基于Simulink的數(shù)?；旌想娐贩抡嫫脚_(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王連浩，王占選，齊非凡，趙子晟，王月海

(1.北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院學(xué)院，北京 100144; 2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100037)

0 引言

近年來，隨著國(guó)內(nèi)外情勢(shì)的變化和時(shí)代的發(fā)展，集成電路，尤其是工業(yè)級(jí)芯片的研發(fā)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用越來越受到國(guó)家重視，集成電路發(fā)展踏上快車道，而在集成電路內(nèi)部設(shè)計(jì)研發(fā)方面，為了滿足眾多應(yīng)用領(lǐng)域需求，由模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成的混合電路已經(jīng)成為主流，其復(fù)雜程度和規(guī)模都在不斷增加[1-6]，仿真是設(shè)計(jì)和制造工業(yè)級(jí)芯片的重要環(huán)節(jié)，能夠有效地減少研發(fā)周期和成本，因此數(shù)?；旌想娐贩抡嬉殉蔀橹萍s當(dāng)代集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卡脖子問題。

從技術(shù)層面上看，模擬電路仿真采用基于狀態(tài)方程演化的技術(shù)，仿真精度高，需要仿真時(shí)間長(zhǎng)；數(shù)字電路仿真采用基于事件驅(qū)動(dòng)的技術(shù)，仿真速度快。兩者的仿真原理與核心技術(shù)在底層上難以直接集成。從工業(yè)應(yīng)用層面上看，模擬電路仿真和數(shù)字電路仿真均有業(yè)界影響大、仿真精度高、使用用戶多的工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)軟件，而且這些軟件更新及時(shí)，支持目前各大芯片廠商推出的最新集成電路，如支持模擬電路仿真Spice引擎的OrCAD PSpice、HSpice、Spectre等軟件，支持?jǐn)?shù)字電路仿真的ModelSim軟件在國(guó)內(nèi)都居于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)地位，具有十分廣泛的應(yīng)用。

數(shù)模混合電路仿真一般可以分為本機(jī)模式和粘合模式兩種，這兩種模式的算法原理各不相同，同樣各有優(yōu)勢(shì)，在目前的應(yīng)用領(lǐng)域均有典型代表[7-10]。本機(jī)模式設(shè)計(jì)方法用單一仿真器同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬仿真算法來進(jìn)行數(shù)模混合仿真，典型代表是Mentor的ADMS仿真器和Synopsys的Saber，其中ADMS是一個(gè)支持多種設(shè)計(jì)語言、單核的數(shù)?；旌闲盘?hào)電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具，而Saber主要用于外圍電路的仿真模擬，同樣是單一的混合信號(hào)仿真內(nèi)核。由于芯片廠家通常只提供業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的模型，所以這種模式設(shè)計(jì)的混合仿真軟件因缺乏工業(yè)級(jí)芯片模型的支持而應(yīng)用受到一定限制。粘合模式使用兩個(gè)仿真器，模擬仿真器仿真模擬電路，數(shù)字仿真器仿真數(shù)字電路，然后通過控制模塊處理兩個(gè)仿真器之間的數(shù)據(jù)交互。這種設(shè)計(jì)方式的仿真軟件可以提供業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的芯片及電路模塊支持，但內(nèi)部數(shù)模接口和時(shí)序控制模塊設(shè)計(jì)復(fù)雜。

目前，世界上最著名的三家EDA軟件公司分別是美國(guó)的Synopsys與Candence，以及西門子的Mentor Graphics。這三家公司在國(guó)際EDA市場(chǎng)中處于領(lǐng)先地位，而且現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的數(shù)?；旌想娐贩抡孳浖彩莵碜赃@三家公司，主要有3個(gè)：Mentor的ADMS仿真器、Synopsys的Saber仿真器和Cadence的AMS-Design仿真器[11-13]。ADMS主要用于混合信號(hào)集成電路驗(yàn)證，Saber適合開關(guān)電源領(lǐng)域的電路仿真，AMS-Design主要應(yīng)用于混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)。前兩者均為單核數(shù)?；旌闲盘?hào)仿真器，缺點(diǎn)在于性能與邏輯模擬器還有較大差距，而AMS-Design缺少業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的芯片及電路模塊支持。他們的共同特點(diǎn)在于不開源，費(fèi)用昂貴，難以二次開發(fā)形成自主產(chǎn)權(quán)。

