數字邏輯仿真實驗環境的建設與探索

文章編號：1962-5913(2008)15-0108-03

摘要：本文闡述了將仿真技術應用到數字邏輯實驗教學中的理論過程，同時針對哈爾濱工程大學計算機虛擬實驗教學中心下屬的數字邏輯虛擬實驗教學的實際建設情況進行了詳細的論證。

關鍵詞：仿真；數字；邏輯；教學

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

1引言

當前，為了適應新的社會需求和計算機專業學生的培養需要，全國各高校均加強了對嵌入式人才的培養力度，計算機硬件系列教學的必要性顯得尤為突出。但由于硬件實驗設備以及儀器的升級換代速度非常快，特別是當前創新教育引領學生發展的環境下，平均不到兩年，設備的配置就已無法滿足學生的創新實驗需要。設備儀器的被動淘汰必然產生大量的更新需求，高額的實驗設備采購費用始終是橫亙在計算機專業創新人才培養道路上的阻礙。

此外，計算機硬件教學的資源相對還十分有限，面向門類繁多的硬件實驗教學課程，顯得捉襟見肘。同時，由于設備的長時間超負荷運轉，也無形中增加了設備的磨損和維修頻率，嚴重影響了實驗的教學效果和人才的培養程度。

在這樣的強勢需求下，將仿真技術應用到實驗教學中來構筑完整的多學科多門類的虛擬實驗教學中心，具有不言而喻的優勢和潛力。它可以減輕教學人員的負擔，使其更多地投入到實驗教學改革中去；可以滿足任意數量學生在任意時間的創新實驗和學習；可以很方便地實現系統升級換代，調整設備配置，以插件的方式對虛擬設備進行更新。

2數字邏輯仿真技術的理論基礎

對于創新人才的培養，最注重的是實踐能力的培養，由實驗轉為實踐。不僅僅是教學內容由驗證型向設計型，綜合型的形式轉變，它更注重的是教學方法的改變，即教師少講內容，多引導學生思維。虛擬實驗中心面向新的培養目標能夠有的放矢地進行模擬實驗演示，仿真實驗數據分析，綜合型實驗檢測，問題跟蹤等一系列需要教師和學生進行1:1授課才有可能真正意義完成的教學任務。

通過仿真技術構筑起來的虛擬實驗中心，依托于校園網絡，可以實現最大負荷情況下的多人數在線仿真實驗。在仿真環境中，教師是建設者，仿真系統本身是服務人員，監控系統是后勤保障。其結構如圖1所示：

(1) 多用戶條件下，用戶的基本信息與教務處學生信息管理系統直接相連，數據跨平臺共享；

(2) 根據登錄信息，記錄其訪問行為，即實驗日志，內容主要包括：實驗時間，實驗內容，操作是否規范，操作是否熟練，對于隨機問題的排錯和調試能力等；

(3) 根據實驗的基本考核點，計算其實驗成績，如對于數字邏輯實驗，學生的實驗成績(M)：

M=(實驗完成時刻-開始時刻)/實驗規定完成時間*0.3+(實際配錯數目/隨機產生錯誤數據)*0.2+實驗結果是否正確*0.5

對于數字邏輯仿真實驗來說，實驗結果是否正確，由系統知識庫自動判定，根據輸出結果，動態輸出權值，該值的范圍在0.5-1之間取值。對于不同的實驗類型和內容，系統依據知識庫進行相應的判定和成績輸出。學生的成績最終存儲到成績庫，成績由系統判定，并定時備份和上傳，無法更改。

3數字邏輯實驗仿真的運行過程

數字邏輯仿真實驗室的邏輯運行結構如圖2：

首先，學生完成登錄操作，可以瀏覽虛擬實驗教學中心基本介紹，在虛擬環境下參觀教學中心。

(1) 學生選擇進入數字邏輯及電路仿真實驗室，電子門禁自動記錄該人員實驗時間；

(2) 進入實驗室，可多角度觀察該實驗室，進入某位置入座；

(3) 根據實驗目標，學生可根據需要選擇虛擬元器件類型和數目。如果選擇不理想，在后期實驗過程中，可以動態申請元器件數目和類型。但對于指定元器件的數目和類型的實驗，選擇是無效的；

(4) 向網絡管理員申請要進行實驗的內容，系統會進行仿真環境快速建模，針對實驗內容搭建實驗平臺，同時評判系統開始工作，記錄學生的開始時間和每一個實驗操作及對隨機錯誤的調試等，隨機錯誤由知識庫生成，特別地，知識庫還存儲著實驗內容的演示結果，元器件的邏輯內容；

