電子類仿真軟件應(yīng)用的教學之道

張婧婧　李勇偉

摘要：作為電子設(shè)計類課程的重要教具，仿真軟件的應(yīng)用對課堂教學設(shè)計產(chǎn)生著深遠的影響，以“軟”件“硬”學、“硬”件“軟”教、“軟硬”相兼的教學原型為例，闡述電子設(shè)計類課程授課中運用虛擬仿真軟件有助于優(yōu)化教學設(shè)計，實現(xiàn)課程教學互動的完整與統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：仿真軟件；教學設(shè)計；NIMultisim；Proteus；Quart-us II

0.引言

仿真軟件是電子設(shè)計類課程的必備工具，也將有望變革為基礎(chǔ)程序設(shè)計（如C語言）課程的入門教具。如何利用仿真軟件模擬真實電路，解決系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計問題，早已被各高校的電子工程類專業(yè)所關(guān)注；如何結(jié)合情景項目的仿真設(shè)計，構(gòu)建電子工程類課程的交互式教學模塊，也開始在不同課程教學中嘗試和醞釀?？陀^地評價仿真軟件對教學的助力，積極挖掘仿真實驗的教學潛力，正是我們關(guān)注的兩個方面。我們以“軟”件“硬”學、“硬”件“軟”教、“軟硬”相兼為教學原型，展開軟件仿真與硬件教學、硬件仿真與軟件教學之間互動關(guān)系的探討，力爭闡明仿真環(huán)境中如何實現(xiàn)“教”與“學”的完整統(tǒng)一。

1.“軟”件“硬”學

仿真軟件之所以在電子類專業(yè)教學中“備受青睞”，歸功于其軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)測試的能力。目前基于程序控制的電子系統(tǒng)設(shè)計仍主要依賴于c語言，甚至匯編語言的編程基礎(chǔ)，那么有計劃地將c語言課程與硬件仿真平臺進行有效結(jié)合，挖掘基于硬件的情景式教學項目，.即可“反其道而行之”地將語言類入門課程的教學設(shè)計架構(gòu)于硬件仿真平臺之上，為學生還原語言課程的真實應(yīng)用情景，有助于瞄準其學以致用的教學定位。我們以Proteus仿真軟件為例，來設(shè)計c語言課程情景教學模塊。

如圖1所示，簡易的交通燈系統(tǒng)最適于c語言多分支教學模塊的設(shè)計，如：

類似地，數(shù)碼管的譯碼程序可以加速學生對數(shù)組的理解，反復調(diào)用延時程序可以幫助其領(lǐng)悟子程序的主要功能等?？傊?，在Proteus仿真系統(tǒng)中遴選各類情景項目完成c語言課程的交互式設(shè)計，易于推動學生更好地理解結(jié)構(gòu)化語言的內(nèi)涵，并掌握其編程技巧；同時，應(yīng)用Proteus進行系統(tǒng)的在線調(diào)試，將更加直觀地判定程序編寫的邏輯問題，降低編程的抽象程度。

與此同時，應(yīng)用硬件仿真平臺學習語言程序設(shè)計也有值得關(guān)注的幾個問題。

（1）架構(gòu)于硬件仿真基礎(chǔ)之上的程序設(shè)計無疑加劇了硬件零基礎(chǔ)，或非工程設(shè)計專業(yè)學生學習語言類課程的難度。若將硬件仿真原理圖和簡易程序模板的源文件事先發(fā)布給學生，即可有效地將學習過程中硬件的設(shè)計要求降低至“零”。

（2）作為通識性程序設(shè)計課程，c語言教學應(yīng)甄選難度較低、情景直觀的項目作為硬件設(shè)計模型，旨在滿足不同專業(yè)的程序設(shè)計要求，即情景教學設(shè)計應(yīng)以非專業(yè)角度進行取舍和斟酌為宜。

（3）仿真平臺的使用必須上手快，易于掌握，否則會將程序設(shè)計的教學過程引入“舍本逐末”之境。

綜上所述，只有將仿真平臺的硬件設(shè)計難度“歸零”，才能符合各學科不同專業(yè)的入門級語言課程的設(shè)計要求，為學生在系統(tǒng)仿真中體會程序設(shè)計的內(nèi)涵和魅力提供“無差別”的虛擬平臺。

2.“硬”件“軟”教

在各類電子線路課程教學中，課堂的情景教學一貫缺乏有效手段，尤其是概念抽象、硬件復雜的電子線路課程，學生的抵觸情緒溢于言表。眾多電子仿真軟件應(yīng)用中，NI Multisim軟件以其精準測量電子線路而“得名”，在內(nèi)容抽象、概念枯燥的電路課程中引入此類軟件，無疑能夠平復學生知難而退的學習情緒。作為課堂自主性的教具，在NI Multisim平臺中搭建仿真電路、修改元件參數(shù)、添加儀器儀表、實施在線仿真會將課程演繹得有聲有色，電路模擬得生動直觀。

