统的选择与调试[J].黑龙江科技信息, 2011年16期
接口仿真平台 篇4
半实物仿真阶段是民机飞控系统研制的一个重要阶段, 此时通过主飞行仿真计算机对飞机的六自由度运动、发动机推力、起落架系统、液压燃油等系统进行计算模拟, 但对驾驶舱操纵器件、飞控计算机、传感器、仪表显示等与飞行控制相关设备采取真实硬件, 一方面可以在初期对控制策略进行原理性试验;另一方面是在系统集成阶段对飞控系统机载设备进行测试验证。由于各种机载设备在飞机上是通过模拟信号或者各种总线数字信号连接在一起, 因此, 在地面半实物仿真需要硬件接口系统对各种模拟信号、数字信号、ARINC429总线、以太网等进行分配、管理。
硬件接口系统主要功能是实现主飞行仿真计算机内部数据与驾驶舱仿真设备以及之后的飞机机载设备所需电气物理量之间的变换和传输功能。硬件接口系统接收主飞行仿真计算机内部的数据, 并将这些数据传送给仿真驾驶舱的显示屏、指示灯, 同时接口系统采集驾驶舱设备的开关、按钮、旋钮等操控设备的状态, 并将这些状态转换成各仿真软件内部需要的变量数据发送给仿真计算机。对于需要通过航空总线进行激励的设备, 例如ARINC429或者ARINC 664的航电设备, 接口需要搭建相应的航空总线通道, 这样接口系统接收各仿真软件内部的模型数据, 转化成总线信号, 通过航空总线向设备发送激励信号, 同时接收设备发出的总线反馈信号并解析转化成各仿真软件内部需要的数据信息。
1 系统架构
硬件接口系统由接口计算机、各种信号和总线的接口板、接口配线箱、接口子系统和连接电缆组成硬件接口系统组成原理如图 1所示。
2 系统组成
(1) 接口计算机
接口计算机为高性能工业接口PC, 具备10个以上的PCI插槽, 每个插槽上可以安装各种信号和总线接口板。
接口计算机上安装有操作系统。接口计算机中安装的各种信号和总线接口板, 通过运行在接口计算机中的接口控制软件进行驱动。接口软件通过以太网 (UDP/IP) 与实时仿真主机交换数据, 通过对接口板的读写实现与设备的通讯。
其中航空总线信号的板卡也可以根据需要安装在航电仿真计算机上, 将对应板卡的接口驱动模块在航电仿真计算机上调用运行。
(2) 接口配线箱
接口配线箱中实现信号、工作电源、照明电源的重新分配, 为接口板与设备的通讯建立通道, 为设备的工作分配工作电源和照明电源, 使得设备能够正常工作。由于接口板上按照信号电气特性进行分类的, 如DI、DO、AD等, 而驾驶舱设备则是按照设备功能组织的, 从电气特性角度来说是一个综合体, 有可能由多种信号组成, 这样就需要在接口配线箱中对设备的信号电缆进行重新分类组织使之符合接口板的电气信号定义。同时根据驾驶舱设备工作的需要将工作电源和照明电源分配到设备电缆。
通过接口配线箱可以使仿真件的接口电缆线和真件的接口电缆线相分离。使得电缆线路的走线更清晰, 方便电缆线路的检查以及设备的拆装和替换。
(3) 接口子系统
接口子系统是一个小型的接口采集系统, 它由接口控制盒和配线箱构成。接口控制板具备96个DI通道、48个DO通道和8个AD通道的驱动能力, 通过本子系统的配线箱与驾驶舱设备进行通讯, 而向上则通过标准的RS422总线协议与接口计算机中的接口软件实现数据通讯。由于接口子系统对 DI/DO/AD信号的驾驶舱设备进行前端控制处理, 在接口计算机中就不需要插对DI/DO/AD信号处理的板卡了, 所对应仅需插入一块串口卡, 减少了接口计算机内部的板卡数量, 减轻了接口计算机的负担, 简化了接口系统结构, 实现了接口系统的分布式处理。其组成原理见图 2。
由于各接口板卡是非常成熟的货架产品, 各接口板卡采用市售成熟的高品质板卡, 飞机研制过程中前期对设备进行仿制和后期对机载真实设备的换装的需要, 硬件接口系统主要的板卡有ID板、DA板、A429等板卡, 其清单见表1。
(4) 软件
接口控制软件运行在接口计算机的操作系统中, 通过寻址接收各种接口板上发来的信号并根据各仿真系统的需要和要求, 对接收到的数据进行处理, 并打包通过以太网 (UDP/IP) 把数据传输到主仿真计算机中, 由主仿真计算机进行分发。
随着机载真实设备的接入, 根据所提供的设备的实际情况, 接口控制软件将接收仿真计算机的传来的数据, 并依据机载设备所遵循的数据格式和数据协议, 从中来提取所需数据, 把数据存储在符合主仿真计算机所定义的数据结构中, 并通过以太网 (UDP/IP) 输出给主仿真计算机, 同理, 接口控制软件也将通过以太网 (UDP/IP) 接收实时仿真主机主仿真计算机传来的数据, 把数据转换成符合真件接收的数据格式并根据真件的通信协议输出。
接口控制软件主要包括:RS-422串口板读写模块、A429板读写模块、A664板读写模块、A429/A664数据转换模块、ID/DO数据处理模块、AD/DA数据处理模块。
接口控制软件的原理框图见图 3。
3 结束语
本文对民用飞机飞控系统半实物仿真系统的硬件接口系统进行了设计和研究, 描述了其系统架构、组成、功能, 并提供了推荐的硬件采购清单, 根据此方案可以为半实物仿真系统提供硬件接口系统, 根据具体的信号种类、数量采购相关的板卡, 并开发驱动, 事实证明, 采用此方案, 可以高效、灵活地进行接口控制和管理。
参考文献
[1]王行仁.飞行实时仿真系统及其技术[M].北京:科学出版社, 1985.
[2]孔祥营.嵌入式实时操作系统VxWorks及Tornado开发环境[M].北京:中国电力出版社, 2002.
[3]申文彬, 刘宏立.实时仿真系统的时间特性分析与控制[J].中国科技信息, 2005 (24) .
