虛擬仿真技術(shù)在電類實驗教學中的應用與實踐

程思寧，耿 強，姜文波，占永寧

（海口經(jīng)濟學院 信息工程學院，海南 ?？?571127）

為改善高校電類實驗教學條件、改革實驗教學方法、更新實驗教學內(nèi)容、提高實驗教學水平，把虛擬仿真技術(shù)引入電類實驗教學已成為一種趨勢［1］。虛擬仿真實驗突破了原有課程實驗的界限，增加了趣味性、綜合性、設計性及創(chuàng)新性實驗，加強現(xiàn)代實驗方法、實驗手段的應用，提出有代表性的、啟發(fā)性的問題，加深學生對實驗的理解，激發(fā)創(chuàng)新思維與興趣［2］。虛擬仿真實驗為學生獨立自主地進行學習與實踐創(chuàng)造良好的條件，更有利于培養(yǎng)學生的實際應用能力和綜合素質(zhì)。

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實和仿真。

虛擬現(xiàn)實（virtual reality）是利用人工智能、網(wǎng)絡技術(shù)、傳感技術(shù)等進行的高級人機交互技術(shù)。在電類實驗教學方面，虛擬現(xiàn)實的應用主要是虛擬儀器（virtual instrument），虛擬的儀器面板，用軟件實現(xiàn)儀器的功能（所謂“軟件即是儀器”），強調(diào)了軟件的主體作用。

仿真（simulation）是利用模型進行的實驗，利用仿真軟件等系統(tǒng)工具的模擬功能對電路環(huán)境和電路過程進行模擬，達到與真實實驗相一致的目的。

常用的電子類虛擬仿真軟件有orCAD、Pspice、Pcad、Altium Designer、Multisim、Proteus、Lab－WIEW、LabWindows／CVI、Matlab、ISE 等。本文不詳細介紹如何使用某一仿真軟件，而是用實例來說明虛擬仿真技術(shù)在電類課程教學中的應用［3］。

2 虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢

在實驗教學中采用虛擬仿真技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）打破時間與空間的限制，只要有計算機就可以隨時隨地進行實驗，而不局限于實驗室，使用者可以按照個人愛好、興趣等自主進行實驗；

（2）提高設計的直觀性和真實性，可以更形象地獲取知識，激發(fā)學習熱情；

（3）不消耗器材，實驗用的元器件和儀器儀表齊全，可以重復操作，降低實驗和設計成本；

（4）實驗速度快，容易開展設計性和綜合性實驗，有利于培養(yǎng)使用者的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力；

（5）可移植，可以通過仿真為實際的硬件電路提供設計方向，縮短設計時間，提高設計效率；

（6）實驗非常安全，可以任意進行探索性操作。

3 典型應用

3.1 Multisim10在電路與電子技術(shù)課程中的應用

Multisim10是NI（美國國家儀器公司）開發(fā)的專業(yè)電子仿真軟件。該款軟件操作簡易，初學者非常容易上手。它的元器件豐富、虛擬儀器齊全、功能強大，不僅提供了萬用表、示波器等常用儀器儀表，而且提供了虛擬網(wǎng)絡分析儀、頻譜分析儀等［4－5］復雜儀器。

電路與電子技術(shù)課程包括電路分析、模擬電子技術(shù)和數(shù)字邏輯電路3門課。這3門課是電子信息專業(yè)的專業(yè)基礎課，學生掌握得好壞直接影響到后續(xù)課程的學習。在授課過程中，學生也普遍反映課程難學、實驗枯燥。仿真軟件的使用，可以增強學生的自信心，提高學習熱情。

在進行濾波器的實驗教學時，一般的實驗室并不配備頻譜分析儀。常用的方法是在維持輸入信號幅度不變的情況下，逐點改變輸入信號頻率并測量輸出電壓，用描點的方式來繪制頻率特性曲線。這種實驗方法誤差比較大，不利于學生理解。

