CN103164545A - 虚拟电子元器件的可视化编辑方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种虚拟电子元器件的可视化编辑方法，包括：定义多个通用的标准XML标签，用来表示电子元器件及其连接关系；定义基本元器件的XML脚本；通过可视化编辑器搭建实际电路；基于定义的标准XML标签和基本元器件的XML脚本，根据在可视化电路编辑界面中搭建的实际电路生成与该实际电路相对应的通用XML脚本；以及利用XML脚本转换工具将生成的通用XML脚本翻译成电路仿真软件可接收的电路描述语言。

Description

虚拟电子元器件的可视化编辑方法

技术领域

本发明涉及虚拟电子元器件可视化编辑方法与系统，特别涉及虚拟实验用电子元器件的仿真组合电路的可视化编辑方法与系统。

背景技术

近年来，由于实验教学需求日益增加，传统的实验教学已经不能满足新形势下的教学要求，从而面临各种各样的问题。例如，传统的实验教学主要依赖费用高昂的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高，开展过程受时间、地点、人力、物力、财力限制等问题，致使实验教学无法有效开展，严重影响教学质量。在科学技术飞速发展的今天，传统的实验教学内容往往跟不上新知识和新技术的产生，不能让学生及时了解前沿的知识和技术，学生的思维得不到拓宽。实验教学依附于理论教学，一般都是老师讲，学生听的传统灌输式的教学模式，且验证性实验和孤立的单元性操作实验多，设计性、综合性、创新性实验少，大大抑制了学生的创新思维，个性得不到发展。为此，已开发出许多的实验用虚拟电子元器件的可视化编辑方法与系统，从而避免了实物实验用具的高昂花费、节约了教学资源，特别是能够大大提高实验的效率。

目前，最流行的虚拟电子元器件的模拟电路仿真的可视化工具是SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)软件，其是1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计，1988年被定为美国国家工业标准。SPICE可以进行模拟电路的瞬态分析、交流分析、零极点分析、灵敏度分析。用户在SPICE里设计电路原理图，并通过SPICE仿真来得出电路结果，但SPICE是单机版工具，并且SPICE是为电路专业人员所用，在SPICE中用户设计的是电路原理图。随着电路虚拟方法和系统的不断完善，电路仿真行业也越来越成熟。通过专业人员的长时间电路设计，直接编制SPICE电路描述语句进行仿真的状况已经成为行业发展和应用的瓶颈。特别是，现有的虚拟电子元器件的模拟电路仿真的可视化方法和工具不能满足新的实验需求，使学生的创造能力得不到培养。

发明内容

本发明通过使用可视化电路编辑方法和XML可扩展标签，配合XML与SPICE两种语言的翻译工具，形成一套通用的电路仿真语言的生成方法和系统，从而解决了电路仿真行业在电路编制上遇到的瓶颈问题。

使用者可以利用本发明的可视化虚拟电子元器件编辑方法编辑、修改和保存电子元器件，特别是可以通过电子元器件的电路描述语句直接生成相应电子元器件，很好地满足电路实验的教学要求，解决虚拟实验过程中只能使用已创建的电子元器件的问题。

本发明还可利用基础元器件组合成组合元器件，解析翻译后在平台上显示新的元器件，并存入对应器材库。下次使用此元器件时可以不用再重新搭建，直接拖拽使用，使得用户可以直接根据需求搭建新的虚拟电子元器件，而不用和电路仿真系统的开发人员定制所需电子元器件。

根据本发明的一个方面，提出了一种虚拟电子元器件的可视化编辑方法，包括：定义多个通用的标准XML标签，用来表示电子元器件及其连接关系；定义基本元器件的XML脚本；通过可视化编辑器搭建实际电路；基于定义的标准XML标签和基本元器件的XML脚本，根据在可视化电路编辑界面中搭建的实际电路生成与该实际电路相对应的通用XML脚本；以及利用XML脚本转换工具将生成的通用XML脚本翻译成电路仿真软件可接收的电路描述语言。

优选地，所述的虚拟电子元器件的可视化编辑方法还包括通过所述可视化编辑器将基本元器件进行组合，形成独立复用元件，并利用基本元件以及独立复用元件来搭建实际电路。

优选地，所述的虚拟电子元器件可视化编辑方法还包括：提供电路描述复用机制，将电路元件的通用XML脚本翻译成标准的电路描述语言，从而得到能够在各种电路仿真软件上重复使用的虚拟仿真电路元件。