接口仿真平台 篇5
近年来,数字物理混合仿真技术越来越广泛地应用于电力电子和电力系统领域,是研究分析由大规模电力电子器件构成换流器的交直流混合电力系统的有效手段。数字物理混合仿真又称硬件在环(HIL)仿真,其结合了实时数字仿真和动态物理模拟仿真的优点,既可以对大规模复杂电网进行实时数字仿真,也可以对含大规模电力电子器件开关快速动作的换流器进行精确模拟,大大提高了仿真的效率和仿真的性能[1,2]。
国内外学者已将数模混合仿真技术广泛应用于继电保护系统开发测试[3,4]、功率变换器控制器[5]及电能质量调节器[6]等电力电子换流器开发设计中,这类系统中数字仿真侧和物理模拟侧之间交互的信号都在低功率水平,称为控制信号硬件在环(CHIL)仿真。对于数字侧与物理侧既有信号流,又有功率流的数模混合仿真[7,8,9,10,11],需要转换设备和适当的功率放大器等接口装置,这类系统仿真称为功率连接型硬件在环(PHIL)仿真。文献[12]为了研究实际同步发电机与模拟电力系统之间的相互作用,开发了一套实验室测试装置;文献[13]建立了一个1 MW的风力发电机机舱测试平台;文献[14]将一个2.5 MW变速电动机驱动器与实际电力系统相连,通过与仿真系统连接的可变电压源集成驱动,实现了数字物理混合仿真。PHIL仿真技术因其具有的优点,将在未来电力系统分析研究中发挥重要作用。但与相对成熟的CHIL仿真技术相比,PHIL也有许多新的问题需要解决。在PHIL仿真过程中,由于功率接口引入的误差,如时间延迟、畸变等,给仿真系统的稳定性和精确性带来了系列问题[15,16,17]。为了使PHIL仿真技术更有效地应用于电力系统分析研究中,需要采用合适的接口算法和控制方法提高其性能。
接口算法是PHIL仿真系统的关键,针对不同研究对象,采取合适的接口算法,可以有效提高PHIL仿真系统的稳定性和精确性[18,19,20]。很多专家学者已对其进行了深入的研究,截至目前,接口算法主要有以下5类[21,22,23]:理想变压器模型(ITM)算法、部分电路复制(PCD)算法、阻尼阻抗法(DIM)、时变一阶近似(TFA)算法、输电线路模型(TLM)算法。ITM算法是最传统、实施起来最方便的一种接口算法,已被应用于各领域PHIL仿真研究中[24,25,26]。PCD算法也被成功应用于大型电路仿真软件SPICE中[27]。文献[7,8,9,10]采用基于行波理论的输电线路模型法实现了高压直流输电系统数字物理混合仿真。但不同接口算法在保证PHIL仿真系统稳定性与精确性方面各有优缺点,如何根据实际仿真系统设计接口算法是目前需要解决的难点问题。
本文在分析功率接口所带来的稳定性和精确性问题的基础上,对各类算法的基本原理、优缺点以及改进算法进行了分析;对比分析了各类算法的特性及其适用领域,并通过仿真验证了常用接口算法的稳定性和精确性性能。最后根据现有算法的问题与不足,结合当前电力系统仿真技术的新需求,对接口算法需要解决的关键技术问题和发展趋势进行了展望。
1 PHIL仿真系统的结构原理及存在的问题
PHIL仿真系统主要由数字仿真系统(DSS)、物理仿真系统(PSS)和功率接口3个子系统构成,其具体结构如图1所示。
DSS子系统通常为大规模的交流系统,运行于实时数字仿真器中。在仿真运行过程中,数字仿真器在每个积分步长内需要完成外部信号的采集、模型的实时求解以及对PSS子系统进行激励等功能。PSS子系统主要包括按一定模拟比缩小了的物理模型,以实现对实际系统中电气元件的精确模拟。
功率接口子系统连接DSS和PSS子系统,实现两个子系统间的能量和信息交换。主要由接口硬件装置和接口算法两部分组成。其中,接口硬件装置包括数模转换器、模数转换器、四象限功率放大器和电压/电流互感器等装置。功率放大器通常为大功率电压源变换器,在分析研究时,通常将其等效为延迟环节和受控电压源的组合。数模转换器将DSS侧的数字信号转换为模拟信号,经功率放大器放大后传递到PSS侧,以驱动物理模型正常工作。但此过程中,如果在tk时刻,功率放大器引入了误差ε,则在物理侧会产生相应的系统电流误差Δi2,以电压型ITM算法为例进行推导如下:
式中:Δv2为接口装置产生的电压误差量;ZH为物理侧的等效阻抗。
相应误差量将被电流互感器采集,经模数转换后,反馈回实时数字仿真系统,参与下一仿真系统状态的求解,结合式(2)和式(3)计算可得其在数字侧电压v1中所产生的误差。
式中:uS为DSS子系统电源电压;Δv1为数字侧电压误差量;i1为数字侧电流;ZS为数字侧的等效阻抗。
以此循环下去,若ZS/ZH>1,该误差量将被不断放大,最终导致系统失去稳定,此即接口稳定性问题。此外,由于接口延时和互感器噪声等的存在导致PHIL仿真系统与原始系统难以保持一致,此即接口精确性问题。因此,功率接口的引入导致了PHIL仿真系统稳定性和精确性问题,而接口算法具有传输信号处理的功能,其对于PHIL系统的仿真特性有着至关重要的作用。
2 接口算法
2.1 ITM算法
ITM算法是PHIL仿真技术最早采用和最易实现的方法。根据被放大信号的类型,该算法分为电流型ITM算法和电压型ITM算法,其结构如附录A图A1所示。
ITM算法是以电路中的替代定理为理论依据,以常用的电压型ITM算法为例,其数字侧采用受控电流源来等效模拟物理侧电路,控制电流是实际物理侧电流互感器的量测电流经模数转换后得到的;物理侧采用受控电压源来等效模拟数字侧电路,其控制电压是数字侧电压经数模转换和功率放大器放大后的结果。在考虑各环节总延时的情况下,可得ITM算法的等效开环传递函数为:
式中:td为接口延时。
根据奈奎斯特稳定判据,可知电压型ITM算法稳定的充要条件为:
ITM算法的优点在于其原理简单,且易于实现。其缺点在于接口稳定性取决于ZS和ZH的大小关系,在实际系统中,ZS和ZH的值可能是变化的,致使其稳定性较差,在一定程度上限制了该算法的应用;同时,由接口延时所产生的仿真误差会在每个仿真步长内进行累加,将对仿真的精确性产生影响。针对该算法存在的不足,衍生出诸多改进的ITM算法。
2.1.1 稳定性改进算法
1)增加电感(HIA)法
对于电压型ITM算法,根据其稳定性判据,文献[28]中提出在物理侧串联接入一个电抗器LADD来提高功率接口的稳定性,这是最简单易行的方法,其LADD的最小值应大于L*ADD(系统稳定的临界附加值),以此来保证接口的稳定性。但由于附加的电抗器会影响仿真的精确性,因此需要选取合适的电感值。
2)反馈电流滤波(FCF)法
文献[29]中采用FCF法有效改善了接口的稳定性,其核心思想是将物理侧实测电流经过适当的滤波器反馈回数字侧,通过这样的处理,改变了开环传递函数,并可通过修改滤波器参数来折中满足功率接口稳定性和精确性的要求。但实际仿真中,该滤波器的参数选取较复杂,还未形成完善的设计方案。
3)多速率分区(MRP)法