針對(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)工業(yè)芯片與診斷維修高精度電子設(shè)備的工業(yè)現(xiàn)狀，急需滿足以下要求的數(shù)?；旌想娐贩抡嫫脚_(tái)：具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，支持當(dāng)下主流模擬電路和數(shù)字電路仿真技術(shù)，支持各集成電路廠商最新芯片模型且滿足設(shè)計(jì)精度需求、支持工業(yè)級(jí)集成電路應(yīng)用開發(fā)等。

針對(duì)上述需求，數(shù)?；旌想娐贩抡婀ぞ叩脑O(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)模式分為兩種設(shè)計(jì)方法：(1)基于Ngspice這類開源軟件進(jìn)行數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計(jì)和模塊庫(kù)建立，這種方式性價(jià)比不高，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，所以很少有研究者進(jìn)行研究；(2)選擇不同仿真器進(jìn)行粘合，借助仿真器自帶模型庫(kù)，能夠有效地減少設(shè)計(jì)時(shí)間，性價(jià)比高。因此，目前數(shù)?；旌想娐贩抡婀ぞ咴O(shè)計(jì)方法主要是第二種。

本文在第二種設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上提出了一種粘合模式的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)模型架構(gòu)，基于該架構(gòu)選擇PSpice和ModelSim在Simulink上實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)模混合仿真軟件平臺(tái)。

該平臺(tái)基于Matlab Simulink技術(shù)，集成了主流的模擬電路仿真PSpice引擎和數(shù)字電路仿真ModelSim引擎，是一種模塊化、圖形化、行為級(jí)的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)。該平臺(tái)使用Simulink做為頂層，可利用Matlab眾多工具模塊，以及與C/C++等高級(jí)語言交互的程序接口，底層的模擬仿真引擎PSpice和數(shù)字仿真引擎ModelSim都是業(yè)界首選的專業(yè)仿真引擎，不僅有對(duì)最新工業(yè)芯片的完美支持，而且仿真精度和性能都是業(yè)界一流水準(zhǔn)。因此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：基于Matlab Simulink平臺(tái)，混合電路仿真界面友好，可視化程度高；采用粘合模式，選擇業(yè)界主流仿真引擎，可以獲得最新芯片模型和電路模型的支持；采用模塊化設(shè)計(jì)，提供圖形化界面；支持行為級(jí)仿真，仿真精度高，性能良好；數(shù)據(jù)處理能力好，能夠靈活地完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以及調(diào)整數(shù)據(jù)流向。

1 數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)模混合仿真平臺(tái)通過Matlab Simulink創(chuàng)建系統(tǒng)級(jí)行為模型，對(duì)于系統(tǒng)中具體模擬和數(shù)字電路模塊分別調(diào)用商用高精度仿真引擎PSpice和ModelSim實(shí)現(xiàn)。

數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)的架構(gòu)是C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，Matlab Simulink作為客戶端(client)，以系統(tǒng)級(jí)仿真做為頂層結(jié)構(gòu)，底層是兩個(gè)不同類型的仿真器作為服務(wù)器(server)，一個(gè)模擬仿真服務(wù)器PSpice，一個(gè)數(shù)字仿真服務(wù)器ModelSim。客戶端為兩個(gè)引擎服務(wù)器提供必要的激勵(lì)信號(hào)和控制信號(hào)，服務(wù)器接受客戶端的調(diào)用，并接收信號(hào)，完成必要的仿真工作，將仿真數(shù)據(jù)傳回客戶端，在客戶端中完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和交互，這就是仿真平臺(tái)的基本運(yùn)行架構(gòu)。