优选地，所述的虚拟电子元器件可视化编辑方法，其中所述电子元器件的属性包括器件类型、器件名称、器件的多个属性值、器件的多个端口。

优选地，所述的虚拟电子元器件可视化编辑方法，其中所述连接关系由连接器件和连接端口定义。

优选地，所述的虚拟电子元器件可视化编辑方法，其中通过所述可视化编辑器将基本元器件进行组合形成独立复用元件的过程包括：

-使用基本元器件搭建独立复用元件的内部结构并进行外部封装；

-将作为单元的基本元器件信息保存到ACTION中；

-将ACTION保存为XML脚本的一个元素；

-将所有元素统一生成XML脚本，此XML脚本描述新建的独立复用元件。

优选地，所述的虚拟电子元器件可视化编辑方法还包括利用可视化编辑器加载所述独立复用元件，其中：

-将所述XML脚本读入并按照元素解析；

-将解析出的每个元素保存到一个ACTION中；

-执行ACTION的恢复功能，恢复为独立复用元件的各个单元；

-关联各个单元，填充到独立复用元件内部的正确位置，组成独立复用元件。

优选地，所述电路描述语言包括SPICE语言。

附图说明

图1描述了根据本发明的一个实施例的虚拟电子元器件可视化编辑方法的流程图；

图2显示了组合电子元器件的层次关系的示意图；

图3显示了利用可视化编辑器的虚拟电子元器件可视化编辑方法和加载方法的流程图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的可视化编辑器编辑界面的示意图；

图5显示了将内部电路转换成SPICE描述语句以供SPICE内核进行运算的流程图；

图6显示了实现可视化的虚拟电子元器件的方法的应用系统的操作流程。

具体实施方式

XML(Extensible Markup Language，可扩展的标记语言)，是一套定义语义标记的规则，这些标记将文档分成许多部件，并对这些部件加以标记。也是元标记语言，即定义了用于定义其它与特点领域相关的、语义的、结构化的标记语言的句法语言，它的出现极大地推动了互联网尤其是电子商务的发展。XML具有半结构化、自描述性、可扩展性、可重用性、简单性、开放性、平台无关性等特点。本发明使用XML对电路中的电子元器件和电子元器件连接关系进行描述，以便把实际电路定义成纯XML脚本格式。

图1描述了根据本发明的一个实施例的虚拟电子元器件可视化编辑方法，包括：定义多个通用的标准XML标签，用来表示电子元器件及其连接关系；定义基本元器件的XML脚本；通过可视化编辑器编辑实际电路；基于定义的标准XML标签和基本元器件的XML脚本，根据在可视化电路编辑界面中搭建的实际电路生成与该实际电路相对应的通用XML脚本；以及利用XML脚本转换工具将生成的通用XML脚本翻译成电路仿真软件可以接收的电路描述语言。

该方法还可包括通过可视化编辑器将基本元器件进行组合，形成独立复用元件，并利用基本元件以及独立复用元件来搭建实际电路。

在另一实施例中，根据本发明的一个实施例的虚拟电子元器件可视化编辑方法还提供一套电路描述复用机制，将电路元件的通用XML脚本翻译成标准的电路描述语言，从而得到能够在各种电路仿真软件上重复使用的虚拟仿真电路元件，通过该电路描述复用机制，通过可视化编辑器生成的XML脚本可以复用到其他编制过程中，进而形成独立的重复使用率很高的电路模块，实现电路模块的封装；

具体地，本发明的方法和系统特别提出了一套通用的XML标签定义，这些标签能够精确的描述电子元器件基本属性和电路连接关系。使用本套标签，用户可以自定义电路或定制芯片。定义的电子元器件的属性包括器件类型、器件名称、器件的多个属性值、器件的多个端口等，而通过定义连接器件和连接端口可以定义电子元器件的连接关系。首先，定义通用的XML标签，描述电路元器件属性及其连接关系；之后，定义基本电子元器件的XML脚本，供电路编制使用。

