電工電子教學仿真軟件開發(fā)實踐

周堅

[摘? ? ? ? ? ?要]? 通過對仿真教學的研究，發(fā)現(xiàn)教學與設計對仿真要求的不同，自行開發(fā)教學仿真軟件。通過對教學仿真軟件需求的分析，以所開發(fā)軟件為例，進行模塊劃分、功能分析，介紹開發(fā)過程、開發(fā)工具、開發(fā)方法。

[關? ? 鍵? ?詞]? 仿真;教學;visual studio;電路模塊

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）24-0016-02

利用信息技術創(chuàng)新教學的模式與方法是推動信息技術與教育教學深度融合的重要途徑。仿真是電類專業(yè)重要的工程設計與開發(fā)方法，工程開發(fā)工作中常用Multisim、Tina等專業(yè)仿真軟件也被用于教學，但教學工作不同于開發(fā)工作，這些軟件雖然功能強大但并不完全適用于教學。通過對教學需求進行分析，開發(fā)基于電路模塊的教學仿真軟件。以下通過對實際案例的分析來說明一般仿真軟件與教學仿真軟件的區(qū)別以及教學仿真軟件的開發(fā)方法。

一、教學仿真軟件與仿真軟件、教學課件的區(qū)別

為便于敘述，以下將Multisim、Tina等專業(yè)仿真軟件簡稱為“仿真軟件”。

（一）目的不同

仿真的目的是探索并用其驗證電路。這就要求仿真軟件要仿得“真”，元器件模型的數學描述必須盡可能與真實的元器件保持一致;仿真軟件除提供示波器、萬用表等常用儀表外，還提供功率表、波特圖儀等各種專業(yè)儀表。

教學仿真的目的是學習知識，它所要“仿”的電路都是經過實踐驗證是正確的電路，它的“仿”是指模仿這個電路的真實工作過程;教學仿真對專業(yè)儀表的要求遠低于仿真軟件，但卻需要提供熱源、光源、遮光罩、磁場等非電仿真要素。

（二）使用者不同

仿真軟件的使用者是有經驗的工程師、學習者，他們在實際工作中可以熟練使用萬用表、示波器、信號發(fā)生器等各種儀器，對仿真軟件中幾乎與實物一致的儀表界面、測量方法會感覺非常熟悉、非?！罢妗?。教學仿真軟件的使用對象通常是初學者，使用中更注重燈亮、數字顯示、波形等更為直觀的現(xiàn)象。

（三）開發(fā)難度不同

仿真軟件需要盡可能正確地“模仿”真實的器件，這需要對電子器件有深入的研究、建立強大的數學模型;仿真軟件的各種元器件可以任意組合，需要復雜的繪圖功能、精密的算法，防止各種邏輯錯誤。教學仿真軟件是針對成熟電路的仿真，不論是電路還是電路中的參數都是經過驗證是正確的;對其功能的要求也限于教科書上的公式;電路的搭建基于電路模塊，連線數量及對線路連接分析的復雜程度遠低于基于電子器件仿真軟件。

（四）教學仿真軟件與教學課件的區(qū)別

教學課件是預先錄制的，即便加上一些簡單的交互，也只是取若干個預設的點，沒有數學工具對工作過程的算法描述。教學仿真軟件通過調節(jié)電位器面板、單擊按鈕、拔動開關等操作，軟件中波形、數值、顯示效果等隨之發(fā)生變化，而且與真實電路的工作過程相符。

二、教學仿真軟件的開發(fā)過程

開發(fā)教學仿真軟件首先要選擇適當的電路作為開發(fā)對象，其次要對這些電路進行分析，分解出電路模塊，分析出哪些知識點是需要進行呈現(xiàn)的，最后用代碼和工具將其呈現(xiàn)出來。