Matlab是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境[14-15]。借助Matlab能夠很好地完成數(shù)?；旌戏抡娴闹骺啬K設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理等功能。Simulink是Matlab的擴(kuò)展，是一種可視化仿真工具，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真[16]。借助Simulink平臺(tái)的接口模塊能夠?qū)崿F(xiàn)引擎連接，再通過平臺(tái)本身的模塊和函數(shù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作。PSpice作為模擬仿真引擎，優(yōu)勢(shì)有兩方面：(1)其本身的簡(jiǎn)便性和專業(yè)性在業(yè)界都是一流水準(zhǔn)，是工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)軟件；(2)能夠提供最新的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的芯片及電路模塊支持。借助PSpice能夠很好的完成模擬子電路搭建和校驗(yàn)工作。ModelSim因其業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)地位和作為單內(nèi)核實(shí)現(xiàn)VHDL和Verilog混合仿真等特點(diǎn)[17-18]作為本文數(shù)模混合仿真的數(shù)字仿真引擎，完成數(shù)字子電路搭建和校驗(yàn)工作。

這種架構(gòu)帶來了新的需要解決的問題，一是三者之間的數(shù)據(jù)交互問題，二是聯(lián)合仿真中的時(shí)序同步問題。

針對(duì)數(shù)據(jù)交互問題，本文提出了一種利用協(xié)同仿真技術(shù)將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)集中在Simulink平臺(tái)中，然后利用系統(tǒng)級(jí)接口模塊實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的交換。

針對(duì)時(shí)序同步問題，本文提出了一種結(jié)合了拓?fù)渑判蛩惴ǖ姆抡婵刂品绞?，并根?jù)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)一步確定了各模塊間的接口連接關(guān)系，解決了子電路模塊間的時(shí)序問題，模塊內(nèi)的同步通過協(xié)同仿真接口的配置實(shí)現(xiàn)。

這兩種方法在下一章節(jié)進(jìn)行了具體的介紹。

1.2 軟件功能模塊

本文設(shè)計(jì)的數(shù)模混合仿真平臺(tái)主要功能包括電路維護(hù)，數(shù)字電路和模擬電路聯(lián)合仿真，仿真管理，結(jié)果處理等部分，設(shè)計(jì)了電路輸入模塊、電路拆分模塊、聯(lián)合仿真模塊、流程配置模塊、仿真流程控制模塊(數(shù)據(jù)接口及時(shí)序同步)、結(jié)果輸出及打印模塊、管理模塊(文件管理、項(xiàng)目管理)等功能模塊，平臺(tái)軟件功能模塊如圖1所示。

圖1 數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)軟件功能模塊圖

2 功能模塊設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)解決方案

2.1 電路原理圖維護(hù)模塊

電路原理圖維護(hù)模塊主要功能可以分為四部分：(1)電路輸入模塊；(2)電路拆分模塊；(3)電路維護(hù)；(4)元器件模型管理。

電路輸入模塊主要目的是獲得電路原理圖，可以通過文件導(dǎo)入的方式從電路原理圖庫(kù)將所需電路原理圖讀入，也可以通過仿真引擎的原理圖編輯或代碼編輯導(dǎo)入所需電路。

電路拆分模塊將時(shí)序上可以邏輯拆分的復(fù)雜電路按照功能劃分，在專家指導(dǎo)下，進(jìn)行電路功能模塊的半自動(dòng)拆分，形成眾多功能單一的模擬子模塊序列和數(shù)字子模塊序列。

電路維護(hù)功能是對(duì)不同類型子電路進(jìn)行管理，其主要方式是將拆分后的模擬和數(shù)字子電路模塊在對(duì)應(yīng)的PSpice和ModelSim仿真器中進(jìn)行編輯，調(diào)整為能夠通過相應(yīng)校驗(yàn)的獨(dú)立電路，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