基于现代实时计算系统的体系结构,文献[30]提出了MRP法,对不同的子系统采用不同的积分步长来模拟仿真。通常将仿真系统分成多个不同采样速率的子系统,主要分为慢速采样子系统和快速采样子系统,其分区原则取决于网络的拓扑结构及其组成元件。PHIL系统的仿真特性与积分步长密切相关,积分步长越小,其仿真效果越好,但受到实时仿真器计算能力的限制,快速采样子系统的规模有限,只能尽可能多地包含原系统网络,以此来保证系统的稳定性与精确性。实际仿真时,也常采用MRP和FCF相结合的ITM接口算法。
4)切换算法
为了保证系统在各种工况下都能满足稳定性要求,文献[31]提出了改进的ITM切换算法。主要是根据电压型ITM算法和电流型ITM算法的稳定判据正好互补的特性,在电压型(或电流型)ITM算法难以满足系统稳定的要求时,切换到电流型(或电压型)ITM算法的系统,以保证系统的安全稳定运行。该算法的核心问题是如何确定算法的切换条件,目前还没有统一的衡量指标。
2.1.2 精确性改进算法
1)时间延迟补偿法
针对接口延时所导致的仿真结果精确性问题,文献[32]根据交流信号的时移等价于固定频率下相移的原理,提出了一种在反馈电流中增加时间延迟补偿的方法。该方法实现过程主要分为以下三个步骤:首先,对物理侧采集的电流进行傅里叶分解,将其分解至13次谐波;其次,把每次谐波都进行一个相应的相移;最后,将补偿后的电流反馈回数字仿真系统中。该补偿方法的不足是它假定系统的基频是固定的,但当系统频率变化时,可能会产生误差。此外,当接口连接的是瞬态变化的系统,其就不能正常工作,这是因为该方法无法预测系统的运行状态。
文献[33]对上述算法进行了进一步的改进,其时间延时补偿过程与前述方法相似,不同之处在于补偿对象是实时数字仿真侧的电压信号,且采用的是实测的频率,有效避免了系统频率变化所带来的误差。但仍存在不适用于瞬态变化系统的问题,同时也受到傅里叶计算时间的限制,无法实现对所有谐波进行处理。为了提高该方法的精确性,应在保证实时仿真的同时尽可能多地对谐波进行补偿。
2)附加接口滤波器法
文献[34]在分析影响PHIL仿真精确性因素的基础上,提出在数字侧和物理侧附加接口滤波器的改进算法,该算法是利用高通滤波器在低频区呈现高阻抗、在高频区呈现电阻性能的特性来提高仿真的精确性,具体表现为频率的补偿和对噪声的免疫,同时也提高了接口的稳定性。但其只是改善了仿真的精度,并没有完全消除时间延迟所带来的误差。
2.2 PCD算法
PCD算法最早是由R.Kuffel等人提出的,其思想源于稀疏技术,该方法先将原始电路划分为多个子电路,再利用迭代法求解,其接口等值电路见附录A图A2。原始电路中的连接阻抗ZSH被同时连接在了数字侧和物理侧[35]。
PCD算法的开环传递函数为:
分析可知,对于一个电阻性网络,PCD算法稳定性要高于ITM算法,这主要是由于它可以很容易地实现GOL_PCD的幅值小于1。若该算法在指定应用中是收敛的,则可通过足够多的迭代次数来保证其精确性,但在实时应用中,每个积分步长只能进行一次迭代,因此每次迭代的误差应尽可能的小,即ZSH的值要尽可能大于ZS和ZH,以提高系统的仿真精度。
PCD算法相比于ITM算法具有较高的稳定性,但由于在实际应用中很难实现ZSH的值大于ZS和ZH,导致其仿真精度较低,限制了该算法的推广应用。
2.3 DIM
DIM在电压型ITM算法和PCD算法的基础上,增加了一个阻尼阻抗Z*,结合了两者的优势,呈现出较好的精确性和稳定性特性。采用该算法的PHIL仿真等值电路见附录A图A3。分析可知,当Z*=0时,ZSH和Z*间的节点电压v*(t)=v1(t),DIM变成了PCD算法;当Z*趋于无穷大时,相当于开路,数字仿真系统中流过的电流就等于i1(t),DIM转化为ITM算法。因此,根据Z*的取值,可使其接口稳定性介于PCD算法和ITM算法之间。该算法的开环传递函数为:
由式(7)可知,当Z*=ZH时,GOL_DIM=0,PHIL仿真系统是绝对稳定的,同时一个积分步长内所产生的仿真误差也不会传递到下一个积分步长中,有效提高了仿真的精确性。因此,在已知物理侧结构参数的情况下,DIM在稳定性和精确性方面都优于其他接口算法。
由于硬件侧不是理想模型,获取ZH的精确值并不容易,且其值也可能是变化的,因此,如何实现物理侧等效阻抗的实时跟踪是一个关键问题,专家学者们也相继提出了DIM的改进算法,主要包括以下3种。
1)阻抗匹配法
针对DIM存在的问题,有学者提出了利用物理侧电压电流有效值实现在线更新Z*的改进算法[18],但该算法只适用于物理侧是阻性负载,其应用局限性较大。因此,文献[36,37,38]中采用分别计算等效电阻R*和等效电感L*的方法对其进行改进,通过获取物理侧电压电流的基频有效值和相角差来求解出R*和L*,进而实现负荷的动态阻抗匹配,提高仿真的精确性和稳定性。然而,该算法是在假设系统频率不变的基础上实现的,当系统频率变化时,获得的L*值是不精确的,且当物理侧是未知的有源系统时,该算法便不再适用。
2)宽频带系统识别法
为了实现DIM阻抗的实时匹配,宽频带系统辨识技术被应用于DIM算法中[39]。该改进算法主要是通过在功率放大器中注入白噪声扰动,得到小信号响应,再利用互相关分析方法求出宽频带估计阻抗,最后采用最小二乘法拟合得出实时更新的阻尼阻抗Z*,从而保证动态和瞬态条件下接口的稳定性,并有效提高仿真的精确性。然而,该算法具体实施应用非常困难,其实用性有待进一步验证。
3)SDIM-ITM接口算法
文献[40]提出了简化阻尼阻抗算法(SDIM)和ITM相结合的新型接口算法,其中SDIM采用戴维南等值模型实现Z*的实时跟踪[41]。该算法的实时数字仿真系统中有两套相同的子系统,分别采用SDIM接口和ITM接口。仿真过程中物理侧只由ITM接口进行激励,而由SDIM接口所连接的子系统提供数字仿真结果,有效结合了SDIM和ITM的优点,具有良好的仿真效果。但由于其在数字仿真系统中有两套子系统,占用计算资源较大,限制了该方法在大规模系统仿真中的应用。
2.4 TFA算法
TFA算法是在假定物理侧系统可简化等效为一阶线性系统(RC或RL系统)的基础上提出的[42,43]。其主要是利用历史仿真数据,在仿真过程中求解物理侧模型的系数并进行在线更新,进而实现在数字仿真侧修正接口所带来的误差。其接口等值电路如附录A图A4所示。以RL系统为例,对TFA的基本原理进行分析。
假设其物理侧满足式(8)的等式约束。
式中:a和b为未知系数;i2和v2分别为物理侧电流和电压。
对其进行梯形近似并整理可得:
式中:α和β为未知系数,可通过式(10)得到。
进而可根据上一仿真步长中的电压v1(k-1)和电流i2(k-1),近似求出物理侧电流i2(k),反馈回数字仿真侧,通过反复迭代,最终实现对仿真误差的修正。
TFA算法本质上是一种预测算法,不适用于非线性系统和高频系统。此外,该算法还存在以下缺点:1当电压和电流变化缓慢时,可能会导致矩阵奇异,严重时会导致振荡;2稳定性较差;3对噪声非常敏感,在实际应用中可能难以满足精确性的要求。因此,TFA算法难以实际应用。
2.5 TLM算法
