基于信息化教學的電子信息類專業(yè)仿真教學模式的探究

□鄭雅偉

(山西經(jīng)濟管理干部學院,山西 太原 030024)

1 研究背景

近年來,信息化技術作為一種現(xiàn)代化技術手段,已經(jīng)滲透到各行各業(yè),極大地推動了各行各業(yè)工作效率的提升。與此同時，教育部正在大力倡導信息化教學的實施,推進信息化教學的普及。在信息化教學中，教學手段的信息化，是電子信息類專業(yè)信息化教學改革的主要探索方向。

隨著電子信息類專業(yè)人才缺口的日益增大,高校電子信息類專業(yè)不斷擴大招生規(guī)模的同時,越來越多的高校感受到了人才培養(yǎng)帶來的巨大壓力。一方面體現(xiàn)在實訓條件不足。電子信息類專業(yè)對于實訓條件的需求,遠高于其他大部分專業(yè),平均每個專業(yè)需要8～15個不同類型的實訓場館,由于專業(yè)交叉面廣,大部分實訓場館可以兼容2～5個不同專業(yè)的實訓教學,但一個成熟的電子信息類專業(yè)群所需要的實訓場館大概為20～30個,平均每個實訓場地的造價都在20萬～50萬元之間,有的甚至超過百萬。由于技術的發(fā)展日新月異,基本上所有的實訓場館都需要不斷改造升級甚至淘汰重建。大部分高校的電子信息類專業(yè)的實訓條件都處在捉襟見肘的狀態(tài),每年大量的資金投入,成為限制電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)的巨大瓶頸。另一方面,隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新興專業(yè)的產(chǎn)生,新課程和新知識對于教學手段的要求更高，知識點的呈現(xiàn)需要更直觀，教師和學生間的互動環(huán)節(jié)需要更豐富。傳統(tǒng)的教學手段效率低下,教學實施過程中直觀性差,互動環(huán)節(jié)不足,已經(jīng)很難滿足新形勢下對專業(yè)教學的要求。

在這種專業(yè)發(fā)展的大環(huán)境下,如何能夠一勞永逸地解決實訓教學需求,改進傳統(tǒng)效率低下的教學模式,已經(jīng)成為電子信息類專業(yè)建設人員思考的一個課題。近年來,電子信息虛擬仿真技術飛速發(fā)展，并且與信息化教學手段高度契合。虛擬仿真實訓技術正在從高科技企業(yè)科研人員群體逐漸向高校人才培養(yǎng)中推廣,如果能建立一個完整的一體化虛擬仿真實訓平臺,一方面可解決高校電子信息類專業(yè)發(fā)展資金不足、實訓場館不夠的問題,同時也響應了教育部對于信息化教學模式的號召。

2 研究意義

電子信息類專業(yè)的主干課程有電子電路技術、計算機網(wǎng)絡技術、嵌入式系統(tǒng)技術、電子測量儀器技術、軟件技術、移動通信技術等。目前在高科技企業(yè)科研活動中,流行很多仿真開發(fā)平臺,如電路仿真軟件Multisim、PCB設計及仿真軟件Altium Designer、單片機及嵌入式仿真軟件Proteus、工程制圖軟件Visio、射頻技術仿真軟件HFSS、虛擬操作系統(tǒng)環(huán)境Vmware等虛擬仿真軟件,這些軟件無需硬件的投入,即可構建一個較為完整的技術開發(fā)環(huán)境,該環(huán)境具有以下方面的優(yōu)點:(1)實訓環(huán)境易于搭建。學校只需要投入一個多媒體機房,即可構建一個一體化仿真平臺。(2)實訓環(huán)境易于復制。學生可以利用個人電腦搭建實訓環(huán)境,基本解決了學生離開實訓室無法進行實訓的突出問題。(3)設備庫、元件庫豐富,涵蓋課程標準中各個實訓項目所涵蓋的所有元器件及設備,遠遠超過傳統(tǒng)實訓場館的設備及元件數(shù)量。(4)支持課程眾多,從專業(yè)基礎課到專業(yè)課,涵蓋一半以上的專業(yè)核心課程。(5)資源共享更加便捷深入,更利于學生在課余進行學習交流。(6)后期維護方便,操作更加可靠,避免了各種電力安全隱患。(7)可以為學生的畢業(yè)設計提供完整的解決方案。(8)更有利于高校的師資培養(yǎng)、科研水平和服務社會能力的提升。