元器件模型管理處理的對(duì)象是在引擎軟件模型庫(kù)中原本不存在或者需要修改的元器件，分為模擬器件模型管理和數(shù)字功能模型管理。模擬元器件建模方法主要有兩種：一種是參數(shù)建模法，適用于相對(duì)簡(jiǎn)單、已經(jīng)具有功能模型的元器件建模；另一種是子電路建模法，適用于相對(duì)復(fù)雜、比較新型的、需重新推導(dǎo)功能模型的元器件建模[19-20]。數(shù)字功能模型建模是通過在ModelSim進(jìn)行行為級(jí)建模，通過激勵(lì)源文件進(jìn)行校驗(yàn)，元器件模型同樣存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2 聯(lián)合仿真模塊

聯(lián)合仿真模塊是為了解決平臺(tái)和引擎之間的數(shù)據(jù)交互問題，是通過協(xié)同仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其主要功能是建立引擎連接和實(shí)現(xiàn)單模塊聯(lián)合仿真。

引擎連接功能是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與底層仿真引擎的協(xié)同運(yùn)行，確保平臺(tái)和引擎之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互。這部分功能是通過Simulink的接口模塊庫(kù)實(shí)現(xiàn)的，主要涉及PSpice SLPS Interface 和Link for ModelSim這兩個(gè)接口模塊。

SLPS是Cadence Design Systems公司針對(duì)PSpice仿真器與Mathworks公司的Matlab建模工具Simulink推出的接口軟件，主要功能是鏈接PSpice至Matlab中的Simulink仿真器，從而在系統(tǒng)級(jí)仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)模擬電路系統(tǒng)的仿真。

Link for ModelSim聯(lián)合仿真的接口在HDL仿真器ModelSim SE/PE和Simulink間提供了一個(gè)雙向連接，從而可將Matlab工具整合到EDA工作環(huán)境中，使其應(yīng)用于FPGA和ASIC的開發(fā)，以指導(dǎo)硬件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和聯(lián)合仿真。

單模塊聯(lián)合仿真包括模擬電路聯(lián)合仿真和數(shù)字電路聯(lián)合仿真兩種，兩者分別利用上述兩個(gè)接口模塊實(shí)現(xiàn)頂層平臺(tái)與底層引擎協(xié)同仿真。具體方法為將在引擎中已經(jīng)維護(hù)好的子電路通過接口模塊與平臺(tái)建立連接，平臺(tái)提供激勵(lì)、顯示、存儲(chǔ)等模塊，建立聯(lián)合仿真工程，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于平臺(tái)內(nèi)，為數(shù)?；旌戏抡嫣峁l件。

2.3 電路模塊拓?fù)渑判?/h3>

子電路模塊間的時(shí)序問題是本文設(shè)計(jì)的混合仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本文提出了一種結(jié)合了拓?fù)渑判蛩惴ǖ姆抡婵刂品绞?，?duì)分解好的子電路進(jìn)行正確仿真次序的排列。

該方式采用有向無環(huán)圖的方式對(duì)拆分的子電路序列及其中的先后關(guān)系進(jìn)行表示，根據(jù)Matlab存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)選擇元胞數(shù)組存儲(chǔ)有向無環(huán)圖信息。

假定某數(shù)?；旌想娐凡鸱譃?個(gè)子電路模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)流確定的模塊間的調(diào)用關(guān)系可表示為圖2所示的有向無環(huán)圖。下劃線前面的數(shù)字是輸入或拆分模塊時(shí)所分配的序列號(hào)，下劃線后面是本模塊的仿真類型，a為模擬電路模塊，d為數(shù)字電路模塊。

圖2 某電路拆分后子電路模塊的有向無環(huán)圖

對(duì)仿真模塊進(jìn)行拓?fù)渑判蚝?，根?jù)拓?fù)潢P(guān)系可以進(jìn)一步確定了各模塊間的接口連接關(guān)系。建立表1所示的子電路模塊間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表，記錄每個(gè)模塊的入度和出度，并輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系， 以便為數(shù)?；旌戏抡娴臄?shù)據(jù)交換功能做準(zhǔn)備。表中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類型有3種：1表示無轉(zhuǎn)換，2表示模數(shù)轉(zhuǎn)換，3表示數(shù)模轉(zhuǎn)換。