电子元器件的通用XML标签的一个具体实施例如下：

<COMPONENT>..................................定义一个电路元器件

  <TYPE>...</TYPE>...........................定义器件类型

  <NAME>...</NAME>...........................定义器件名称

 <PROPERTY>..................................设置器件属性值

     <PROPERTY_NAME>...</PROPERTY_NAME>......定义属性名称

     <PROPERTY_VALUE>...</PROPERTY_VALUE>....定义属性值

  </PROPERTY>................................结束一个属性定义

  ---........................................定义其他属性

  <PORT>.....................................定义器件端口

     <PORT_NAME>...</PORT_NAME>..............定义端口名称

     <PORT_NODE_ID>...</PORT_NODE_ID>........定义端口节点号

  </PORT>....................................结束一个端口定义

  ---........................................定义其他端口

</COMPONENT>.................................结束一个元件定义

电路中元器件连接关系的通用XML标签的一个具体实施例如下：

<LINK>.......................................定义原件连接

  <PORT1>

    <REFERENCE_COMPONENT>....................参考连接器件1

    </REFERENCE_COMPONENT>

    <REFERENCE_PORT>...</REFERENCE_PORT>.....参考连接端口

  </PORT1>...................................结束参考连接1

  <PORT2>

    <REFERENCE_COMPONENT>....................参考连接器件2

    </REFERENCE_COMPONENT>

      <REFERENCE_PORT>...</REFERENCE_PORT>...参考连接端口

   </PORT2>..................................结束参考连接2

</LINK>......................................结束连接定义

以电阻为例，其对应的基本电子元器件的XML脚本如下：

<COMPONENT>..................................定义一个电路元器件

  <TYPE>RESISTOR</TYPE>......................定义器件类型为电阻

  <NAME>R1</NAME>............................定义器件名称为R1

  <PROPERTY>.................................设置器件属性值

     <PROPERTY_NAME>RESISTANCE</PROPERTY_NAME>...定义属性名

                                               称为电阻值

     <PROPERTY_VALUE>5K</PROPERTY_VALUE>....定义属性值为5K欧姆

  </PROPERTY>...............................结束一个属性定义

  <PORT>....................................定义器件端口

    <PORT_NAME>IN</PORT_NAME>...............定义端口名称为IN

    <PORT_NODE_ID>0</PORT_NODE_ID>..........定义端口节点号为0

  </PORT>...................................结束一个端口定义

  <PORT>....................................定义器件端口

    <PORT_NAME>OUT</PORT_NAME>..............定义端口名称为OUT

    <PORT_NODE_ID>1</PORT_NODE_ID>..........定义端口节点号为1

  </PORT>...................................结束一个端口定义

</COMPONENT>................................结束一个元件定义

经过上述定义，就得到了基本电子元器件的XML标签，以及基本电子元器件的XML脚本，即建立了XML元件库。还可将基本元器件进行组合，进而得到功能更为复杂的组合电子元器件，或称为独立复用元件，组合电子元器件就是在父元件中组合子元件，而且组合关系是无限层次的。图2显示了这种组合电子元器件的层次关系。在图2中可以看到，元件之间存在着包含关系，父元件META1包含子元件SubMeta1和SubMeta2，子元件SubMeta1又包含二级子元件SubSub1、SubSub2、SubSub3。在组合元件中，同层元件存在连接关系，而父元件和子元件之间存在包含关系和连接关系。以图2所示的组合元件为例，其XML语言描述如下：

接下来，本发明的方法应用可视化编辑器。可视化编辑器是XML标签可视化生成和解析的平台。通过这个平台用户可以不关心XML具体语义的定义，只是简单的通过电路搭建过程来生成XML脚本文件。它的作用是屏蔽XML语义复杂性，使用户主要精力放在电路或电子器件的编制上。再通过可视化编辑器利用嵌套语句结构将基本元器件进行组合，进而得到功能更为复杂的电子元器件，形成独立复用元件。

可利用已知的Java语言实现可视化编辑器。图3的上半部分显示了利用可视化编辑器的独立复用元件可视化编辑方法，其包括：步骤S301，使用基本元器件搭建独立复用元件的内部结构并进行外部封装；步骤S302将作为单元的基本元器件信息保存到ACTION中，步骤S303，将ACTION保存为XML脚本的一个元素；步骤S304将所有元素统一生成XML脚本，此XML脚本描述新建的独立复用元件。图3的下半部分显示了利用可视化编辑器的独立复用元件加载方法，在步骤S305，将XML脚本读入并按照元素解析；步骤S306，将解析出的每个元素保存到一个ACTION中；步骤S307，执行ACTION的恢复功能，恢复为独立复用元件的各个单元；步骤S308，关联各个单元，填充到独立复用元件内部的正确位置，组成独立复用元件。其中，Java语言中的ACTION类是用于实现协调GUI组件与它们的功能。具有保存和恢复一个虚拟电子元器件一个组成单元的功能。

