數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

周　鵬　李　芳

【摘要】在網(wǎng)絡(luò)教育和遠(yuǎn)程教育中，如何高效地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育管理者普遍關(guān)心的問題。通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是解決這一難題的有效途徑。在全日制高等教育中，虛擬實(shí)驗(yàn)也將成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種重要補(bǔ)充。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的需要，開發(fā)了一套數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前已應(yīng)用在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了令人滿意的效果。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和具體的實(shí)現(xiàn)方法，并對實(shí)際應(yīng)用情況作了簡單說明。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；數(shù)字電子技術(shù)

【中圖分類號】G40–057 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097（2007）01—0121—03

一 引言

在網(wǎng)絡(luò)教育和遠(yuǎn)程教育中，受時(shí)間、空間、成本等多方面因素的限制，如何高效地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是困擾教育管理者的一大難題。虛擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了一種有效途徑[1]。在全日制高等教育中，虛擬實(shí)驗(yàn)也可作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要補(bǔ)充，既能節(jié)約大量經(jīng)費(fèi)，又使實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上得到了有效的延伸。隨著近年來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化具備了良好的發(fā)展條件[2]。

數(shù)字電子技術(shù)是電子與信息類專業(yè)一門實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，為使學(xué)生更好地理解和掌握課程的基本理論和方法，必須通過實(shí)驗(yàn)手段加深理解。對于網(wǎng)絡(luò)教育和遠(yuǎn)程教育的學(xué)習(xí)者，由于各種實(shí)際因素的制約，難以到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室完成這些實(shí)驗(yàn)。全日制教育的學(xué)生也受到實(shí)驗(yàn)場地、時(shí)間、元器件更新慢等多種因素的制約。為此，有必要通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來解決這些問題。很多高校都自主開發(fā)了數(shù)字電子技術(shù)課程的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3-7]。但多數(shù)系統(tǒng)的開發(fā)過程基本上只是將紙質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教材按每次實(shí)驗(yàn)為一個(gè)單元實(shí)現(xiàn)“虛擬化”。這種開發(fā)模式存在著功能較弱、開發(fā)工作量大、重復(fù)開發(fā)、不支持設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等缺點(diǎn)。考慮到數(shù)字系統(tǒng)都可以用邏輯真值表進(jìn)行統(tǒng)一描述，完全可以開發(fā)出一個(gè)通用型的實(shí)驗(yàn)平臺?；谶@種指導(dǎo)思想，我們開發(fā)了一套通用化的數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

二 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1總體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用“組件化”、“標(biāo)準(zhǔn)化”的開發(fā)思路。具體來講，就是用面向?qū)ο蟮乃枷雽?shí)驗(yàn)中可能使用到的各種器件，如：電源、信號源、時(shí)鐘、導(dǎo)線、開關(guān)、分立元件、常用邏輯芯片、發(fā)光二極管、數(shù)碼管、萬用表、示波器等制作成標(biāo)準(zhǔn)器件，形成“標(biāo)準(zhǔn)器件庫”[8]。另外對于所有實(shí)驗(yàn)中的公共功能，如：布線/拆線功能、連線正確性檢查、電路邏輯功能的模擬、輸出結(jié)果的計(jì)算等專門抽取出來，設(shè)計(jì)成“公共功能組件”。依據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)器件庫”和“公共功能組件”可開發(fā)出功能強(qiáng)大的、易于擴(kuò)充的、通用化的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。

2 實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)平臺的搭建過程分為四個(gè)階段，分別是“標(biāo)準(zhǔn)器件的設(shè)計(jì)”、“公共功能組件的設(shè)計(jì)”、 “事件管理器的設(shè)計(jì)”和“標(biāo)準(zhǔn)器件庫的擴(kuò)充”。目前我們已完成前三個(gè)階段的開發(fā)工作，有了這幾個(gè)階段的工作，系統(tǒng)就可以開始試運(yùn)行了。第四階段主要是對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和完善。下面對前三個(gè)階段的工作做詳細(xì)介紹。

第一階段“標(biāo)準(zhǔn)器件的設(shè)計(jì)”的任務(wù)就是將實(shí)驗(yàn)中可能用到的各種基本元件、邏輯芯片、儀器儀表等進(jìn)行虛擬化。我們利用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，分別設(shè)計(jì)了各種元器件對應(yīng)的對象類。這些對象類實(shí)現(xiàn)了對各種實(shí)驗(yàn)器材的高度抽象。以對邏輯芯片的模擬為例，雖然各種芯片千差萬別，但只需設(shè)計(jì)一個(gè)“芯片”類就能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的描述。具體來講，只需設(shè)計(jì)“芯片”類包含名稱、外觀、管腳數(shù)、管腳編號、管腳類型、真值表等屬性即可實(shí)現(xiàn)對所有芯片的統(tǒng)一描述。

