基于虛擬儀器技術(shù)的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》教學(xué)改革探索

郭晶晶 劉伯運(yùn) 梁英杰 史蓓蕾

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)原理與接口技術(shù)及其應(yīng)用也飛速發(fā)展。針對(duì)傳統(tǒng)的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》難學(xué)、難懂、概念抽象、感性認(rèn)識(shí)差等問題，開展基于虛擬儀器技術(shù)的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》教學(xué)改革探索，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法實(shí)踐等方面探討計(jì)算機(jī)接口技術(shù)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化實(shí)施的問題。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，既做到了計(jì)算機(jī)接口技術(shù)理論聯(lián)系實(shí)際，又促進(jìn)了教學(xué)水平的提高，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)接口技術(shù)；一體化教學(xué)；虛擬儀器

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）15-0134-03

《微機(jī)原理與接口技術(shù)》是計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課程，根據(jù)教學(xué)訓(xùn)練大綱要求，在該專業(yè)學(xué)習(xí)過程中既要注重培養(yǎng)學(xué)員對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和運(yùn)用，又要注重實(shí)際運(yùn)用和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，以達(dá)到全面提高參訓(xùn)學(xué)員綜合素質(zhì)和能力的目的。傳統(tǒng)《微機(jī)原理與接口技術(shù)》教學(xué)中的突出問題主要反映在兩個(gè)方面。一是教學(xué)內(nèi)容陳舊，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏設(shè)計(jì)性、綜合性要求，與工程實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重。二是教學(xué)方式單調(diào)枯燥，實(shí)驗(yàn)手段和設(shè)備落伍，理論教學(xué)還是以PPT為媒體，以教師主講為主，以學(xué)生聽課為輔，這種單純的理論講授，學(xué)生感覺知識(shí)灌輸?shù)目菰锓ξ叮n堂的參與度不高；而最能吸引學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程往往由實(shí)驗(yàn)教師自行組織，多數(shù)情況也是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，有時(shí)候會(huì)與理論教學(xué)脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)過程依葫蘆畫瓢，學(xué)生的完整知識(shí)結(jié)構(gòu)體系無法統(tǒng)一構(gòu)建，為此，計(jì)算機(jī)接口技術(shù)教學(xué)尤其是實(shí)踐性環(huán)節(jié)教學(xué)迫切需要改革創(chuàng)新。

此外對(duì)于軍事院?！段C(jī)原理與接口技術(shù)》教學(xué)對(duì)象及要求，需要仔細(xì)研究該專業(yè)課程內(nèi)容，并且要廣泛了解本課程在艦船實(shí)際裝備中的應(yīng)用范圍，使學(xué)員能夠通過學(xué)習(xí)為將來快速融入艦艇裝備保障管理中做好知識(shí)儲(chǔ)備，提高學(xué)員的興趣和培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新精神。但目前該門課實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，仍采用實(shí)驗(yàn)芯片功能驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)員自主創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)幾乎沒有；在課程設(shè)計(jì)方面，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上有完全正確的程序、硬件的連線，學(xué)員只要按照步驟連接好各種線路，再錄入程序、然后調(diào)試、運(yùn)行，觀察結(jié)果，最后寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)過程中，學(xué)生只是一個(gè)驗(yàn)證工具，完全缺乏自主性，需要學(xué)生思考的地方也很少。

目前，該課程教學(xué)內(nèi)容側(cè)重微機(jī)原理與接口技術(shù)的基礎(chǔ)理論，不可能開設(shè)大量的實(shí)踐課程，因此在有限的課時(shí)下，如何設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是提高教學(xué)質(zhì)量迫切需要解決的問題。作者通過多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面進(jìn)行思考和探索，以期充分發(fā)揮學(xué)生的積極性，促進(jìn)教與學(xué)和諧發(fā)展，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。作者根據(jù)自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，努力探索，采取先進(jìn)的教學(xué)手段和方法，取得了良好的教學(xué)效果。下面談?wù)勗撜n程教學(xué)中應(yīng)用虛擬儀器所進(jìn)行的探索與經(jīng)驗(yàn)。

