基于口袋虛擬實驗室的定時器設計與教學探索

李梅，黃澤霞，邵春莉

（安徽大學電氣工程與自動化學院，安徽合肥，230601）

為應對新一輪科技革命和產業(yè)變革的挑戰(zhàn)，教育部提出“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0”，加快工程教育改革創(chuàng)新，將工科研究與實踐項目融合[1]。該計劃旨在推進新工科建設，全力探索領跑全球工程教育的中國模式、助力高等教育強國建設，孵化創(chuàng)新型科技人才[2,3]。各大高校積極響應政策號召，針對新興產業(yè)增設了具有創(chuàng)新性、開拓性、復合性的新專業(yè)，包括人工智能、大數據、智能科學等工科專業(yè)[4～6]。

新工科、新專業(yè)的發(fā)展離不開基礎學科的建設與創(chuàng)新，在現代化教育工程的基礎上，更多地實現實踐教育的培養(yǎng)[7,8]。作為電氣類的專業(yè)基礎課程之一，數字電子技術實驗為適應創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標，教學模式和教學方法的改革勢在必行。結合線上線下的混合式教學模式，基礎實驗教學中心對實驗設備進行了升級，在原有實驗設備—實驗箱的基礎上，引入口袋虛擬實驗室套件，以克服儀器設備不足、時空利用率低、創(chuàng)新性差的缺點。在演示性、驗證性實驗的基礎上，提高綜合設計性實驗的比例[9,10]。

1 定時器設計原理

當前我國使用范圍比較廣的定時器是機械式發(fā)條定時器，這種定時器在使用過程中會出現很多問題，影響使用效率[11]。隨著集成電路技術的快速發(fā)展，數字電子技術已經被廣泛地應用到電子行業(yè)中，電子定時器被頻繁使用。

定時器設計則屬于數字電子技術中綜合設計實驗的范疇，它主要由振蕩器和計數器組成。在實際系統(tǒng)中，定時器的應用非常廣泛，例如，籃球比賽中的讀秒倒計時，洗衣機洗滌，脫水的計時功能，現代智能家電、工廠的自動化設備都離不開定時器的應用[12]。

定時電路由控制電路、秒脈沖發(fā)生器、計數器、譯碼/顯示電路、報警電路等部分組成[13]，整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

如圖1所示，秒脈沖發(fā)生器、計數器以及譯碼/顯示電路由控制電路控制。有外部控制開關可以對定時電路進行直接清零、置數、連續(xù)計時等選擇。當定時時間到，顯示停在最后的時間上，并發(fā)出聲光報警的信號。

數字電子技術實驗中定時器的設計，傳統(tǒng)教學方法是在實驗箱上按部就班地進行搭建，搭配示波器和直流電源等進行驗證[14]，搭建前缺少計算機仿真，搭建過程易出錯，排查錯誤比較困難。其次，實驗儀器較大，攜帶不便，實驗箱、示波器、萬用表等實驗設備只能固定在教室使用，使用場所不靈活。傳統(tǒng)的實驗箱功能單一，受實驗箱布局的局限，拓展功能部分少，口袋虛擬實驗室則可以解決上述實驗箱存在的不足之處[14]。

本文依托數字電子技術的理論教學內容，提出將學生隨身可攜帶的口袋虛擬實驗室EPI-M102結合Multisim仿真測試軟件和虛擬測試設備應用于綜合設計實驗，使學生可以在相對靈活和集成的實驗環(huán)境中，完成軟硬件相結合的綜合性、設計性實驗。

2 口袋虛擬實驗室

虛擬口袋實驗室的引入使得硬件平臺體積縮小、軟件可虛擬實驗設備實現常規(guī)儀器的功能，豐富了實驗手段[14～16]。易派EPI-LITE102/m102實驗平臺是一款便攜式USB多功能虛擬口袋實驗平臺，外觀和接口如圖2(a)所示。實驗平臺包括±12V、±5V以及+3.3V對外供電接口；12位并行數字輸入，可接受5V電平輸入，最高采樣率200KSPS；12位并行邏輯輸出，輸出電平+3.3V或+5V，最高刷新率20KSPS；信號源輸出雙通道，同步12位直接數字頻率合成（DDS）；模擬輸入雙通道，12位5MSPS同步采樣。實驗平臺通過USB接口與個人計算機相連，由EPI-m10軟件驅動，可配置多款實驗室設備，如信號發(fā)生器、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等，如圖2(b)所示。EPI-LITE102/m102實驗平臺與Electronics Pioneer軟件、實驗電路相結合，為學生提供了一個基于數字電路技術的不受時間、場地和空間約束的“口袋虛擬實驗室”，可以增加學生自主學習的能力和創(chuàng)新能力。

圖2 易派口袋虛擬實驗室

3 定時器實驗設計與實踐

■3.1 秒脈沖發(fā)生器設計

秒脈沖發(fā)生器產生周期為1s的時鐘脈沖，作為電路的定時標準。時鐘脈沖的精度直接影響定時的精度[17]，需要特別的設計，本節(jié)利用一個頻率較高的矩形脈沖，經過多級分頻后得到頻率較低的脈沖信號，秒脈沖發(fā)生器如圖3所示。