TLM算法是将数字侧和物理侧间的连接电感或电容按TLM来处理,然后再根据分布参数传输线路Bergeron等效模型对其进行计算[44,45]。其接口等值电路见附录A图A5。其中,Zeq为L/τ或τ/C,为线路特性阻抗,τ为线路行波传输时间,L和C分别为单位长度电感和电容,在PHIL仿真中,其值应大于等于接口延时td,以实现对td的精确补偿,保证仿真的精确性。
由于TLM算法是严格基于梯形近似法实现的,其稳定性较好。同时,利用等效TLM算法实现数字侧和物理侧的解耦较为方便,且易实现,已被广泛应用于电力系统仿真领域中。但该算法也存在一定缺陷,在仿真过程中,td可能会随着负载状态或信号频率变化而改变,τ为固定值时将会降低仿真的精确性。Zeq的数值依赖于解耦元件,只要仿真系统发生变化,Zeq也会跟着改变,其灵活性较差。此外,其对连接线路长度也有严格要求,限制了该方法的应用领域。
针对短线路连接系统,根据线路行波传输时间τ由其传播速度v和传播距离l决定的原理,文献[46,47,48,49]采用了如下解决方案。
1)通过增加线路长度l来满足时序要求,但同时也增加了系统损耗。
2)在不改变线路长度的情况下,增加单位长度电感L或电容C,达到使τ增加的目的,同时在接口中进行相应补偿,保证仿真系统暂稳态特性保持不变,但实现起来较复杂。
3)利用原仿真系统中的无功特性元件进行解耦,无需附加C或L,简化了操作,但是适用领域有限。
3 接口算法的对比分析
各类接口算法在PHIL仿真中具有不同的仿真性能,结合国内外相关研究成果,分别从算法稳定性、仿真精确性以及实施难易度方面对5类算法进行对比,结果如表1所示。表中,☆越多表示性能越好。
通过对不同算法特性的对比分析,可得如下结论:1由于TFA算法的低稳定性和PCD算法的低精确性导致两者难以被推广应用,逐渐淡出接口算法的研究领域;2通过合理选择电压型ITM算法或电流型ITM算法,可使其在不同系统研究中具有良好的特性,但由于稳定性相对较差,限制了其在非线性系统中的应用;3TLM算法凭借其自身的延时补偿性能,有效提高了仿真系统的精确性,但由于其灵活性低,在非线性系统研究中性能较差,且实现起来较复杂,使其应用具有一定的局限性;4在实现阻抗实时匹配的基础上,DIM的特性要明显优于其他算法,但对于硬件侧未知或结构复杂的仿真系统,其阻抗匹配方法需要进一步的研究。
结合第2节的分析和上述综合比较,可以看出,ITM算法、TLM算法和DIM仿真特性较好,是目前PHIL仿真系统中具有应用前景的三类接口算法。因此,本文对其进行仿真对比分析,进一步验证三类算法的有效性及其适用性。
3.1 ITM算法、TLM算法和DIM的仿真分析
为了有效地分析ITM算法、TLM算法和DIM的稳定性和精确性,在PSCAD/EMTDC中搭建了如图2所示的简单系统模型,其DSS和PSS之间分别采用电压源型ITM算法、TLM算法与阻抗实时匹配的DIM接口连接。仿真步长为20μs,仿真时间为2s,硬件延时均为100μs,具体仿真参数如下:数字侧等效电源US为10kV,物理侧等效电源UH为4kV,数字侧等效电阻RS和电感LS分别为5Ω和0.01 H,物理侧等效电阻RH和电感LH分别为10Ω和0.012H,线路连接电感LSH为0.001H。
3.1.1 稳定性对比分析
为了验证物理侧参数变化后,三类接口算法的稳定特性,在系统运行1s时,改变其物理侧阻抗,使其电阻和电感都增加至原来的1.5倍,1.3s时,都减小为原来的50%,进而得出参考系统与ITM算法、TLM算法、DIM接口系统数字侧电压的对比波形如图3所示。
由图3可以看出,当物理侧阻抗在运行过程中发生变化时,TLM和DIM算法可以保证系统安全稳定运行,而当物理侧阻抗小于数字侧阻抗时,ITM接口系统失去稳定,与前述稳定性分析结果一致。
3.1.2 精确性对比分析
PHIL仿真系统的稳定性是全局的,而其精确性却是局部的,这是由于经过接口算法的处理,DSS与PSS将呈现不同的仿真精度,为此本文将对两子系统分别进行精确性对比分析,并同时考虑了PSS为线性系统和非线性系统两种情况。
1)PSS为线性系统
采用上述系统仿真参数,在稳定运行基础之上对比分析DSS侧的电压波形以及PSS侧的电流波形,并以参考系统为标准,结合式(11)对其进行绝对误差分析,仿真结果如图4和图5所示。
式中:X为对比变量;Xorig为参考系统变量。
通过对比分析可知:对于DSS子系统而言,DIM算法相比于其他接口算法具有较高的仿真精度,TLM算法的精确性也要优于ITM算法;而对于PSS子系统,由于TLM算法具有延时补偿特性,其仿真精度要高于其他算法,并且相位超前,因此仿真精度受接口延时影响较大,可通过延时补偿控制方法来提高PHIL系统的仿真精确性;ITM算法精确性略高于DIM,与之前仿真精度的理论分析基本一致。
2)PSS为非线性系统
在图2系统物理侧添加一个二极管后进行仿真,可得PSS非线性系统情况下,三种接口算法精确性对比结果如图6所示。
对仿真结果分析可知,TLM算法受非线性系统的影响较大,其DSS侧电压发生了畸变,仿真精确性较差;ITM算法和DIM算法则几乎不受非线性系统的影响,仿真特性与PSS为线性系统时基本相同。
综合上述分析,在实现阻抗实时匹配情况下,DIM相比于ITM算法和TLM算法具有较高的稳定裕度和仿真精度,更加适用于物理侧阻抗参数时变或非线性的系统。
4 结语
接口算法直接制约了PHIL仿真系统的性能,是数字物理混合仿真系统中需要解决的关键问题之一。本文在分析PHIL仿真系统结构及其接口问题的基础上,对接口算法基本原理、各类算法的研究现状及其优缺点进行了叙述和总结,对比分析了各类算法的特性;从分析结果可以得出,ITM算法、TLM算法、DIM具有较好的应用前景。ITM算法接口稳定性较差,TLM算法在非线性系统中仿真精度低,实现过程复杂,DIM的阻抗实时匹配较困难,是各类算法应用需要解决的关键问题。
针对PHIL仿真系统的全新特征及其发展需求,未来接口算法研究的发展趋势主要包含以下几个方向:1对于不同研究系统,根据实际物理系统已知的结构参数求取其等效阻抗或利用参数辨识技术获取未知系统阻抗参数来实现DIM阻抗的实时匹配是亟待突破的难题;2随着实时数字仿真系统运算能力和速度的不断提高,将SDIM-ITM接口算法应用于大系统仿真是一个可行的方案;3TLM算法实现较为复杂,如何将接口集成化、模块化是TLM算法需要解决的关键技术;4接口硬件装置参数对仿真效果有较大影响,如何根据系统信息设计选取低输出阻抗、宽频带和延时小的接口硬件装置或调整接口电路参数提高仿真性能是研究的重点;5研究开发可以同时保证PHIL仿真稳定性和精确性,且不受物理侧参数影响的接口算法具有重要的研究意义。
接口仿真平台 篇6
一、I2C总线协议简介
利用I2C总线进行数据通信, SCL和SDA均通过上拉电阻接电源。当SCL和SDA都为高电平时, 总线为空闲状态;当SCL为高电平, SDA电平由高变低时, 数据传送开始;数据传送过程中, 当SCL为高电平时, SDA必须保持稳定, 当SCL为低电平时, SDA状态允许改变;当SCL为高电平时, SDA电平由低变高时, 数据传送结束。开始信号和结束信号都由主器件产生。I2C总线在标准工作方式下数据传送速率可达100Kbps, 在快速工作方式下速率可达400Kbps。