一、虛擬儀器技術(shù)及其在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬儀器既可以是完全基于PC機(jī)的單機(jī)系統(tǒng)，也可以是基于STD、GPIB、VXI、USB等標(biāo)準(zhǔn)接口總線的測(cè)試系統(tǒng)，也可以是它們的混合系統(tǒng)。在完成硬件的設(shè)計(jì)后，可以通過編寫不同的軟件構(gòu)成功能強(qiáng)大的虛擬儀器，軟件的基本結(jié)構(gòu)可以分為三層，如圖1所示。

通過虛擬儀器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件能力建設(shè)，學(xué)生不再受具體教學(xué)內(nèi)容限制，完全可以自己選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、獨(dú)立設(shè)計(jì)、合作設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可以完全發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)出學(xué)生敏銳的觀察力和提高分析問題、解決問題的能力。

二、《微機(jī)原理與接口技術(shù)》理論與實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)設(shè)計(jì)

軍事院?！段C(jī)原理與接口技術(shù)》教學(xué)以實(shí)際裝備為背景，為此，相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包含三種總線連接方式，即：PCI總線、USB總線和VXI總線。在虛擬儀器設(shè)計(jì)中，這三種接口都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以這三種數(shù)據(jù)采集設(shè)備為核心，實(shí)現(xiàn)多路A/D轉(zhuǎn)換單元、多路D/A轉(zhuǎn)換單元，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置運(yùn)放組合運(yùn)算單元、開關(guān)量/頻率輸出單元、LED/LCD顯示單元、開關(guān)量/頻率輸入單元、多信號(hào)發(fā)生器等電路組成的接口信號(hào)電路。根據(jù)艦艇計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)計(jì)了溫度、壓力、流量等類型信號(hào)傳感器以及電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)執(zhí)行器組成的實(shí)際控制模型。計(jì)算機(jī)接口模型設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)控制邏輯關(guān)系，將計(jì)算機(jī)接口中常見的專業(yè)知識(shí)配合傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過計(jì)算機(jī)采樣、控制加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)程序采用面向?qū)ο笳Z言編寫，利用LABVIEW虛擬儀器控件實(shí)現(xiàn)集成化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成的邏輯框圖如圖2所示，虛擬硬件訪問流程如圖3所示。

虛擬硬件電路設(shè)計(jì)可以方便地將PC機(jī)、單片機(jī)仿真器與各類單元電路接口，通過編制相應(yīng)的接口驅(qū)動(dòng)程序，控制實(shí)際的工藝模型，使理論與實(shí)踐相結(jié)合；通過PC總線將PC機(jī)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備接口，利用運(yùn)放組合運(yùn)算單元構(gòu)造模擬控制對(duì)象或由各類傳感器、執(zhí)行器構(gòu)造的實(shí)踐控制對(duì)象，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換單元采樣將對(duì)象特性數(shù)據(jù)送PC機(jī)，用集成環(huán)境提供的多種控制算法，進(jìn)行算法控制、屏幕顯示、繪制曲線，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元輸出控制對(duì)象，構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，整個(gè)控制過程的參數(shù)調(diào)整、控制效果以靈活、直觀、形象的形式展現(xiàn)給學(xué)生；利用A/D轉(zhuǎn)換單元及相關(guān)接口電路，使PC機(jī)工作在低頻多通道存儲(chǔ)示波器狀態(tài)，由運(yùn)放組合運(yùn)算單元模擬實(shí)現(xiàn)各類控制對(duì)象，通過PC機(jī)存儲(chǔ)示波器功能記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，顯示波形，供學(xué)生分析、計(jì)算、調(diào)整參數(shù)。同時(shí)利用多信號(hào)發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換單元構(gòu)造采樣系統(tǒng)，完成采樣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)對(duì)接口電路的虛擬主要是基于Windows虛擬機(jī)。Windows為了系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的策略，不允許應(yīng)用程序直接訪問硬件設(shè)備和內(nèi)存，必須通過編寫的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（VxD）來進(jìn)行。因此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的途徑就是編寫相應(yīng)的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（VxD），并用虛擬硬件電路來代替實(shí)環(huán)境中的硬件接口電路。