（一）選擇經過驗證的電路

教學仿真軟件所選擇的電路必須是經過實踐驗證的，是正確的，要根據實物調試后記錄的數據及相應的理論知識來設計軟件。當然，也可以選擇公認的、經典的電路，如運算放大器電路、555振蕩電路等，這就不需要做成實物并驗證。

（二）符合學習者當前學習階段的要求

教學仿真也是仿真的一種，應建立在電子、電工學模型的基礎上，但它又不同于仿真軟件，它只需要基于中高職教材中的知識。例如，三極管放大電路，專業(yè)仿真軟件需要設置或者使用默認晶體管的數十個參數，而教學仿真軟件只需要用到β值等很少的幾個參數即可，其他如ICEO、ICBO參數不需要考慮。

三、教學仿真軟件的開發(fā)實踐

教學仿真軟件的開發(fā)需要選擇合適的開發(fā)工具，對開發(fā)過程進行科學的分析，然后才能進行開發(fā)工作，以下通過一些實例來描述開發(fā)過程。

（一）開發(fā)工具

教學仿真軟件需要綜合利用圖形、圖像、視頻、動畫、數據處理等元素，其中的核心是數據處理，要有運算能力，按電路的數學模型來獲得不同的結果。開發(fā)（RAD）工具Visual Studio是較好的選擇，編程語言選擇C#，也可以使用Visual Basic、C++等。

（二）開發(fā)實例

教學仿真軟件選擇帶有模塊化設計思想的電路作為開發(fā)對象，這類電路將各部分功能模塊化，模塊功能相對獨立，各模塊連接關系清晰，下面以若干例子來講解開發(fā)過程。

1.光控流水燈教學仿真軟件

光控流水燈電路分成以下一些功能模塊：電源模塊、光敏電阻檢測模塊、可控振蕩電路模塊、CD4017十進制計數器模塊。

（1）電源模塊

使用7805作為穩(wěn)壓集成電路，在輸入端接入合適的電源后，提供5V電源給后級電路使用。此模塊設計了兩個功能：①按數據手冊，7805的輸入電壓在低于8V時不能保證其輸出電壓的穩(wěn)定。為此，外部供電電源高于8V時，模塊輸出5V電源，輸入電壓低于8V時，輸出電壓按0.6乘以輸入值來計算。②7805的輸入電壓最大為35V，超過該值時7805損壞，編程呈現(xiàn)7805損壞的圖像并令輸出電壓為0V。

（2）光敏電阻檢測模塊

這個模塊使用運放制作的比較器來實現(xiàn)，光敏電阻與電位器串聯(lián)，其連接點作為比較器的同相端輸入，運放的反相端固定為2.5V。預設光敏電阻的阻值為20K，此阻值使無光照無遮擋時模塊輸出低電平。使用遮光罩（一個黑色的圓形圖案）移向光敏電阻上方，電阻值增加，同相端電壓上升，超過2.5V，比較器輸出高電平。調出電位器調節(jié)面板，調整阻值，可以調節(jié)光控靈敏度。

本模塊中用到電位器調整界面，運行時通過鼠標或者在觸摸屏上用手指來調整阻值大小，用label控件，顯示同相端和反相端的電壓值;用picbox控件顯示的亮/滅狀態(tài)的發(fā)光二極管圖片表示輸出端的狀態(tài)變化。

（3）可控振蕩電路模塊

用555電路制作的振蕩電路其第4腳為控制端，當其分別為高/低電平時，振蕩電路工作/不工作。可調節(jié)電路中的電位器改變輸出頻率，設計了panel制作的示波器面板，電路工作時，示波面板上顯示波形圖及高、低電平持續(xù)時間等參數。