I2C总线上所有外围器件都有规范的器件地址, 该地址由7位组成, 该地址和1位方向位构成了I2C总线器件的寻址字节, 寻址字节格式见表1。
表1中DA3、DA2、DA1、DA0为器件地址, A2、A1、A0为引脚地址, 为方向位, 为0则主器件发送数据, 为1则主器件接收数据。
主器件发出开始信号后, 首先发送寻址字节, 然后等待响应以指示从器件被寻址。接下来主器件发送将要被操作的从器件的单元地址, 再次等待响应。响应完成后发送器件发送数据字节, 每个字节从高位到低位依次传送, 每次传送的数据字节数不限, 但每个字节传送完毕后必须等待接收器件发出的一个响应位。在响应的时钟脉冲期间发送器件释放SDA, 接收器件必须将SDA拉低, 使SDA在响应的时钟脉冲为高电平期间保持稳定的低电平[1], 否则表示接收器件未响应。若干个字节的数据可按以上方式传送, 直到主器件发出结束信号。
二、51单片机I2C总线接口的实现
若单片机自带I2C总线接口, 则将I2C器件连接到单片机该总线接口上即可;若单片机无I2C总线接口, 则可以采用I2C总线/并行转换装置实现单片机与I2C器件的通信, 也可以使用单片机的I/O口软件模拟I2C总线[2]。使用51单片机I/O口软件模拟I2C总线时, 硬件连接只需两条I/O口线即可, 在软件中分别定义成SCL和SDA。例如将51单片机的P1.0引脚作为SCL, P1.1引脚作为SDA, 根据I2C总线协议要求, 通过汇编语言或C语言编写的程序即可模拟I2C总线传送数据。
三、51单片机I2C总线接口仿真研究
下面以AT89C51与24C01的接口为例, 阐述51单片机I2C总线接口的仿真研究方法。24C01是容量为128B的E2PROM。本例要求实现以下功能:将常数01H至06H通过I2C总线写入24C01的30H至35H单元, 然后将24C01的30H至35H单元中的数据通过I2C总线读入AT89C51片内40H至45H单元。在Proteus中绘制的电路原理图如图1所示。图1中添加了I2C调试器和图表以方便调试分析。本例利用AT89C51的I/O口软件模拟I2C总线接口。
本例采用汇编语言编写源程序, 通过主程序初始化后调用开始子程序START、停止子程序STOP、发送响应信号子程序MACK、发送非响应信号子程序MNACK、检查响应信号子程序CACK、写字节子程序WRBYTE、读字节子程序RDBYTE等子程序实现AT89C51软件模拟I2C总线接口与24C01实现数据通信[3]。利用Keil将编写的源程序生成HEX文件后可添加到AT89C51中, 实现Proteus与Keil的联机调试[4]。调试过程中可在I2C Memory Internal Memory窗口和8051CPU Internal (IDATA) Memory窗口中查看24C01和AT89C51片内RAM存储单元中数据的变化, 如图2所示。
可利用I2C调试器观察AT89C51与24C01进行I2C总线通信的过程[5]。例如I2C调试器窗口中第二行数据“S A0 A 30A Sr A1 A 01 A 02 A 03 A 04 A 05 A 06 A N P”中, “S”表示开始;“A0”表示寻址字节, “A0”转换为二进制形式即为“10100000”, 其中“1010”为24C01的器件地址, “000”为24C01的引脚地址, 最低位的“0”表示AT89C51将要对24C01进行写操作;“A”表示响应;“30”表示将要被操作的24C01的单元地址;“Sr”表示重新开始;“A1”表示寻址字节, “A1”转换为二进制形式即为“10100001”, 其中“1010”为24C01的器件地址, “000”为24C01的引脚地址, 最低位的“1”表示AT89C51将要对24C01进行读操作;“01 A 02 A 03 A 04 A 05 A 06 A”表示六个被传送的字节数据, 每个字节数据传送完毕都要有一个响应位;“N”表示未响应;“P”表示停止。
在图表中添加仿真电路中SCL探针和SDA探针测得的信号图线, 程序运行结束后可生成I2C总线通信的时序, 如图3和图4所示。图3为AT89C51写24C01时序, 与I2C调试器窗口中第一行数据“S A0A 30 A 01 A 02 A 03 A 04 A 05 A 06 A N P”对应。图4为AT89C51读24C01时序, 与I2C调试器窗口中第二行数据“S A0 A 30 A Sr A1 A 01 A 02 A 03 A 04 A 05 A 06 A N P”对应。在DIGITAL ANALYSIS-PROSPICE窗口中可以使用左移、右移、放大、缩小等功能按钮查看每一时刻的波形, 利于分析理解I2C协议。例如在图3中的537us左右, SCL为高电平, SDA出现下降沿, 即数据传送开始。又如在图4中的2.478458s左右, SCL为高电平, SDA出现上升沿, 即数据传送结束。寻址字节、引脚地址、重新开始、传送的数据和响应信号都可以在时序图上直观的体现。另外, 可以将仿真得到的时序导出形成图片以便保存。
程序调试过程中若数据通信不正常, 程序运行过程中可查看I2C调试器窗口中的数据, 程序运行结束后可查看利用图表生成的DIGITAL ANALYSIS-PROSPICE窗口中的时序图, 以利于查找程序中的错误, 方便程序的调试。程序调试成功后, I2C Memory Internal Memory窗口和8051CPU Internal (IDATA) Memory窗口相应的存储单元中出现要求存放的数据。
四、结束语
根据I2C总线协议, 利用51单片机I/O口软件模拟可实现I2C总线接口, 该接口可通过Proteus与Keil联机仿真调试。利用Proteus软件自带的I2C调试器和图表功能, 可以更加直观的分析研究I2C总线的工作过程, 利于降低研究成本, 提高开发效率。
摘要：在介绍I2C总线协议的基础上, 以AT89C51与24C01的接口为例, 阐述了在Proteus环境中, 利用I2C调试器和图表进行51单片机I2C总线接口仿真研究的方法。
关键词：51单片机,I2C总线,Proteus
参考文献
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接口仿真平台 篇7
Android作为Google移动互联网战略的重要组成部分, 将进一步推进“随时随地为每个人提供信息”这一企业目标的实现。Google的目标是让移动通信不依赖于设备, 甚至是平台。出于这个目的, Android将完善而不是替代Google长期以来推行的移动发展战略:通过与全球各地的手机制造商和移动运营商成为合作伙伴, 开发既实用又有吸引力的移动服务, 并推广这些产品。
Android平台的研发队伍阵容强大, 包括Google、HTC (宏达电) 、T-Mobile、高通、摩托罗拉、三星、LG以及中国移动在内的30多家企业都将基于该平台开发手机的新型业务, 应用之间的通用性和互联性将在最大程度上得到保持。“开放手机联盟”表示, Android平台可以促使移动设备的创新, 让用户体验到最优质的移动服务。