圖1（a）是用 Multisim10繪制的二階有源低通濾波器電路。示波器XSC1的通道A、B分別觀測輸入、輸出信號，由圖1（b）可以讀出輸出、輸入值。波特圖測試儀XBP1用來測量電路的頻率響應，圖1（c）和圖1（d）即為濾波電路的幅頻特性和相頻特性。由圖1（c）可以讀出它的通帶增益并得到截止頻率（通帶增益下降3dB所對應的頻率）。

圖1 二階有源低通濾波器電路與仿真

圖2是一個趣味性實驗——多路彩燈控制器。該實驗可以自動控制多路彩燈，使彩燈按不同的節(jié)拍循環(huán)變換各種燈光花型，可用于舞臺燈光控制及節(jié)假日燈光裝飾。電路分為時鐘信號產(chǎn)生、節(jié)拍控制、花型控制和花型演示等4個模塊，學生可以發(fā)揮想象力，按自己的設想控制彩燈點亮和熄滅。這種趣味性實驗在教學過程中教學效果明顯，引起了學生濃厚的學習興趣和強烈的求知欲望。

學生利用Multisim進行電子電路虛擬仿真實驗，連線容易、現(xiàn)象直觀，避免了實驗中芯片管腳多、接線一團糟、查找問題難的情況，既可擴大思維空間，又可擴展實驗內(nèi)容，對提高學習的主動性、積極性有重要作用。

3.2 Proteus在單片機原理課程中的應用

Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，是目前最好的模擬單片機及其外圍器件的工具，可以仿真5l系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外圍電路（如 RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD／DA、部分SPI器件、部分I2C器件等）［6－7］。

圖2 多路彩燈控制器電路圖

單片機課程不同于其他課程，主要在于這是一門硬件電路與軟件編程統(tǒng)一協(xié)調(diào)的課程，即硬件為電路基礎，軟件控制硬件。要理解以硬件為主的接口方法，必須先搭建硬件電路，再進行軟件編程，最后通過仿真的方法，方能更好地領(lǐng)會其含義［8］。

圖3是利用Proteus進行的綜合設計實驗——溫度控制直流電機轉(zhuǎn)速。設計使用AT89C51單片機為控制核心，溫度傳感器DS18B20采集溫度信號，LCD1602液晶顯示當前溫度，L298驅(qū)動直流電動機，在Keil軟件中編輯、編譯、調(diào)試程序。在圖3中，液晶屏顯示出當前的溫度，電動機在順時針加速旋轉(zhuǎn)。

這樣的綜合性實驗，涉及到的知識是很多的，包括單片機知識、傳感器知識、直流電動機的知識和編程知識。在傳統(tǒng)實驗中，很難保證為每一位學生配備實驗器材和儀表，對學生知識的應用和實際操作都有一定障礙。利用Proteus可以解決這個問題，提供時間和空間的保障。學生可以獨自完成實驗，逐一解決實驗過程中遇到的問題，對知識的掌握、技能的提高具有實際意義。虛擬仿真實驗的效果與真實實驗的效果基本一樣，在運行中也可以通過器件管腳的電平高低判別是否有錯，是實時的動態(tài)仿真。

3.3 LabVIEW在信號與系統(tǒng)課程中的應用

LabVIEW是由NI公司推出的功能強大的圖形化編程語言G（graphics language）的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境。使用這種語言編程，基本不用編寫程序代碼，主要是使用程序流程圖。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣［9］。

圖3 溫度控制直流電機轉(zhuǎn)速電路圖

信號與系統(tǒng)是電類專業(yè)的專業(yè)基礎課。該課程內(nèi)容抽象、數(shù)學公式比較多，特別是課程中大量的信號分析結(jié)果缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，學生很難將數(shù)學中的函數(shù)和實際波形聯(lián)系起來，也很難真正理解所得結(jié)果在信號處理中的實際應用，在一定程度上影響了該門課程的教學效果［10］。這門課一直是學生難學、教師難教的課程。圖4是用LabVIEW設計的信號與系統(tǒng)課程中時域卷積的虛擬演示實驗，通過前面板，可以動態(tài)演示相關(guān)信號的卷積情況。上面2個顯示區(qū)是進行卷積的信號，可以在右下角的函數(shù)選板子選項板上更改輸入信號的類型。我們選擇的是2個階躍信號，隨著左下角的滑動桿的移動完成2個信號的時域卷積。左下顯示區(qū)顯示信號平移的過程；右下顯示區(qū)是階躍信號與階躍信號的卷積結(jié)果。該虛擬實驗可以動態(tài)地看到卷積的全過程，把理論知識與實際應用很好地聯(lián)系起來。