表1 某電路拆分后子電路模塊的有向無環(huán)圖

聯(lián)合仿真時(shí)，平臺(tái)會(huì)調(diào)用子電路模塊拓?fù)渑判驅(qū)Υ抡娴淖与娐纺K進(jìn)行邏輯排序，并在每個(gè)模塊仿真開始與結(jié)束時(shí)，檢測(cè)入度值、出度值和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類型，對(duì)本模塊的輸入、輸出和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行配置和修改，確保仿真快速、準(zhǔn)確進(jìn)行。圖3所示的電路模塊圖軟件生成的一種拓?fù)湫蛄袨?1_d，3_a，6_a，2_d，4_a，5_d)。

圖3 平臺(tái)與模擬仿真引擎數(shù)據(jù)交互圖

2.4 時(shí)序同步和數(shù)據(jù)接口

如何處理模擬仿真與數(shù)字仿真之間的接口是一項(xiàng)十分重要的問題，只有解決了這一問題，才能為數(shù)模混合仿真環(huán)境提供保證。因此，數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)核心算法在于時(shí)序同步和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。時(shí)序同步算法分為兩步進(jìn)行：(1)拓?fù)渑判颍?2)協(xié)同仿真的時(shí)序同步。

根據(jù)文獻(xiàn)資料，Simulink與PSpice之間的數(shù)據(jù)交互如上圖所示。Simulink的主仿真步長(zhǎng)取決于隨機(jī)抽取PSpice的仿真測(cè)點(diǎn)，比PSpice的仿真步長(zhǎng)略大。Simulink與ModelSim之間的數(shù)據(jù)交互在于時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)的控制，保證仿真時(shí)間與系統(tǒng)仿真時(shí)間的對(duì)齊。

為確保數(shù)字模塊混合電路仿真的時(shí)序同步，設(shè)計(jì)的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)利用Simulink分別與PSpice和與ModelSim之間數(shù)據(jù)交換與同步機(jī)制，并加以量程與步長(zhǎng)控制等予以調(diào)整。首先要設(shè)定Simulink和ModelSim兩個(gè)仿真引擎的相對(duì)時(shí)間量程，默認(rèn)是Simulink中的1 s時(shí)間等于HDL(Hardware Description Language，硬件描述語言)仿真器中的1 s時(shí)間，但也可以根據(jù)實(shí)際情況修改。其次要設(shè)定混合仿真的主仿真步長(zhǎng)。數(shù)?；旌戏抡嬷心M仿真決定仿真整體的速度和精度，所以主仿真步長(zhǎng)的設(shè)置與模擬仿真更為緊密。主仿真步長(zhǎng)的設(shè)置需要適度，過大會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)波形失真，影響準(zhǔn)確性；設(shè)置過小又會(huì)影響分析速度，所以可以采用參考PSpice內(nèi)部仿真結(jié)果的方式設(shè)置主仿真步長(zhǎng)。

2.5 聯(lián)合仿真管理模塊

聯(lián)合仿真管理模塊主要包括仿真流程配置功能和系統(tǒng)級(jí)仿真流程控制功能。

仿真流程配置主要是將聯(lián)合仿真模塊的功能實(shí)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。整個(gè)流程分為三部分配置：(1)利用電路維護(hù)功能在對(duì)應(yīng)仿真引擎分別建立模擬和數(shù)字電路子工程，并分別對(duì)其進(jìn)行調(diào)整校驗(yàn)，直至能夠完整實(shí)現(xiàn)各自功能；(2)在Simulink實(shí)現(xiàn)單模塊仿真，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與底層仿真引擎連接，并補(bǔ)充其他模塊，如激勵(lì)源模塊和顯示模塊等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)功能仿真；(3)實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字模塊之間的數(shù)據(jù)交互，利用電平調(diào)整與格式轉(zhuǎn)換等操作實(shí)現(xiàn)模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)級(jí)仿真流程控制主要功能是對(duì)系統(tǒng)級(jí)混合仿真流程的參數(shù)配置、運(yùn)行控制、時(shí)序控制、錯(cuò)誤處理等功能。