2 体系结构
2.1 Android camera架构
Android Camera框架从整体上看一个client/service的架构, 有两个进程:一个是client进程, 可以看成是AP端, 主要包括java代码与一些native c/c++代码;另一个是Service进程, 属于服务端, 是native c/c++代码, 主要负责和l inux kernel中的cameradriver交互, 搜集linux kernel中camera driver传上来的数据, 并交给显示系统 (surface) 显示。Client进程与service进程通过Binder机制通信, Client端通过调用Service端的接口实现各个具体的功能。
2.2 Android SDK架构
Android平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成 (如图1所示) 。它采用软件堆层的架构, 主要分为3部分。底层以Linux内核工作为基础, 由C语言开发, 只提供基本功能;中间层包括函数库Library和虚拟机Virtual Machine, 由C++开发。最上层是各种应用软件, 包括通话程序, 短信程序等, 应用软件则由各公司自行开发, 以Java作为编写程序的一部分。
第一层, 应用程序层, 该层提供一些核心应用程序包, 例如电子邮件、短信、日历、地图、浏览器和联系人管理等。同时, 开发者可以利用Java语言设计和编写属于自己的应用程序, 而这些程序与那些核心应用程序彼此平等、友好共处。
第二层, 应用程序框架层, 该层是Android应用开发的基础, 开发人员大部分情况是在和它打交道。应用程序框架层包括活动管理器、窗口管理器、内容提供者、视图系统、包管理器、电话管理器、资源管理器、位置管理器、通知管理器和XMPP服务十个部分。
第三层, 系统库和Android运行时, 系统库包括九个子系统, 分别是图层管理、媒体库、SQLite、Open GLEState、Free Type、Web Kit、SGL、SSL和libc。Android运行时包括核心库和Dalvik虚拟机, 前者既兼容了大多数Java语言所需要调用的功能函数, 又包括了Android的核心库, 比如android.os、android.net、android.media等。后者是一种基于寄存器的java虚拟机, Dalvik虚拟机主要是完成对生命周期的管理、堆栈的管理、线程的管理、安全和异常的管理以及垃圾回收等重要功能。
第四层, Linux内核, Android核心系统服务依赖于Linux2.6内核, 如安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型。Linux内核也是作为硬件与软件栈的抽象层。驱动:显示驱动、摄像头驱动、键盘驱动、Wi Fi驱动、Audio驱动、flash内存驱动、Binder (IPC) 驱动、电源管理等。
2.3 开发环境
操作系统:Microsoft Windows 7
开发包:Android SDK
模拟机:Android2.1或Android2.3等
3 需求分析
3.1 功能
本项目的主要功能是调用android camera api, 以实现从摄像头取景的功能。
项目加载到android模拟器后, 在系统菜单中会有cameratest一项 (如图2所示) , 点击后启动程序, 程序启动后会在屏幕中显示3个按钮“启动照相机”、“点击拍照”、“关闭相机”。点击“启动相机”后, 屏幕会显示摄像头的取景, 点击“点击拍照”后会拍下摄像头的取景, 点击“关闭照相机”后会关闭摄像头的取景 (如图3所示) 。
3.2 性能
(1) 由于项目调用android camera api, 所以需要在androi dmanifest.xml中写入开启调用camera api权限的代码, 否则项目会因权限不够而无法运行调用camera api的代码。
(2) 项目调用camera后显现的取景, 受真实手机的摄像头像素数等指标的影响, 因此不同的手机运行本项目后取景图像可能质量不一样。
(3) 项目本身是eclipse环境下的android项目, 需要在已经添加了android插件的eclipse中以工程文件形式打开。
3.3 可靠性与可用性
本项目在motorola defy+手机上测试可以正常运行, 因此在android2.1或更高版本的android真实手机上均可运行;在模拟机方面, 系统版本为android2.1或者更高的版本并保证系统剩余内存为1MB的模拟机上都可正常运行。
4 系统实现
Android手机关于Camera的使用, 一是拍照, 二是摄像, 由于Android提供了强大的组件功能, 为此对于在Android手机系统上进行Camera的开发, 可以使用两类方法:一是借助Intent和Media Stroe调用系统Camera App程序来实现拍照和摄像功能, 二是根据Camera API自写Camera程序。由于自写Camera需要对Camera API了解很充分, 而且对于通用的拍照和摄像应用只需要借助系统Camera App程序就能满足要求了, 为此先从调用系统Camera App应用开始来对Android Camera做个简单的使用小结。
4.1 方法一, 调用系统Camera App实现拍照和摄像功能
不是专门的Camera应用, 一般用到Camera的需求就是获取照片或者视频, 比如微博分享、随手记等, 对于在Symbian系统上通过简单地调用系统自带的Camera APP来实现该功能是做不到的, 但是Android系统强大的组件特性, 使得应用开发者只需通过Intent就可以方便的打开系统自带的Camera APP, 并通过Media Stroe方便地获取照片和视频的文件路径。具体还是用代码来说话吧:
4.1.1 例1实现拍照
在菜单或按钮的选择操作中调用如下代码, 开启系统自带Camera APP, 并传递一个拍照存储的路径给系统应用程序, 具体如下:
上面使用的是start Activity For Result, 所以最好需要重载void on Activity Result (int request Code, int result Code, Intent data) 函数, 不过因为当传入文件路径的的情况下, data返回参数是null值, 只要result Code为RESULT_OK, 则上述代码中/sdcard/test/img.jpg的图片文件就是最新的照片文件。所以在这里只需给出如下简单的代码, 将其显示到Image View中:
假设不传参数Media Store.EXTRA_OUTPUT的情况下, on A ctivity Result函数在result Code为RESULT_OK的情况下, data返回的参数是经过实际拍摄照片经过缩放的图像数据, 可以通过类似如下方法来打印缩放图像的尺寸:
另外假如仅仅是调用系统照相机拍照, 不关心拍照结果, 则可以简单使用如下代码:
备注:上面设置Media Store.EXTRA_OUTPUT的方法, 经过手机实测除了我们设定的路径下有照片外, 在手机存储卡上也会保存一份照片, 默认目录为sdcard/dcim/camera下面, 笔者曾经尝试着想如果每次返回可以取得sdcard/dcim/camera下面的路径就好了, 但是目前看来没办法直接获得, 可以借助Media Stroe每次去查询最后一条照片记录, 应该也是可行的。
4.1.2 例2实现摄像
在摄像功能时, 尝试着设置Media Store.EXTRA_OUTPUT以传入类似拍照时的文件路径, 结果在我的测试真机上, 那个视频文件居然是一个0k的空文件, 最后通过类似如下代码实现:
在on Activity Result函数中进行如下代码调用:
上面的返回参数data, 也会因为用户是否设置Media Store.EXTRA_OUTPUT参数而改变, 假设没有通过EXTRA_OUTPUT设置路径, data.get Data返回的Uri为content://media/external/video/media/*, *个数字, 代表具体的记录号, 通过managed Query可以获取到路径, 假如设置了EXTRA_OUTPUT的话 (比如/sdcard/test.3gp) , 则data.get Data返回的Uri则为file:///sdcard/test.3gp, 但是该文件居然是空白内容 (不知道是不是跟手机有关, 也没有在其它手机上验证过) 。
4.2 方法二, 根据Camera API实现自己的拍照和摄像程序
通过上面对调用系统Camera App实现拍照和摄像功能的例子, 发现虽然能够满足需求, 但是毕竟自由度降低了, 而且拍照的界面就是系统的样子, 现在很多拍照程序, 比如火爆的Camera 360软件等, 就需要根据SDK提供的Camera API来编写自己的程序。
4.2.1 准备工作
上面调用系统Camera App, 压根不需要任何权限, 但是这里用Camera API, 就必须在manifest内声明使用权限, 通常由以下3项:
一般拍照和摄像的时候需要写到sd卡上, 所以还有一向权限声明如下:
真做摄像功能时, 需要音频录制和视频录制功能, 所以又需要下面两项权限声明:
另外使用Camera API拍照或摄像, 都需要用到预览, 预览就要用到Surface View, 为此Activity的布局中必须有Surface View。
4.2.2 拍照流程
上面简单介绍了下准备工作, 下面结合拍照过程中的需要用到的API对拍照流程做下简单描述。
(1) 在Activity的On Create函数中设置好Surface View, 包括设置Surface Holder.Callback对象和Surface Holder对象的类型, 具体如下:
(2) 在Surface Holder.Callback的surface Created函数中, 使用Camera的Open函数开机摄像头硬件, 这个API在SDK2.3之前, 是没有参数的, 2.3以后支持多摄像头, 所以开启前可以通过get Number Of Cameras先获取摄像头数目, 再通过get Camera Info得到需要开启的摄像头id, 然后传入Open函数开启摄像头, 假如摄像头开启成功则返回一个Camera对象, 否则就抛出异常。
(3) 开启成功的情况下, 在Surface Holder.Callback的surfa ce Changed函数中调用get Parameters函数得到已打开的摄像头的配置参数Parameters对象, 如果有需要就修改对象的参数, 然后调用set Parameters函数设置进去 (SDK2.2以后, 还可以通过Camera::set Display Orientation设置方向) 。
(4) 同样在surface Changed函数中, 通过Camera::set Pre view Display为摄像头设置Surface Holder对象, 设置成功后调用Camera::start Preview函数开启预览功能, 上面3, 4两步的代码可以如下所示:
(5) 假设要支持自动对焦功能, 则在需要的情况下, 或者在上述surface Changed调用完start Preview函数后, 可以调用Camera::auto Focus函数来设置自动对焦回调函数, 该步是可选操作, 有些设备可能不支持, 可以通过Camera::get Focus Mode函数查询。代码可以参考如下:
(6) 在需要拍照的时候, 调用take Picture (Camera.Shutter Callback, Camera.Picture Callback, Camera.Picture Callback, Ca mera.Picture Callback) 函数来完成拍照, 这个函数中可以4个回调接口, Shutter Callback是快门按下的回调, 在这里可以设置播放“咔嚓”声之类的操作, 后面有3个Picture Callback接口, 分别对应3份图像数据, 分别是原始图像、缩放和压缩图像和JPG图像, 图像数据可以在Picture Callback接口的void on Picture Taken (byte[]data, Camera camera) 中获得, 3份数据相应的3个回调正好按照参数顺序调用, 通常只关心JPG图像数据, 此时前面两个Picture Callback接口参数可以直接传null。
(7) 每次调用take Picture获取图像后, 摄像头会停止预览, 假如需要继续拍照, 则需要在上面的Picture Callback的on Picture Taken函数末尾, 再次掉哟更Camera::start Preview函数。
(8) 在不需要拍照的时候, 需要主动调用Camera::stop Pre view函数停止预览功能, 并且调用Camera::release函数释放Camera, 以便其他应用程序调用。SDK中建议放在Activity的Pause函数中, 但是放在surface Destroyed函数中更好, 示例代码如下:
以上就是实现拍照程序的的流程, 一般还可以还可以获取预览帧的图像数据, 可以分别通过Camera::set Preview Callback和Camera::set One Shot Preview Callback来设置每帧或下一帧图像数据的回调, 这里就不做展开了。
5 结语
随着Android手机的普及和应用的需求越来越大, 一个潜力巨大的市场, 会吸引无数软件开发厂商和开发者投身其中。
参考文献
[1]杨丰盛.Android应用开发揭秘.机械工业出版社.