用户可通过可视化编辑器编辑特定的独立复用元件，例如仿真器材，用户编辑的内容涉及器材外形信息、内部结构信息、器材在电路中的表示方法、外观和内部结构的对应关系及器材内部属性信息的逻辑关系；其中外观信息包括外观大小、封装形式、引脚位置等；内部结构信息包括一个器材有多少子器材、子器材之间的连接关系怎样、子器材和它的父器材的连接关系怎样等；器材在电路中的表示方法信息包括一个器材对应的SPICE语句是什么，如何把一个器材的子器材信息表示成SPICE等；外观和内部结构的对应关系指如何把电路外观引脚对应成逻辑节点号等；器材属性的依赖关系信息指如果一个器材的某个属性值变化了，这个值会如何影响器材的其他属性。图4显示了可视化编辑器编辑界面的一个实施例，其搭建了包含包括仿真器材(直流稳压电源)，基本电子器件(电阻)等的实际电路。

XML格式电路描述不能直接进行电路仿真，必须翻译成电路描述语言，从而让各个厂商的仿真内核接收该电路描述语句，进而进行电路仿真。XML脚本转换工具的功能就是为XML脚本和电路描述语言之间的转换提供一个桥梁，通过这个桥梁实现二者相互转换。

虚拟电子元器件最终会被表示为一串电路描述语句。这里以常用的SPICE语言为例，SPICE仿真内核是电路仿真行业通用电路仿真算法集，可以实现任意电路的仿真。SPICE电路描述语句是由标题行、器件描述行(包括器件模型描述行)、电路分析行、以及结束行组成的，其中除了标题行固定在第一行和结束行固定在最后一行，其他的语句的位置是任意的。标题语句与结束语句的内容固定，分析语句的分析类型根据需要进行选择，器件描述语句与独立复用元件一一对应，所以电路转换为电路描述语句只需要考虑将独立复用元件转换为电路描述语句。

SPICE编译器能够对基于独立复用元件翻译出的SPICE语句进行语法解析，判断合法性，最终生成可以运行的SPICE语句。通过对SPICE器件模型进行参数化封装，结合调用模型的描述器，来承载一个独立复用元件的表示功能。特别是，在翻译一个组合器件时，不单要把本器件翻译成SPICE语句，还要把这个器件的所有子器件一并进行翻译，最终将一个存在父子关系和连接关系的器件翻译为存在子调用关系的一组SPICE语句。在一个电路中如果晶体管或者场效应管的模型相同，那么这个模型在电路中只出现一次。

图5显示了将可视化编辑器编辑的电路转换成SPICE描述语句以供SPICE内核进行运算的流程图，包括如下步骤：

-检测可视化编辑器的实验台上是否有虚拟电子元器件。系统会有线程负责检验实验台上是否有元器件，如果有，则进入下一步的转换阶段，如果没有，则隔段时间之后继续检测。

-自动为虚拟电子元器件的描述器命名。由于电路描述语句中每一个器件都有一个有固定类型前缀的名称，例如电阻名称的前缀为R，而器件的名称在一个电路的描述语句中是唯一的，用来区别其他器件。因此在建立电路的时候，会自动为器件的描述器分配一个序列号，序列号按照这个类型的器件在实验台上的数量从小到大依次分配，虚拟电子元器件描述器的名称就由类型前缀和序列号组成。

-描述器读取虚拟电子元器件所有引脚的节点号。虚拟电子元器件在拖到实验台上的时候，系统会自动为这个器件的所有引脚逐一分配节点号，如果这个引脚未与实验台上其他的引脚连接，则这个引脚的节点号是全局惟一的，如果这个引脚与其他引脚相连，那么这些连接在一起的引脚的节点号是相同的。在建立电路的时候，由于连线和删线的操作，也会改变引脚的节点号，若两个引脚是相连的，它们的节点号应该是相同的，那么删除了他们之间的连线之后，这两个引脚会更新成不同的节点号。所有这些引脚的节点号，都会在虚拟电子元器件转换成描述语句的时候，由描述器读取出来。