3 教學實施

3.1 單片機開發(fā)技術仿真

單片機相關課程是電子信息類專業(yè)的核心主干課程。單片機種類繁多,常見的有MCS-51系列、430系列、PIC系列、AVR系列、ARM系列等,每個系列的單片機,型號都有成百上千種。不同系列的單片機,體系結構和指令系統(tǒng)千差萬別,開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具鏈亦多種多樣。任何一種單片機實訓平臺,都只能滿足某種單一型號的單片機技術的實訓,隨著單片機技術的不斷發(fā)展,各種低功耗、高性能的單片機不斷面世。首先,單片機實訓平臺的一次性投入成本較高,且不斷面臨著被淘汰出主流系列的風險;其次,單片機的外設電路也在根據(jù)市場需求不斷推陳出新,如通信外設電路、邏輯驅動外設電路、顯示外設電路等;最后,實訓平臺的設備維護、場地建設,也將進一步提高實訓場館的建設成本。所以,如何建設一種虛擬實訓環(huán)境,以滿足單片機技術持續(xù)發(fā)展的需求,是虛擬一體化仿真實訓平臺建設的當務之急。

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件,它不僅具有常用EDA工具軟件的仿真功能,如模擬電路及數(shù)字電路的仿真,還能夠進行單片機及其外圍電路的仿真,受到眾多單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真(如圖1),一鍵切換到PCB設計(如圖2),真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺,其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,近年來的新版本,又增加了Cortex和DSP系列處理器,并將持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面,它支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器環(huán)境。

圖1 Proteus的單片機電路設計及仿真界面

圖2 Proteus的PCB設計界面

Keil是一款應用非常廣泛的單片機軟件開發(fā)工具,包括ANSI C編譯器、宏匯編程序、調(diào)試器、連接器、庫管理器、固件和實時操作系統(tǒng)核心(real-time kernel)(如圖3)。據(jù)統(tǒng)計，有超過10萬名微控制器開發(fā)人員在使用這種得到業(yè)界認可的解決方案。Keil C51編譯器自1988年引入市場以來成為事實上的行業(yè)標準,并支持超過500種8 051變種。2011年,Keil平臺被全球32位微處理器的領導者ARM公司收購,ARM Keil隨即推出基于μVision界面,用于調(diào)試ARM7、ARM9、Cortex-M內(nèi)核的MDK-ARM開發(fā)工具,用于控制領域的開發(fā),Keil軟件開始完美支持ARM系列微處理器。Keil開發(fā)平臺可以完美地解決當前各種系列單片機及嵌入式課程中的編譯及軟件仿真平臺的問題。

圖3 Keil-ARM的軟件仿真界面

Proteus提供了完整的硬件設計和系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境,Keil提供了完整的軟件編譯和仿真環(huán)境。本案例旨在二者常規(guī)應用的基礎上,設計出一個完整的仿真工具鏈,可以讓學生完成從電路設計、單片機外圍設計、軟件設計、軟硬件聯(lián)調(diào)、仿真聯(lián)調(diào)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等完整的項目開發(fā)過程,整個過程無須任何實物電路板及測量儀器的參與,具體流程如圖4所示:

