數字電子技術虛擬實驗系統的建設與應用

周　鵬　李　芳

【摘要】在網絡教育和遠程教育中，如何高效地開展實驗教學是教育管理者普遍關心的問題。通過互聯網絡，開展虛擬實驗教學是解決這一難題的有效途徑。在全日制高等教育中，虛擬實驗也將成為傳統實驗教學的一種重要補充。根據實驗課程建設的需要，開發了一套數字電子技術虛擬實驗系統。該系統目前已應用在實際的實驗教學中，取得了令人滿意的效果。詳細介紹了該系統的總體設計思路和具體的實現方法，并對實際應用情況作了簡單說明。

【關鍵詞】實驗教學；虛擬實驗；數字電子技術

【中圖分類號】G40–057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2007）01—0121—03

一 引言

在網絡教育和遠程教育中，受時間、空間、成本等多方面因素的限制，如何高效地開展實驗教學是困擾教育管理者的一大難題。虛擬實驗的出現，為解決這一難題提供了一種有效途徑[1]。在全日制高等教育中，虛擬實驗也可作為傳統實驗的一個重要補充，既能節約大量經費，又使實驗在時間和空間上得到了有效的延伸。隨著近年來計算機仿真技術和互聯網絡的快速發展，實驗教學的虛擬化、網絡化具備了良好的發展條件[2]。

數字電子技術是電子與信息類專業一門實踐性很強的基礎課程，為使學生更好地理解和掌握課程的基本理論和方法，必須通過實驗手段加深理解。對于網絡教育和遠程教育的學習者，由于各種實際因素的制約，難以到學校實驗室完成這些實驗。全日制教育的學生也受到實驗場地、時間、元器件更新慢等多種因素的制約。為此，有必要通過虛擬實驗系統來解決這些問題。很多高校都自主開發了數字電子技術課程的虛擬實驗系統[3-7]。但多數系統的開發過程基本上只是將紙質的實驗教材按每次實驗為一個單元實現“虛擬化”。這種開發模式存在著功能較弱、開發工作量大、重復開發、不支持設計性實驗等缺點。考慮到數字系統都可以用邏輯真值表進行統一描述，完全可以開發出一個通用型的實驗平臺。基于這種指導思想，我們開發了一套通用化的數字電子技術虛擬實驗系統。

二 系統的設計與實現

1總體設計思路

系統的總體設計采用“組件化”、“標準化”的開發思路。具體來講，就是用面向對象的思想將實驗中可能使用到的各種器件，如：電源、信號源、時鐘、導線、開關、分立元件、常用邏輯芯片、發光二極管、數碼管、萬用表、示波器等制作成標準器件，形成“標準器件庫”[8]。另外對于所有實驗中的公共功能，如：布線/拆線功能、連線正確性檢查、電路邏輯功能的模擬、輸出結果的計算等專門抽取出來，設計成“公共功能組件”。依據“標準器件庫”和“公共功能組件”可開發出功能強大的、易于擴充的、通用化的虛擬實驗平臺。

2 實驗平臺的實現

整個平臺的搭建過程分為四個階段，分別是“標準器件的設計”、“公共功能組件的設計”、 “事件管理器的設計”和“標準器件庫的擴充”。目前我們已完成前三個階段的開發工作，有了這幾個階段的工作，系統就可以開始試運行了。第四階段主要是對系統進行補充和完善。下面對前三個階段的工作做詳細介紹。

第一階段“標準器件的設計”的任務就是將實驗中可能用到的各種基本元件、邏輯芯片、儀器儀表等進行虛擬化。我們利用面向對象的設計思想，分別設計了各種元器件對應的對象類。這些對象類實現了對各種實驗器材的高度抽象。以對邏輯芯片的模擬為例，雖然各種芯片千差萬別，但只需設計一個“芯片”類就能實現統一的描述。具體來講，只需設計“芯片”類包含名稱、外觀、管腳數、管腳編號、管腳類型、真值表等屬性即可實現對所有芯片的統一描述。