圖3 秒脈沖發(fā)生器

圖中CD4060為14級二分頻器，其內部由一串行計數器和振蕩器組成。晶振產生頻率為32768Hz的矩形波，經過CD4060分頻，得到頻率為2Hz的矩形波，再利用74LS161進行二分頻，在74LS161的Q0端得到頻率為1Hz的秒脈沖信號，CD4060功能表如表1所示。

表1 CD4060

■3.2 30進制減法計數器設計

30進制減法計數器采用兩片74LS192實現，其控制電路如圖4所示。

圖4 控制電路

圖中，CPU是加法計數脈沖輸入端，CPD是減法計數脈沖輸入端，是異步置數控制端，D0～D3是并行數據輸入端，Q0～Q3是計數器狀態(tài)輸出端，是借位信號輸出端，是進位信號輸出端，CR是異步清零端，74LS192的工作狀態(tài)如表2所示。

表2 74LS192功能表

直接清零控制電路通過對74LS192的異步清零端CR來進行控制，圖4中，當S2撥向清零端時，CR=1，計數器清零；當S2撥向工作端時，CR=0，計數器進入正常工作狀態(tài)。置數功能由按鈕S1實現，當按下S1時，74LS192的 ，計數器置數；釋放S1則計數器在置數的基礎上開始遞減計數。

暫停、連續(xù)計時控制電路由開關S3和G1～G4門電路構成，當S3撥向連續(xù)端時，G4輸出為高電平，若=1（定時時間未到），G2門打開，電路工作于連續(xù)計數狀態(tài)；當S3撥向暫停端時，G4輸出為低電平，將G2封鎖，暫停計數；當定時終止，高位74LS192的端輸出低電平將G2封鎖，并觸發(fā)聲光報警電路。

■3.3 聲光報警電路設計

聲光報警電路如圖5所示，由“定時時間到”信號=0啟動，即當高位74LS192的端輸出低電平時，使發(fā)光二極管點亮，同時使555構成的多諧振蕩器工作，輸出信號經晶體管推動揚聲器發(fā)出報警聲，振蕩頻率為：

圖5 聲光報警電路

■3.4 實驗設計

根據圖1定時電路系統(tǒng)框圖，利用Multisim仿真測試軟件搭建定時仿真電路，如圖6所示。

圖6 定時電路Multisim仿真圖

圖6中使用方波信號源V1模擬秒脈沖，S2和S3選擇單刀雙擲開關，S1選擇延時開關，具體功能如表3所示。并通過Multisim仿真進行測試，結果驗證了搭建定時電路的可行性。

表3 仿真開關狀態(tài)

4 定時器電路實驗設計

本實驗通過虛擬儀器口袋實驗室EPI-LITE102/m102和定時器功能電路共同組成本實驗的硬件框架，并在軟件控制下實現定時器功能，系統(tǒng)結構框圖如圖7所示。

圖7 定時器實驗系統(tǒng)結構框圖

使用口袋虛擬實驗室的信號發(fā)生器模塊，替代傳統(tǒng)實驗方式的外部儀器，實驗電路所需的±5V工作電壓由可編程直流電源模塊提供。在Electronics Pioneer軟件的StaOut軟面板界面中可以方便地設置和調整典型激勵信號的類型和參數。

實驗過程如下，首先，在面包板上搭建定時器實驗功能電路，實驗裝置圖如圖8(a)所示。開啟外部電源輸入，對實驗電路供電。在StaOut軟面板界面的A1功能處點擊打開時鐘，并設置時鐘脈沖信號頻率為1Hz，即開始輸出特定頻率的脈沖信號。打開StaIn界面并切換到功能4，這時在虛擬數碼管的個位上就能看到30，29，28，…，0的數字按照1秒的周期交替出現。當定時時間到，面包板上LED亮起，代表報警功能正常。

圖8 基于口袋虛擬實驗室定時器實驗

5 結語

通過口袋虛擬實驗室完成定時器設計，不僅可以滿足傳統(tǒng)實驗的要求，打破了傳統(tǒng)實驗受地點、條件等因素的限制，在仿真、搭建、設計環(huán)節(jié)還能夠更好地調動學生的自主性和積極性，變被動學習為主動探索。口袋虛擬實驗室的引入克服了傳統(tǒng)實驗箱體積大，配置低、靈活性差的弊端，提升了實驗的多樣性和可拓展性。不僅僅是定時器的設計，數字電子技術實驗、模擬電子技術實驗、數模電綜合設計實驗等都可以借助口袋虛擬實驗室進行實驗。實驗中心不僅采取了基于口袋虛擬實驗室的新型教學模式，同時對參與實驗的學生進行了問卷調查，結果顯示：97%以上的學生表示口袋虛擬實驗室使用起來簡單、方便、易上手。96%以上的學生表示愿意并且能夠很好地使用口袋虛擬實驗室完成電子技術的實驗要求，包括復雜性綜合設計類實驗。92%以上的學生表示愿意使用口袋虛擬實驗室替代傳統(tǒng)的實驗箱進行實驗，并考慮自購。綜上，本文提出的基于口袋虛擬實驗室的教學探索能夠做到以學生為中心，發(fā)揮學生的自主多樣性，新的教學模式能夠為學生提供一個新型的創(chuàng)新實驗平臺，更加符合新工科人才的培養(yǎng)目標，是混合式教學模式的又一創(chuàng)新和探索，具有一定的應用和推廣價值。