（4）CD4017流水燈模塊

CD4017在輸入端CLK脈沖的作用下，其輸出端Q0～Q9所接發(fā)光二極管依次點亮。在發(fā)光二極管圖案上方放置一個panel，在panel中放置10個picbox，通過編程來判斷Q0～Q9的狀態(tài)，根據這些狀態(tài)值分別為這些picbox調入亮/滅LED的圖案，即可觀察LED狀態(tài)。這個功能模塊接到前一級可控振蕩電路的輸出端，當振蕩電路有輸出時，LED燈依次流動，調整振蕩頻率時，燈流動的速度也隨之發(fā)生變化。此外，仿真軟件中還設計了單脈沖發(fā)生器電路，通過單擊按鈕生成單脈沖，讓CD4017輸出端的LED燈依次點亮。這個功能可讓學生觀察CD4017的CLK端究竟是上升沿起作用還是下降沿起作用。

綜上所述，教學仿真軟件的各個功能模塊既可以單獨使用以測試其功能，又可以將它們連起來形成一個整體，獲得完整的功能體驗。其中包括很多的可操作對象，如穩(wěn)壓電源的輸出電壓、測試按鈕、比較器預設值、振蕩電路頻率、撥動開關等，可操作性很強。各種操作通過燈的亮、暗變化，波形的改變，數據的顯示等直觀地表達出來。這樣的教學仿真軟件，既便于教師安排相應的知識點講解，也便于學生自主學習。

2.音樂蠟燭教學仿真軟件

音樂蠟燭是可以用打火機“點燃”用嘴吹滅的電子蠟燭，點燃的蠟燭會唱生日快樂歌，同時有LED隨歌聲搖曳發(fā)光，十分逼真。電路分為熱敏電阻檢測、聲音檢測、比較器電路、RS觸發(fā)器、音樂集成電路等部分。仿真軟件中，熱敏電阻在熱源（打火機圖形）接近時阻值不斷下降，音樂電路可以在滿足工作條件時顯示動態(tài)變化的揚聲器圖標并播放“生日快樂”歌。電路功能模塊中RS觸發(fā)器、音樂集成電路等既可以與其他電路連成一個整體也可單個模塊進行測試，軟件提供高電平、低電平等測試功能模塊，即可分別測試這些功能模塊的工作過程，理解其工作原理。

3.電量檢測電路

電量檢測是利用一種新型的電量指示管來顯示可充電電池供電量的多少。這里采用電壓測量法，使用LM317可調穩(wěn)壓電路模擬電池電量的變化、TL431基準源電路、恒流電路為核心構成的測試基準電壓生成電路、比較器電路、采樣電路、電量管電路等部分組成。其中LM317、恒流電路、基準生成電路中均包括電位器，可以分別用作電池端電壓模擬、恒流電流大小調節(jié)，基準電壓調節(jié)等功能，有顯示儀表，可以顯示電壓值、電流值、基準電壓值等。

（三）RAD開發(fā)工具

RAD工具的好處在于可視化的編輯與操作，通過簡單的拖、放控件可設計出所需要的界面。然后通過編程實現(xiàn)各個控件之間的邏輯關聯(lián)，即可完成開發(fā)工作。以目前所開發(fā)的教學仿真軟件為例，它們所需要的控件基本上就是“l(fā)abel”“toolstrip”“picbox”“panel”等幾種類型。label用于顯示各類提示、運算的結果等，toolstrip用于設計菜單，picbox用于存放各類圖片，panel用作容器，可以在其中放置多個picbox、label等其他控件，組成復合圖案。通過設置控制的visiable屬性即可令其顯示出來或者隱去，也可以利用其left、Top、width、height等參數靈活地實現(xiàn)尺寸、位置的變化。

四、仿真教學軟件開發(fā)的問題

仿真教學軟件對開發(fā)者的要求較高，開發(fā)者必須具有專業(yè)電子知識，這樣才能選擇合適的電路來進行開發(fā);開發(fā)者還必須是優(yōu)秀的教師，這樣才能將電路分成合適的模塊，并且安排各模塊的功能及需要測試的功能，安排好仿真內容。仿真教學軟件還需要編程，不論是使用C#、VB或者其他編程語言，要比PPT課件的制作要難一些。

參考文獻：

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◎編輯 武生智