參數(shù)配置功能是對(duì)仿真器類型、仿真類型、仿真起止時(shí)間、步長(zhǎng)以及接口配置中子電路選取、輸入輸出接口等仿真參數(shù)信息進(jìn)行配置。

運(yùn)行控制功能是在配置好參數(shù)后，利用Matlab Simulink控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真流程的啟動(dòng)、停止、單步、暫停等控制，并更新仿真進(jìn)度顯示。其中聯(lián)合仿真平臺(tái)和引擎的數(shù)據(jù)交互會(huì)影響仿真的精度和性能，需要進(jìn)行設(shè)置。

錯(cuò)誤處理功能主要是處理聯(lián)合仿真中出現(xiàn)的各類錯(cuò)誤。例如：顯示，錯(cuò)誤信息來源追蹤及可能導(dǎo)致原因等，同時(shí)暫停Simulink仿真控制，等待用戶進(jìn)一步處理。

結(jié)果處理功能主要是對(duì)仿真結(jié)果保存、顯示、分析，并將結(jié)果存入仿真結(jié)果庫(kù)，以及打印查看。

3 電路仿真

3.1 仿真實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)?；旌想娐贩抡嫫脚_(tái)能夠?qū)?fù)雜電路進(jìn)行仿真操作，實(shí)現(xiàn)流程化、模塊化數(shù)模混合仿真。選擇一個(gè)時(shí)序上可以邏輯拆分的、具有典型性的混合電路作為例子研究分析數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)的各項(xiàng)功能?；旌想娐吩韴D如圖4所示。

圖4 仿真案例混合電路原理圖

根據(jù)混合電路原理圖，按照軟件流程，首先利用電路原理圖維護(hù)模塊進(jìn)行電路拆分和維護(hù)，構(gòu)建能夠通過相應(yīng)校驗(yàn)的獨(dú)立子電路；然后利用聯(lián)合仿真模塊實(shí)現(xiàn)引擎調(diào)用，構(gòu)建單模塊聯(lián)合仿真工程；最后通過聯(lián)合仿真管理模塊實(shí)現(xiàn)仿真流程配置和流程控制。

為了應(yīng)對(duì)面對(duì)復(fù)雜電路時(shí)拆分模塊多且數(shù)據(jù)連接復(fù)雜的情況時(shí)平臺(tái)時(shí)序同步的能力，采取將模塊的序列號(hào)打亂設(shè)置的方式進(jìn)行檢驗(yàn)，工程1序列號(hào)為3，類型為模擬電路；工程2序列號(hào)為1，類型為數(shù)字電路；工程3序列號(hào)為2，類型為模擬電路。按照序列號(hào)進(jìn)行電路模塊導(dǎo)入，并輸入每條有向邊的起始點(diǎn)，進(jìn)行拓?fù)渑判?，其結(jié)果如圖5中仿真視圖窗口所示，其中一種模塊排列變?yōu)?3_a，1_d，2_a)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如表2所示。

表2 案例電路的模塊間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表

根據(jù)上述步驟實(shí)現(xiàn)了混合電路聯(lián)合仿真，其各模塊結(jié)果圖如圖5～7所示。

圖5 工程1仿真工程電路圖與輸出波形圖

3.2 結(jié)果分析

1)功能整體性分析。

工程1的功能是通過總線驅(qū)動(dòng)芯片74HC245控制電源V1的信號(hào)是否輸出，理論輸出應(yīng)該為200 Hz的脈沖信號(hào)；工程2主要功能是通過集成數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)第一環(huán)節(jié)輸出信號(hào)進(jìn)行分頻操作，實(shí)現(xiàn)4分頻，理論輸出為50 Hz的脈沖信號(hào)；工程3的主要功能是通過運(yùn)算放大器對(duì)模塊二的輸出信號(hào)進(jìn)行增益，放大倍數(shù)為2，然后用來驅(qū)動(dòng)某負(fù)載進(jìn)行工作，理論輸出為振幅為2的50 Hz脈沖信號(hào)。