“虛擬硬件電路”仿真模型的建立，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)接口芯片、外圍電路功能的仿真，包括外部引腳信號(hào)、內(nèi)部控制字及功能邏輯、端口讀寫操作和觸發(fā)過程的時(shí)序關(guān)系等的邏輯模型和算法，仿真模型主要通過圖表形式來描述，并最終在軟件設(shè)計(jì)中給予實(shí)現(xiàn)，使其對(duì)實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)程序而言是真實(shí)的，保證了虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有較高的逼真度和開放性，仿真模型描述的是一個(gè)過程。

利用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備及集成化多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件可以較好地完成理論與實(shí)踐的結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和想象力，合理利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源。

三、教學(xué)案例分析

院校培訓(xùn)階段一方面需要加強(qiáng)學(xué)員對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)性理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)；另一方面，也是為了學(xué)員到任職崗位后能更好地掌握裝備的專業(yè)職責(zé)分工、操作和工作流程。因此，對(duì)于該課程的學(xué)習(xí)，需要加強(qiáng)《微機(jī)原理與接口技術(shù)》演示性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。驗(yàn)證及演示性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)可以與基礎(chǔ)性理論知識(shí)進(jìn)行良好的結(jié)合。例如，對(duì)于信號(hào)傳輸過程基本原理的講授，在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，可以通過虛擬教學(xué)平臺(tái)，利用傳感器——信號(hào)采集器——計(jì)算機(jī)顯示界面，可非常直觀地顯示計(jì)算機(jī)接口工作過程。若要演示這一工作過程，把壓力應(yīng)變片貼于氣球上，讓每個(gè)學(xué)員對(duì)著傳感器吹氣，同時(shí)把軟件界面投影到多媒體屏幕上，在界面上學(xué)員可以觀察到這樣一些現(xiàn)象：（1）傳感器可以感受到人往壓力接口吹氣時(shí)力的大?。唬?）吹氣時(shí)所用的力越大，屏幕上顯示的壓力數(shù)值越大，模擬壓力表讀數(shù)也越大；（3）吹氣是壓力信號(hào)，輸出是電信號(hào)，而且可以被信號(hào)采集裝置所用。

根據(jù)這樣一個(gè)裝置，學(xué)員可以進(jìn)行獨(dú)立思考、歸納數(shù)據(jù)接口和信號(hào)傳輸相關(guān)知識(shí)，也可以關(guān)聯(lián)其他類型計(jì)算機(jī)接口。

在《微機(jī)原理與接口技術(shù)》教學(xué)過程中，針對(duì)計(jì)算機(jī)集成控制、PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線等內(nèi)容還可以快速地設(shè)計(jì)一些現(xiàn)場(chǎng)演示教學(xué)環(huán)節(jié)。利用虛擬儀器技術(shù)，將學(xué)員帶入一個(gè)形象、具體的環(huán)境，使得枯燥的概念與理論，加入了感性元素，貼近裝備實(shí)際，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)在直觀性、形象性方面的不足，可以激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)員獨(dú)立思考，對(duì)于知識(shí)做到活學(xué)活用，使教學(xué)內(nèi)容不再是死記硬背一些基礎(chǔ)知識(shí)、定義、概念，而真正成為實(shí)際裝備的基礎(chǔ)知識(shí)。

四、結(jié)論

在《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)中，虛擬儀器的使用使得該門課程教學(xué)易學(xué)、易懂、概念具體。以上對(duì)于該課程教學(xué)方法的探討，在教學(xué)中取得了良好的效果，增加學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，減少畏難情緒，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)員的創(chuàng)新能力，使他們成為滿足任職崗位需要，具有創(chuàng)新能力的人才。

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