(5) 學生開始進行實驗，檢查完畢，申請結束；

(6) 專家系統啟動，根據所完成數字邏輯電路，實測輸入輸出，并和理論值進行比較，對于錯誤的結果，回溯邏輯電路，找到問題并記錄；

(7) 計算成績M，并結合知識庫，由專家系統提出電路存在的問題和不足；

(8) 學生可選擇性的觀看正確的實驗操作過程和演示，也可以選擇回放自己的實驗過程，加深理解；

(9) 離開實驗室，門禁系統登記，注銷該用戶；

4數字邏輯實驗仿真的具體實現

(1) 數字邏輯實驗仿真環境的構建從邏輯角度主要包括以下幾個部分：

●數字電路運行及展示效果發生器，負責學生對虛擬元器件的操作接口，同時還負責對虛擬電路運行的演示效果。

●實驗環境快速建模仿真器以及實驗室實景仿真器，是虛擬實驗室建設的核心部分。首先，定義了虛擬實驗室的運行邏輯；其次，定義了虛擬實驗室實驗內容的操作流程和控制行為的管理；再次，定義了知識庫訪問機制；特別地，定義了實驗室運行和維護的基本準則和邏輯流程。

●虛擬實驗室應用管理系統，是實驗室正常運行的軟件保障，包括用戶管理，數據庫訪問管理，實驗內容管理，邏輯知識管理。

●組件構造系統，定義了虛擬元器件的類型和圖形展示方案；定義了虛擬實驗中心的圖形展示和方案；定義了所有動態演示方案；

(2) 如圖3所示，數字邏輯實驗仿真環境的構建從實現角度主要包括以下幾個部分：

●仿真環境：仿真環境是進行數字邏輯仿真實驗的基礎。通常來說，主要是指形成數字邏輯實驗平臺，包括必要的虛擬插槽，開關，脈沖，電源等基礎部件；在仿真環境下，才能進行基本的仿真實驗的準備工作。

●仿真元素：仿真元素是指仿真環境下的虛擬邏輯芯片。仿真元素具有自定義、可擴展的特點。通常，在仿真環境下，為用戶提供元素自定義模板。用戶可以自定義元器件的引腳排列、內部邏輯等信息。

●數據存儲：數據存儲主要完成兩個層面的過程數據管理。首先，對每一種仿真元素的靜態邏輯信息的保存；其次，完成仿真過程中的邏輯布線環境下的數據分析和記錄。

●專家系統：專家系統負責對仿真工作的正確性進行判定。根據數據存儲提供的記錄輸出仿真操作所產生的結果，并同知識庫中的理論數據比較鑒定，進而給出判定結論。

●仿真助手：屬于仿真結構中的幫助系統。提供操作過程中實時的指導，既包括對仿真操作本身的引導，同時也包括對仿真內容的知識層面的介紹和分析。

●知識庫：靜態數據，并不斷充實。為仿真環境提供數據支撐。

5未來的發展方向

哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心繼承和發揚“哈軍工”的優良傳統，經多年實踐，中心積累了豐厚的教學經驗，確立了“強基礎、重能力、抓創新”的教學理念，伴隨著仿真技術的探索和仿真實驗環境的逐步成熟和改善，實驗教學中心的實驗教學充滿生機和活力，深受廣大學生歡迎。實驗教學中心為大學生的創新能力、動手能力、協作能力的培養發揮了不可替代的重要作用。

參考文獻：

[1] 武俊鵬，孫建國，張國印. 虛擬現實技術在計算機實驗教學中的應用[J]. 計算機教育，2007，(24).

[2] 曾芬芳. 虛擬現實技術[M]. 上海交通大學出版社，1997.

[3] [美]Vince J. Virtual Reality Systems[M]. Addison Wesley Publishing，1998.

[4] 方愷晴，石琳，林亞平. 虛擬電子實驗臺在實驗教學中的應用[J]. 實驗室研究與探索，2000，(1).

[5] 趙沁平，陳小武. 虛擬現實技術與應用[J]. 中國計算機報，2001，(2).

Exploration and Building to the Experiment Environment of Digital Logic Simulation

SUN Jian-guo， WU Jun-peng， ZHANG Guo-yin

Abstract: It is introduced that the theory process of applying the simulation tech. to the digital logic education. Meanwhile， it is discussed that the situation of the virtual experimental education belonging to the HEU Virtual Experiment Center.

Key Words: Simulation， Digital， Logic， Education