如圖2所示，在NI Mulfisim軟件的編輯窗口中，放置高頻信號源、示波器及各類分立元件即可快速搭建高頻小信號檢波系統(tǒng)的仿真電路。針對該電路復雜程度，仿真軟件中還支持設(shè)計電路子圖（如圖中乘法器MCl496）用以制作芯片或秘制電路的“黑盒子”，使得課程教學中易于呈現(xiàn)真實的硬件系統(tǒng)，便于劃分電路的功能模塊。對高頻電路的模擬及課堂的現(xiàn)場仿真，將培養(yǎng)學生對典型電路的學習興趣。采用示波器、探針、萬用表、頻率計等儀器儀表進行高頻電路的實時監(jiān)測，也將大幅提高電路設(shè)計的成功率，鼓舞學習“士氣”。綜上所述，硬件電路的仿真實踐能夠為復雜電子線路的課程教學另辟蹊徑。

毫無疑問，在“硬”件“軟”教的仿真教學模式中同樣存在一些不可忽視的問題。

（1）在仿真環(huán)境中頻繁進行電路測試，容易導致對測試儀表的過度依賴，進而背離或忽視電子線路本身的設(shè)計原理和公式推導（如甲乙類、丙類功率放大電路的仿真）。那么在仿真教學中定量推演測試結(jié)果，準確解析電路設(shè)計原理及參數(shù)范圍，即成為課程教學的重中之重。

（2）仿真軟件中的資源更新較慢，而電子設(shè)計類芯片卻層出不窮，這將引起學生對仿真平臺的“信任危機”。擺脫此類“危機”需要查閱大量資料，尋找替代芯片或更新元件庫，這就對仿真設(shè)計本身提出了更高的技術(shù)要求。

此外，仿真軟件不可能解決電路構(gòu)建、系統(tǒng)調(diào)試、故障排除過程中的所有問題。在電路課程的仿真教學進程中，應(yīng)以原理分析和模塊設(shè)計為基礎(chǔ)，以硬件測試和系統(tǒng)仿真為進階，才能達到此類課程教學設(shè)計的理想境界。

3.“軟硬”相兼

在眾多電子設(shè)計課程中，EDA程序設(shè)計是一門由邏輯控制推演代碼編寫，從程序編譯轉(zhuǎn)入硬件連接的具有代表性的軟硬件結(jié)合課程。作為電子類專業(yè)課程，在EDA的仿真平臺（Quartus II軟件）中，課程的案例解析始于可編程芯片的選取，經(jīng)過VHDL/Verilog HDL的程序編寫、頂層文件的邏輯推理、系統(tǒng)功能的模擬仿真，學習者能夠深刻體會到如何通過程序設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件的邏輯功能；與之相應(yīng)的，將源程序生成可執(zhí)行文件，進行芯片引腳的鎖定和文件的下載運行后，又能夠通過硬件的邏輯表現(xiàn)驗證程序設(shè)計的可靠性。由此，利用Quartus II軟件的仿真平臺，學習者可以輕松將Vl-IDL/Verilog HDL的程序開發(fā)與FGPA/CPLD的硬件設(shè)計緊密交織在一起，因而此類軟件已經(jīng)成為仿真教學和硬件開發(fā)完美結(jié)合的典范。

如圖3所示，在解析簡易8位計數(shù)器的案例教學中，首先編譯VHDL的源程序生成圖中的頂層文件，將頂層文件生成可執(zhí)行文件直接下載到FPGA開發(fā)板或試驗儀中即可給學生一個程序設(shè)計的直觀感受。若開發(fā)板中展現(xiàn)出系統(tǒng)功能的任何偏差，又可以引領(lǐng)學生回到源程序文件中修改或測試，這樣的互動教學無疑將軟硬相兼的教學模式演繹得淋漓盡致。

4.結(jié)語

借助仿真平臺開展電子類課程教學設(shè)計的成功案例還有很多，根據(jù)不同軟件的特點因材施教是教學設(shè)計者的必備技能。以數(shù)字信號處理、信號與系統(tǒng)為代表的算法類課程授課，宜采用Matlab軟件進行仿真；以計算機接口技術(shù)、單片機應(yīng)用技術(shù)為主的程控類課程授課，應(yīng)選取Proteus軟件進行開發(fā)設(shè)計；而以模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路為設(shè)計目標的課程授課，應(yīng)配備NI Multisim軟件仿真測試更為可靠；同時關(guān)于新技術(shù)開發(fā)且納入學科培養(yǎng)方案的課程，將有待于教學設(shè)計者繼續(xù)努力，為推出新課程的仿真方案加油助力。