-加载虚拟电子元器件的模型信息。描述器中包含了这个器件转换成描述语句的所有模型信息，即已生成的XML标签和通用XML脚本，在完成了前面两步之后，描述器自动加载这些信息，这时，描述器已经拥有了转换成描述语句所需要的所有信息。在转换的过程中，将虚拟电子元器件的模型信息添加到模型管理器中，重复的模型不能添加进去，所有的虚拟电子元器件都转换成电路描述语句之后，模型管理器中就有了所有器件所需要的模型信息。将这些模型信息紧随器件的描述语句之后输出。

-添加电路的分析语句。系统会检查实验台上电路中有什么类型的信号源，根据信号源的不同，为输出地描述语句添加不同的电路分析语句。

-为电路描述语句添加标题和结尾。作为一个完整的SPICE电路描述语句，必须有标题和结尾语句的存在。

经过以上的六个步骤，实验台上的电路就转换成了正确的SPICE电路描述语句，这些描述语句经过SPICE仿真器的分析、计算，就可以得出需要的仿真结果了。

一般而言，SPICE是为电路专业人员所用，在SPICE中用户设计的是电路原理图，但是它具有强大的仿真功能，因此本发明的方法和系统的实施例采用SPICE作为后台仿真的工具，并调用其仿真引擎来对其仿真。但本领域技术人员应理解，除SPICE之外的任何其他的电路仿真工具及对应的电路仿真语句都可作为后台仿真工具，包含在本发明的范围之内。

图6显示了实现可视化的虚拟电子元器件的方法的应用系统的操作流程，其包括：步骤S601，使用编辑器设置期间基本参数；步骤S602，搭建、运行、保存和修改电路；步骤S603，生成对应的xml脚本并在后台翻译成SPICE语句，并编译运行；步骤S604，使用仪器观察运行结果。其中步骤S601的设置元件基本参数例如包括为器件添加外观图片设置、确定器件类型、确定器件型号、设置器件说明信息、设置器件内部模型信息，以及确定外部引脚位置等。

上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种虚拟电子元器件的可视化编辑方法，包括：

定义多个通用的标准XML标签，用来表示电子元器件及其连接关系；

定义基本元器件的XML脚本；

通过可视化编辑器搭建实际电路；

基于定义的标准XML标签和基本元器件的XML脚本，根据在可视化电路编辑界面中搭建的实际电路生成与该实际电路相对应的通用XML脚本；

利用XML脚本转换工具将生成的通用XML脚本翻译成电路仿真软件可接收的电路描述语言。

2.根据权利要求1所述的虚拟电子元器件的可视化编辑方法，还包括通过所述可视化编辑器将基本元器件进行组合，形成独立复用元件，并利用基本元件以及独立复用元件来搭建实际电路。

3.根据权利要求1所述的虚拟电子元器件的可视化编辑方法，还包括：提供电路描述复用机制，将电路元件的通用XML脚本翻译成标准的电路描述语言，从而得到能够在各种电路仿真软件上重复使用的虚拟仿真电路元件。

4.根据权利要求1所述的虚拟电子元器件的可视化编辑方法，其中所述电子元器件的属性包括器件类型、器件名称、器件的多个属性值、器件的多个端口。

5.根据权利要求1所述的虚拟电子元器件的可视化编辑方法，其中所述连接关系由连接器件和连接端口定义。

6.根据权利要求2所述的虚拟电子元器件的可视化编辑方法，其中通过所述可视化编辑器将基本元器件进行组合形成独立复用元件的过程包括：

-使用基本元器件搭建独立复用元件的内部结构并进行外部封装；

-将作为单元的基本元器件信息保存到ACTION中；

-将ACTION保存为XML脚本的一个元素；

-将所有元素统一生成XML脚本，此XML脚本描述新建的独立复用元件。

7.根据权利要求6所述的虚拟电子元器件的可视化编辑方法，还包括利用可视化编辑器加载所述独立复用元件，其中：

-将所述XML脚本读入并按照元素解析；

-将解析出的每个元素保存到一个ACTION中；

-执行ACTION的恢复功能，恢复为独立复用元件的各个单元；

-关联各个单元，填充到独立复用元件内部的正确位置，组成独立复用元件。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的虚拟电子元器件的可视化编辑方法，其中所述电路描述语言包括SPICE语言。

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