第二階段“公共功能組件的設(shè)計(jì)”的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)中都需具備的公共功能，主要包括：“布線/拆線”、“連線正確性檢查”、“管腳電平的實(shí)時(shí)計(jì)算”等?！安季€/拆線”功能是使學(xué)生能像在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中一樣對放置在操作平臺上的器件進(jìn)行接線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)接線錯(cuò)誤時(shí)也可以將錯(cuò)誤接線去除。為實(shí)現(xiàn)這一功能，平臺中所有器件和儀表的每個(gè)接線端都設(shè)計(jì)有接線孔。當(dāng)學(xué)生觸發(fā)布線或拆線按鈕后，接下來只要選定兩個(gè)接線孔，系統(tǒng)就能自動在這兩個(gè)接線孔間實(shí)現(xiàn)布線或拆線。每布完一條線，系統(tǒng)會自動記錄，并寫入“布線信息表”；每拆除一條連線，“布線信息表”中的相應(yīng)信息也會自動刪除。系統(tǒng)中專門設(shè)計(jì)一個(gè)“布線信息表”的目的是進(jìn)行連線檢查?！斑B線正確性檢查”功能就是對“布線信息表”中的每一組信息進(jìn)行檢查，看其是否滿足檢查規(guī)則。我們是通過“邏輯正確信息表”和“邏輯錯(cuò)誤信息表”來實(shí)現(xiàn)檢查的。所謂“邏輯正確信息表”，是指要求表中的每一條規(guī)則都必須得到滿足，否則判定接線錯(cuò)誤。如：芯片的電源管腳必須連在電源上，地管腳必須接在地上等。所謂“邏輯錯(cuò)誤信息表”，是指只要表中的某一種情況在實(shí)際接線中發(fā)生了，就判斷接線錯(cuò)誤。如：某芯片的輸出管腳與電源連接在一起、某芯片的輸出管腳與地連接在一起、某芯片的輸出管腳與控制端連接在一起等異常情況。通過這兩個(gè)信息表的共同制約，系統(tǒng)可以很好地完成連線檢查的功能。需要說明的是，這里進(jìn)行的連線正確性檢查并不是對某一個(gè)特定電路進(jìn)行檢查，而是可以對平臺上搭建的任意一個(gè)電路都能進(jìn)行判斷。通過連線檢查后，就可接通電源進(jìn)行電路測試了。系統(tǒng)這時(shí)必須能實(shí)時(shí)計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和各條支路的電流。其中，芯片各管腳電平的計(jì)算最為關(guān)鍵。系統(tǒng)計(jì)算的過程與手工計(jì)算過程類似，即：首先計(jì)算出各芯片輸入和控制管腳的電平值，然后再根據(jù)真值表，計(jì)算輸出管腳的電平值。對于輸入和控制管腳有邏輯1、邏輯0和懸空三種狀態(tài)，其具體取值受控制源的影響。控制源通常包括電源、地、高低電平控制開關(guān)或者是其它芯片某個(gè)管腳的輸出。需注意的是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)多個(gè)芯片時(shí)，會出現(xiàn)芯片級聯(lián)的情況。后一級芯片管腳電平在計(jì)算時(shí)，依賴于前一級芯片。因此，系統(tǒng)必須能根據(jù)實(shí)際的接線情況“分析”出芯片間的級聯(lián)情況。這些信息可通過對“布線信息表”進(jìn)行處理后得到。

第三階段“事件管理監(jiān)聽器設(shè)計(jì)”主要是完成監(jiān)視事件發(fā)生、維護(hù)事件隊(duì)列和向組件轉(zhuǎn)發(fā)消息等任務(wù)。直觀地講，就是響應(yīng)學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)過程中的撥動開關(guān)、轉(zhuǎn)動旋鈕等操作以及計(jì)數(shù)器溢出等系統(tǒng)自動觸發(fā)的事件。

三 操作界面

圖1示出了我們所開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的主功能界面。如圖所示，操作界面劃分為三個(gè)功能區(qū)，分別是操作區(qū)、元器件取用區(qū)和接線控制區(qū)。

操作區(qū)是操作者的實(shí)驗(yàn)使用區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域中，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路的搭建、故障檢測以及電路功能的測試。

元器件取用區(qū)為使用者提供了實(shí)驗(yàn)中常用的儀器設(shè)備、元器件和邏輯芯片。使用者可以根據(jù)需要進(jìn)行自由選擇。另外，為方便使用者的操作，還提供了元器件的搜索功能。

接線控制區(qū)用于完成搭建電路過程中的連線、拆線功能。另外還提供了多種顏色和不同粗細(xì)度的連線方便操作者使用。

四 系統(tǒng)的應(yīng)用情況

目前這套系統(tǒng)已應(yīng)用于我校遠(yuǎn)程教育學(xué)院《數(shù)字電子技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。利用該系統(tǒng)，學(xué)生不僅可以完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中要求完成的基本實(shí)驗(yàn)，還可以根據(jù)自己的興趣自行設(shè)計(jì)、搭建、調(diào)試一些電路。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安排完全可以根據(jù)學(xué)生自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展不再受時(shí)間和空間的限制，為學(xué)生提供了極大的方便。

為了配合虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用，我們還專門開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站。圖2示出了該網(wǎng)站的首頁。在網(wǎng)站中，提供了實(shí)驗(yàn)操作說明、儀器使用演示和一些典型演示性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在熟悉相關(guān)說明及操作后，就可利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

五 結(jié)束語

本文闡述了數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，并簡單介紹了其實(shí)際應(yīng)用情況。該系統(tǒng)不僅能讓學(xué)生完成教學(xué)大綱中所要求的基本實(shí)驗(yàn)，還能滿足學(xué)生開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的要求。該系統(tǒng)的開發(fā)促使遠(yuǎn)程教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動得以有效開展，為將來網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

需要說明的是，目前系統(tǒng)中所有的元器件還都只是理想化的元器件。下一步的工作重點(diǎn)是引入常用元器件參數(shù)特性的誤差模型，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近真實(shí)情況。

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