圖4 聯(lián)調(diào)仿真

3.2 電子電路綜合仿真

電子電路信號仿真是電子技術教學和科研中的重要手段,印制電路板和元件的生產(chǎn)制造成本較高,所以在量產(chǎn)之前必須經(jīng)過完整的信號測試,確保電路板的功能及工作穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的方式是通過在面包板上手動搭建驗證電路的方式來實現(xiàn)。這種方式在一定程度上能夠對工作電路進行評估,但是存在諸多不足:(1)大規(guī)模的復雜電路,手動搭建過程繁瑣,易出錯,可靠性低。(2)對于特殊封裝的元器件,無法進行信號線的引出和裝配。(3)在對EMC、EMI、ESD高頻電路的信號完整性測試中,手動搭建的電路無法進行完美復原。(4)手動搭建測試電路,從成本的角度,只能節(jié)省印制電路板的加工費用,元件等耗材依然需要一定的成本投入。

電子電路仿真軟件,經(jīng)過多年的發(fā)展,目前已經(jīng)具有強大的信號仿真、分析、計算能力,操作者可以自己建立元器件模型,進行各種非理想狀態(tài)下的信號仿真,其中,美國國家儀器有限公司的Multisim仿真平臺,極具代表性。Multisim軟件具有直觀的用戶操作界面、強大而完整的元件庫、靈活多變的元件模型生成功能,能夠完成SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真等諸多仿真功能,還具有強大的虛擬儀器功能,包括各種信號源、示波器、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡分析儀、邏輯分析儀等。操作者可以在短時間內(nèi)進行所需的大部分應用場景的電子電路仿真,極大地縮短了電路設計和調(diào)試的周期和可靠性。

圖5為利用Multisim搭建的缺相保護電路仿真原理圖,在仿真中,不僅可以對三相交流電的幅度、相位進行配置,還可以對非理想狀態(tài)下三相交流電的參數(shù)進行模擬仿真,如幅差、相差等參數(shù)。同理,在實際運用電路中,各種二極管的正向特性和反向特性中的各種細節(jié)特性均可以在Multisim軟件中進行配置,穩(wěn)壓二極管的溫度特性、動態(tài)電阻等參數(shù),也可以在元建模型中進行配置,對實際工作電路的復原接近完美。除此之外,通過虛擬示波器,可以對電路中各個點的信號進行實時監(jiān)控,很大程度上提高了設計人員的工作效率。

圖5 Multisim仿真實例

在實際運用中,常常采取Multisim仿真與手工搭建電路相結合的方式,各取其長。在實訓教學中,Multisim仿真已經(jīng)成為學習電路原理和電路設計的強大武器,很大程度上提高了學生的學習效率和教師的授課效率。

4 結語

單片機開發(fā)技術仿真和電子電路綜合仿真,只是虛擬一體化仿真平臺功能的冰山一角,旨在說明虛擬一體化仿真平臺在電子信息類專業(yè)課實訓教學的典型應用。在實際教學中,想要對平臺進行充分利用,還需要在信息化教學的框架內(nèi),進行前期的準備和詳細的教學設計。仿真平臺的引入,還需要進行以下幾方面的前期突破。第一，加強師資建設。由于該仿真平臺缺乏傳統(tǒng)實訓場館建設中設備提供方的完整技術支持，對專業(yè)教師的素質要求非常高，亟需建設一支專業(yè)內(nèi)功深厚的雙師素質教師隊伍，對虛擬平臺的應用進行深入鉆研，對各類仿真軟件能夠熟練應用等。第二，虛擬仿真平臺一旦運行實施,需要對傳統(tǒng)人才培養(yǎng)方案進行一定程度的調(diào)整。第三，教材建設是平臺實施成敗的關鍵。教師在平臺建設的同時要進行教材編寫,并且在教學實踐中不斷完善,同時需要國家及教育部門的政策支持,這樣才能全面推進虛擬仿真平臺教學的實施。

隨著EDA技術的不斷發(fā)展,更多功能、人性化、高仿真度的軟件環(huán)境將陸續(xù)進入市場,虛擬一體化仿真平臺的建設,作為信息化教學建設的重要途徑,能夠不斷豐富教學模式,降低實訓場所的建設成本,為高校電子信息類專業(yè)的實訓教學注入大量活力，為高校的人才培養(yǎng)模式提供全新的方向。