圖4 卷積的前面板

4 虛擬實驗平臺的構(gòu)建

鑒于虛擬仿真技術(shù)在電類課程中有很好的教學效果，筆者結(jié)合計算機網(wǎng)絡技術(shù)構(gòu)建起虛擬實驗平臺，嘗試一種新型網(wǎng)絡交互實驗教學模式。

該實驗平臺（見圖5）集電子類實驗于一體，適用于電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機應用、信號與系統(tǒng)、信號處理、綜合實訓等相關(guān)課程，建立分層次、模塊化、開放式的實驗體系。每門課程都利用虛擬仿真技術(shù)，設計了基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗和研究創(chuàng)新性實驗。實驗平臺將實驗課程擴展到實驗室之外，突出了實驗教學以學生為中心的開放模式。

指導教師能夠通過網(wǎng)絡對實驗教學過程進行管理，能夠設置實驗項目、管理實驗批次、對學生提交的實驗報告進行批閱；學生通過互聯(lián)網(wǎng)遠程登錄系統(tǒng)，能夠自學儀器儀表和虛擬仿真軟件的使用，能夠預約實驗、自主完成實驗并上傳實驗數(shù)據(jù)，能夠在交流討論區(qū)與教師互動，答疑解惑。管理員主要完成管理教師注冊、對平臺進行日常維護等工作［11］。

圖5 虛擬實驗平臺界面圖

5 結(jié)束語

將虛擬仿真技術(shù)引入電類教學中，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，不但豐富了實驗教學內(nèi)容，而且使學生變被動學習為主動學習，提高了學生分析問題的能力、設計電路的能力和電子產(chǎn)品的設計效率?？梢灶A見，把虛擬仿真技術(shù)應用于電類課程教學，是教學發(fā)展的必然趨勢，也為實驗室的開放提供一種行之有效的解決方案。虛擬仿真技術(shù)會不斷發(fā)展，也會不斷推進實驗室的發(fā)展和實驗教學改革。

（References）

［1］楊勇，郭玲，張鋼.運用虛擬儀器技術(shù)改革電子實驗教學［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（16）：60－61.

［2］蘇旭霞，劉素楠，管立新.開展虛擬仿真實驗 促進實驗教學改革［J］.科技廣場，2008（3）：252－254.

［3］岳明道，郭煥銀，唐永剛.仿真軟件在電類課程教學中的應用［J］.宿州學院學報，2007，22（6）：156－158.

［4］黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［5］郭鎖利，劉延飛，李琪，等.基于 Multisim的電子系統(tǒng)設計、仿真與綜合應用［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［6］孫凌燕，黃允千.Proteus與Keil軟件的整合在單片機實驗開發(fā)中的應用［J］.實驗室研究與探索，2008，27（4）：59－61.

［7］萬志平.仿真軟件在電類課程教學中的應用［J］.實驗技術(shù)與管理，2009，26（4）：76－79.

［8］蘇變玲，朱志平，袁衛(wèi).基于Proteus的單片機仿真教學的研究［J］.實驗室研究與探索，2009，28（4）：75－78.

［9］全曉莉，周南權(quán)，李雙，等.基于LabVIEW的數(shù)字信號處理虛擬實驗的構(gòu)建［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28（10）：82－84.

［10］俎云霄，曾昶暢.基于LabVIEW的“信號與系統(tǒng)”仿真實驗系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19（11）：141－144.

［11］程思寧.網(wǎng)絡交互型電子電路虛擬實驗平臺的構(gòu)建［J］.硅谷，2012（8）：119－120.