第二階段“公共功能組件的設計”的任務是實現所有實驗中都需具備的公共功能，主要包括：“布線/拆線”、“連線正確性檢查”、“管腳電平的實時計算”等。“布線/拆線”功能是使學生能像在實際實驗中一樣對放置在操作平臺上的器件進行接線，當發現接線錯誤時也可以將錯誤接線去除。為實現這一功能，平臺中所有器件和儀表的每個接線端都設計有接線孔。當學生觸發布線或拆線按鈕后，接下來只要選定兩個接線孔，系統就能自動在這兩個接線孔間實現布線或拆線。每布完一條線，系統會自動記錄，并寫入“布線信息表”；每拆除一條連線，“布線信息表”中的相應信息也會自動刪除。系統中專門設計一個“布線信息表”的目的是進行連線檢查。“連線正確性檢查”功能就是對“布線信息表”中的每一組信息進行檢查，看其是否滿足檢查規則。我們是通過“邏輯正確信息表”和“邏輯錯誤信息表”來實現檢查的。所謂“邏輯正確信息表”，是指要求表中的每一條規則都必須得到滿足，否則判定接線錯誤。如：芯片的電源管腳必須連在電源上，地管腳必須接在地上等。所謂“邏輯錯誤信息表”，是指只要表中的某一種情況在實際接線中發生了，就判斷接線錯誤。如：某芯片的輸出管腳與電源連接在一起、某芯片的輸出管腳與地連接在一起、某芯片的輸出管腳與控制端連接在一起等異常情況。通過這兩個信息表的共同制約，系統可以很好地完成連線檢查的功能。需要說明的是，這里進行的連線正確性檢查并不是對某一個特定電路進行檢查，而是可以對平臺上搭建的任意一個電路都能進行判斷。通過連線檢查后，就可接通電源進行電路測試了。系統這時必須能實時計算出各個節點的電壓和各條支路的電流。其中，芯片各管腳電平的計算最為關鍵。系統計算的過程與手工計算過程類似，即：首先計算出各芯片輸入和控制管腳的電平值，然后再根據真值表，計算輸出管腳的電平值。對于輸入和控制管腳有邏輯1、邏輯0和懸空三種狀態，其具體取值受控制源的影響。控制源通常包括電源、地、高低電平控制開關或者是其它芯片某個管腳的輸出。需注意的是，當實驗中出現多個芯片時，會出現芯片級聯的情況。后一級芯片管腳電平在計算時，依賴于前一級芯片。因此，系統必須能根據實際的接線情況“分析”出芯片間的級聯情況。這些信息可通過對“布線信息表”進行處理后得到。

第三階段“事件管理監聽器設計”主要是完成監視事件發生、維護事件隊列和向組件轉發消息等任務。直觀地講，就是響應學生在做實驗過程中的撥動開關、轉動旋鈕等操作以及計數器溢出等系統自動觸發的事件。

三 操作界面

圖1示出了我們所開發的虛擬實驗平臺的主功能界面。如圖所示，操作界面劃分為三個功能區，分別是操作區、元器件取用區和接線控制區。

操作區是操作者的實驗使用區域。在這個區域中，可以進行實驗電路的搭建、故障檢測以及電路功能的測試。

元器件取用區為使用者提供了實驗中常用的儀器設備、元器件和邏輯芯片。使用者可以根據需要進行自由選擇。另外，為方便使用者的操作，還提供了元器件的搜索功能。

接線控制區用于完成搭建電路過程中的連線、拆線功能。另外還提供了多種顏色和不同粗細度的連線方便操作者使用。

四 系統的應用情況

目前這套系統已應用于我校遠程教育學院《數字電子技術》課程的實驗教學中。利用該系統，學生不僅可以完成實驗教學大綱中要求完成的基本實驗，還可以根據自己的興趣自行設計、搭建、調試一些電路。實驗項目的安排完全可以根據學生自己的學習進度進行，實驗項目的開展不再受時間和空間的限制，為學生提供了極大的方便。

為了配合虛擬實驗系統的使用，我們還專門開發了一個實驗教學網站。圖2示出了該網站的首頁。在網站中，提供了實驗操作說明、儀器使用演示和一些典型演示性實驗，學生在熟悉相關說明及操作后，就可利用虛擬實驗系統自主進行實驗。

五 結束語

本文闡述了數字電子技術虛擬實驗系統的總體設計思路和實現方法，并簡單介紹了其實際應用情況。該系統不僅能讓學生完成教學大綱中所要求的基本實驗，還能滿足學生開展創新性實驗的要求。該系統的開發促使遠程教育的實驗教學活動得以有效開展，為將來網絡實驗室的建設積累了一定的經驗。

需要說明的是，目前系統中所有的元器件還都只是理想化的元器件。下一步的工作重點是引入常用元器件參數特性的誤差模型，使實驗結果更加接近真實情況。

參考文獻

[1] 王泰健.虛擬電子實驗網絡教學平臺的開發與實踐[J].中國遠程教育,2005,(2):66-68.

[2] 顧曉潔.網絡虛擬實驗教學的探索與實踐[J].電氣電子教學學報,2005,27(6):86-89.

[3] 張春芳,馬志彬.數字電路虛擬實驗的建模與仿真[J].電腦開發與應用,2006,19(9):36-37.

[4] 彭珠.基于網絡的數字電路虛擬實驗軟件設計與實現[J].微計算機應用,2006,27(1):42-45.

[5] 吳為團,鄭海燕.數字電路虛擬實驗系統的研制[J].青島建筑工程學院學報,2002,23(2):79-81.

[6] 劉銀萍,陳惠珊.數字電子技術實驗教學改革的探討[J].實驗室研究與探索,2006,25(8):981-983.

[7] 孫榮平,戚甫峰.基于多媒體仿真技術的電路與電子技術虛擬實驗教學系統[J].實驗技術與管理,2001,18(4):46-49.

[8] 范新偉,申瑞民,申麗萍.虛擬實驗標準化的研究和解決方案[J].計算機仿真,2005,22(1):175-179.