根據(jù)圖5輸出波形與上述分析的理論值比較，可知工程1的仿真結(jié)果正確。工程1到工程2，會(huì)發(fā)生模數(shù)轉(zhuǎn)換，此時(shí)輸入模塊二的波形為賦值為1的200 Hz脈沖信號(hào)，從圖6波形可以看出是賦值為1的50 Hz脈沖波形，與理論值相同，可以看出工程2仿真功能正常，結(jié)果正確。工程2到工程3，會(huì)發(fā)生數(shù)模轉(zhuǎn)換，圖7波形與理論值存在極小誤差，均方誤差為5.202e-08，這表明工程3仿真功能正常，且精度高。

圖6 工程2仿真工程電路圖與輸出波形圖

圖7 工程3仿真工程電路圖與輸出波形圖

綜上所述，本平臺(tái)能夠?qū)r(shí)序上可以邏輯拆分的數(shù)?；旌匣旌想娐穼?shí)現(xiàn)流程化、模塊化的數(shù)?；旌戏抡?，驗(yàn)證了平臺(tái)整體的有效性。

2)精度和性能分析。

數(shù)?；旌戏抡孳浖木群托阅芘c其設(shè)計(jì)方法有很大的聯(lián)系，表3是不同方案的對(duì)比表。

表3 不同方案的對(duì)比表

表3從理論角度對(duì)比了現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案和本文設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，可以看出本文設(shè)計(jì)的數(shù)模混合仿真平臺(tái)具有性價(jià)比高，精度和性能都是比較良好。下面通過具體實(shí)例對(duì)精度和性能進(jìn)行分析。

以工程1仿真為例，模擬電路聯(lián)合仿真結(jié)果與PSpice仿真結(jié)果比較如圖8所示。對(duì)兩者仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，模擬聯(lián)合仿真結(jié)果是從PSpice的仿真結(jié)果中采集來的，兩者數(shù)值精度完全一致。除此之外，PSpice仿真結(jié)果在初始和數(shù)據(jù)突變時(shí)會(huì)采取更加精準(zhǔn)的采集，在較小的步長(zhǎng)時(shí)，這種情況會(huì)造成性能的浪費(fèi)，而模擬聯(lián)合仿真結(jié)果能夠避免這種情況。既能夠發(fā)揮PSpice仿真的精確性，又能提升一定仿真性能。

圖8 模擬電路聯(lián)合仿真結(jié)果與模擬引擎仿真結(jié)果比較圖

以工程2為例，數(shù)字電路聯(lián)合仿真性能與ModelSim仿真性能比較如圖9所示。圖中每個(gè)數(shù)據(jù)是在相同環(huán)境下，經(jīng)過數(shù)十次仿真結(jié)果取得的均值，能夠比較有效地反應(yīng)相同環(huán)境下兩種方式的性能差異。由圖可知，這兩種仿真方式的仿真時(shí)間與實(shí)際用時(shí)均為線性關(guān)系，不同之處在于數(shù)字電路聯(lián)合仿真進(jìn)行需要一定的引擎連接時(shí)間，所以仿真時(shí)間起始點(diǎn)較高，但這種連接也減少了ModelSim軟件仿真中其它部分的功能，從而提高仿真的性能，節(jié)省了仿真的時(shí)間。

圖9 數(shù)字電路聯(lián)合仿真性能與數(shù)字引擎仿真性能比較圖

4 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

仿真平臺(tái)的搭建步驟主要分為三步：(1)仿真平臺(tái)界面設(shè)計(jì)；(2)功能模塊設(shè)計(jì)；(3)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建。其中，功能模塊設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建在第2章節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。所以下面主要介紹仿真平臺(tái)界面設(shè)計(jì)和平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)效果。