接口仿真平台 篇8
在传统的微机原理与接口技术课堂教学过程中,由于该课程所涉及的内容具有一定难度、知识面比较广泛、讲解实例较为抽象, 也没有有效的演示方法,所以,大部分学生就不能很快的理解课程内容。对于比较复杂的电路,仅仅通过板书画图的方法既耗时又费力; 即使使用PPT进行课堂演示,也不能清晰的显示电路功能效果,所以这种教学方法的效率是比价低的[1]。主要体现在: ( 1) 实验路线固化。 ( 2) 实验箱个数有限。 ( 3) 实验箱使用时间有限。 ( 4) 因为电子元器件容易损耗,如果每次实验课都让学生直接使用电子元器件操作,不符合现在的提倡的节能、环保要求。
2. Proteus软件介绍
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。和其它单片机仿真软件不一样的是,它不但能够仿真单片机CPU的工作情况,还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。所以,在仿真和程序调试时,关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变,而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。在某种意义上说,是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。Proteus软件不但提供了丰富的虚拟仪器资源,也提供了一套仿真图表显示功能,可以把线路上变化的信号,以图形的方式实时地显示出来[2]。因此,Proteus软件在微机原理与接口技术课程的教学中具有重要的现实意义。
3. Proteus仿真在微机原理与接口技术教学中的应用
采用Proteus仿真软件,利用其动态仿真的优势,不仅可以在课堂上一边讲解一些必要的理论知识,一边进行实例演示,并针对性地展示各基本模块的硬件连线和软件控制的方法,做到理论结合实践,呈现给学生直观、清晰的认知,激发学生学习兴趣。在实验过程中,Proteus仿真软件恰当的克服了硬件实验箱结构固定、资源有限等缺点,提供大学生更多实践与锻炼的机会,让他们能够在掌握各接口芯片使用方法的基础上,设计开发各种应用系统,培养了整机概念、创新思维以及软硬件开发的综合能力[3]。其优点主要体现在:
( 1) 教学效率的显著提高。通过使用Proteus仿真软件不仅能很好的提高教学效果而且增强了学生的实验能力。在课堂上,通过仿真一些学生比较关心、关注的电子产品功能或者生活中比较常见的一些交通工具、电子显示屏等比较有吸引力的产品,不仅能激发学生的学习欲望,激发学生的学习热情,加深对课程知识点的理解而且切切实实的提高了学生的动手能力,还能容纳一些新知识和内容,给教学实践带来很多新思路和方法,大大提高了教学效果[4]。
( 2) 学生创新思维的培养。在微机原理与接口技术的教学过程中引入Proteus仿真技术,不仅克服了原有硬件实验箱是成品,学生很难参与其中的细节设计和扩展设计的缺点,而且给学生提供了一个进行创新设计的开放平台。学生可以在其他地方仿真学习,而不拘束于实验室内。
( 3) Proteus仿真软件在虚拟实验网络教学平台设计中的应用。 主要体现: 图文与声像并茂的网络学习环境。为了很好的提高学生的学习兴趣与效果,虚拟实验网络教学平台的构建和仿真,不仅充分利用了Proteus自身的动态仿真特性,而且还可以充分利用Flash等多媒体模拟技术,从而可以实现对网络教学内容的模拟化。便捷的网络学习监督和作业批改。学生通过登录学校指定的网络系统, 在虚拟实验中学习视频和观看动画演示过程中,会穿插一些与其观看内容相关的测试题目,只要学生回答题目的问题就可以观看下一步的学内容,与此同时,对于这样的答题和学习过程相互融合的教学方法,网络系统就能记录学生的学习过程,能够对学生的学习过程起到监督管理的作用。此外,学生使用Proteus仿真软件完成实验作业可以把实验设计图和相关代码在线提交给老师,老师就可以通过在线运行的方式检查实验作业并批改。良好的师生在线交互设计。提高教学效果、提升学习氛围的关键是及时、友好的交互设计。虚拟实验网络教学平台的设计对在线论坛模块里设置讨论组, 老师和学生通过多人一组的形式在组内在线讨论交流[5]。
4. 结束语
使用Proteus仿真软件进行电路仿真,一方面学生只有清晰地理解接口芯片的工作原理和端口寻址,才能完成实验所需的仿真电路设计,这样就可以很好的教授给学生大量的教学信息,学生可以参与到实验设计的细节,这样就更能激发学生学习兴趣; 另一方面仿真实验节约了很多高昂的实验仪器费用,打破了实验开设的时间和空间限制,给学生更多实践和锻炼的机会,为实践性教学带来了很大的灵活性。
摘要：针对高校的微机原理与接口技术课程,分析了在传统教学模式中存在的问题;介绍了将Proteus软件应用在微机原理与接口技术课程中进行仿真教学的观点和方法。通过仿真实例表明利用Proteus软件能改善教学效果,提高教学质量。
关键词：微机原理及接口技术,Proteus软件,仿真教学
参考文献
[1]张小红.微机原理与接口技术实验教学改革探讨[J].中国教育技术装备,2012(21):113-115.
[2]李现国,张艳.Proteus仿真在微机原理及接口技术教学中的应用[J].实验技术与管理,2012,27(12):125-127.
[3]李新光.微机原理与接口实验教学改革与探索[J].实验室科学,2009,4(4):44-45
[4]曹会国.基于Proteus的实时动态仿真电子技术实践教学研究[J].电子技术,2009,36(11):4-5