仿真平臺(tái)界面設(shè)計(jì)是采用Matlab的GUI模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含菜單欄、工具欄、仿真工程目錄窗口、仿真文件視圖窗口、信息通知窗口和參數(shù)查詢窗口等6個(gè)部分。

基于Simulink的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)主界面如圖10所示。

圖10 平臺(tái)主界面圖

菜單欄、工具欄是主要仿真功能的實(shí)現(xiàn)，后四者主要功能是展示仿真流程和結(jié)果。工具欄是任務(wù)欄的圖形化表示，所以通過菜單欄功能來介紹仿真平臺(tái)效果。

工程管理實(shí)現(xiàn)仿真文件的新建、導(dǎo)入、配置和刪除等操作，以及仿真工作組的導(dǎo)入、保存和刪除等功能，能夠?qū)⒅按鎯?chǔ)的文件，工作組讀取，重新進(jìn)行仿真配置，進(jìn)行仿真工作，獲取仿真數(shù)據(jù)。

仿真配置實(shí)現(xiàn)子模塊的編輯校驗(yàn)、仿真子模塊的導(dǎo)入和模塊間數(shù)據(jù)導(dǎo)向關(guān)系的引入，并在此基礎(chǔ)上完成添加數(shù)據(jù)類型的拓?fù)渑判蚝湍K間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

仿真實(shí)現(xiàn)整體仿真流程的控制，包括啟動(dòng)、暫停、繼續(xù)和終止，其操作會(huì)在消息通知窗口顯示。

查看與結(jié)果是查看錯(cuò)誤位置、類型等信息，單個(gè)仿真文件結(jié)果展示，仿真工作組仿真結(jié)果顯示。

綜上所述，仿真平臺(tái)首先能夠快速地對(duì)數(shù)?；旌想娐吠瓿煞抡媪鞒痰拇罱?、修改和功能仿真，其次能夠?qū)σ呀?jīng)仿真過的工程組進(jìn)行快速重新讀取，然后可以對(duì)仿真進(jìn)程進(jìn)行觀測(cè)和有效控制，最后可以對(duì)仿真整體，包括仿真流程和數(shù)據(jù)盡心有效存儲(chǔ)和處理。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)數(shù)?；旌戏抡婢扰c性能之間的矛盾問題和復(fù)雜混合電路時(shí)仿真工具存在主流芯片和電路模塊不足問題，提出了一種粘合模式的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)模型架構(gòu)，基于該架構(gòu)選擇PSpice和ModelSim在Simulink上實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)?；旌戏抡孳浖脚_(tái)對(duì)該模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的數(shù)模混合仿真平臺(tái)針對(duì)工業(yè)級(jí)復(fù)雜電路能夠?qū)崿F(xiàn)流程化、模塊化、行為級(jí)的混合仿真，仿真速度和精確性均有較為良好的效果。數(shù)模混合電路仿真平臺(tái)以Simulink以系統(tǒng)級(jí)仿真作為頂層，通過協(xié)同仿真技術(shù)調(diào)用具有主流芯片和電路模型支持的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件PSpice和ModelSim作為底層的仿真引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過添加電路模塊拓?fù)渑判蚝蛿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法控制數(shù)據(jù)流流向，實(shí)現(xiàn)快速，高效的數(shù)?；旌戏抡妗?/p>

優(yōu)點(diǎn)：通過黏合模式設(shè)計(jì)思想和協(xié)同仿真技術(shù)，將PSpice軟件的高精度與ModelSim的高性能有效的結(jié)合起來，使得基于Simulink的數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)有良好的性能和精確性。

同樣存在不足之處，電路拆分功能過于依賴專家能力，降低了本平臺(tái)的自動(dòng)化程度，后續(xù)需要做出改進(jìn)，故障仿真功能還未完善，后續(xù)需要添加。