基于建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的程序邏輯分析

汪 迎，馮家慧（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州，450000）

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基于建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的程序邏輯分析

汪 迎，馮家慧
（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州，450000）

目前的許多仿真軟件具有強(qiáng)大的仿真功能，但是都只能對原理電路進(jìn)行仿真，用于教學(xué)則缺乏實(shí)物的形象感。本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是由仿真技術(shù)與虛擬技術(shù)的有機(jī)結(jié)合而構(gòu)建的。模擬電子電路仿真就是以數(shù)學(xué)模型表示電子器件或電路模塊，并配合數(shù)值分析的方法實(shí)現(xiàn)電路的功能模擬及特性分析。如果采用的電路模型足夠精確，則模擬結(jié)果將真實(shí)地反映電路特性， 實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)及性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。電路仿真技術(shù)不是簡單地模擬演示。數(shù)字電路的仿真，主要進(jìn)行了兩個(gè)方面的工作：一是對常用數(shù)字邏輯芯片（包括門電路、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、譯碼器等）建立相應(yīng)的邏輯運(yùn)算模型軟件包，用于對其邏輯功能的仿真；另一個(gè)工作是對實(shí)驗(yàn)平臺和操作的仿真，主要構(gòu)建了由面包板和數(shù)字開關(guān)、發(fā)光二極管、脈沖按鈕等組成的仿真數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺，通過選調(diào)提供的各型號芯片和任意搭接連線，以實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字電路的搭接。系統(tǒng)將根據(jù)面包板上元件之間的連接關(guān)系，通過運(yùn)算程序模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的邏輯運(yùn)算，并通過發(fā)光二極管、數(shù)碼管等給出逼真的顯示。

虛擬實(shí)驗(yàn)室；數(shù)學(xué)模型；電路仿真技術(shù)；程序運(yùn)行；功能模塊

0　引言

基于電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件，我國目前有許多，但大多是基于基礎(chǔ)電路原理的仿真開發(fā)的，和傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)相差甚遠(yuǎn)，不能給學(xué)生帶來如同在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)一樣的感受。因此，根據(jù)目前國內(nèi)虛擬技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，開發(fā)多媒體電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是十分必要的。本虛擬實(shí)驗(yàn)系多媒體性和實(shí)物性能給學(xué)生帶來如同在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的感受，多媒體性能激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)的積極性，而遠(yuǎn)程教育性則解決了異地非全日制大學(xué)生無法做實(shí)驗(yàn)的問題。虛擬電子技術(shù)基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際開發(fā)時(shí)，根據(jù)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，必須對每一個(gè)實(shí)驗(yàn)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，相關(guān)數(shù)學(xué)模型建立后，通過VB編程技術(shù)使其具有一般性即任給一個(gè)參數(shù)就能得出與該參數(shù)相對應(yīng)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型是實(shí)驗(yàn)原理方面的問題。虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)物性和多媒體性則通過虛擬實(shí)驗(yàn)的界面即虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建來實(shí)現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建主要通過多媒體技術(shù)如利用文字處理技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、三維造型技術(shù)等并根據(jù)電路測量原理來實(shí)現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的前提是在構(gòu)建前應(yīng)設(shè)計(jì)好具體的實(shí)施方案，這樣才能有條不紊的工作。實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵在于如何將《實(shí)驗(yàn)大綱》規(guī)定的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的全部實(shí)驗(yàn)過程記錄下來并進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)處理，通過虛擬仿真技術(shù)及相關(guān)程序來實(shí)現(xiàn)。

1　二極管特性及測試

二極管測試電路如圖1所示。

2　數(shù)學(xué)模型的建立

電路中的電流ID：

二極管兩端的正向電壓VD：

常溫下，VD=26mV，IS是反向飽和電流。

3　數(shù)學(xué)模型的程序?qū)崿F(xiàn)

Label3.Caption = Str（（Int（Vcc1 * 10） / 10）） + "V"

If Vcc1 ＜ 0.6 Then

VD = Vcc1

ID = 0

ElseIf Vcc1 = 0.6 Then

VD = 0.58

ID = 0

ElseIf Vcc1 ＞= 0.7 And Vcc1 ＜ 1.1 Then

VD = VD + 0.01

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

ElseIf Vcc1 ＜ 2.1 Then

圖1　二極管測試電路

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

ElseIf VD = VD + 0.007

Vcc1 ＜ 4 Then

VD = VD + 0.001

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

Else

VD = VD

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

End If

If Vcc1 ＜ -28 Then ID = Int（-0.001 * 1000 + Rnd（1）/ 100）

VD = VD + Rnd（1） / 1000

Label1.Caption = Str（Int（VD * 1000） / 1000） + "V" Label2.Caption = Str（ID） + "mA"

Lam

End Sub

Private Sub Command1_Click（）

If Vcc1 ＜= -32 Then

Vcc1 = -32

Else

Vcc1 = Vcc1 - 0.1

End If

Label3.Caption = Str（（Int（Vcc1 * 10）） / 10） + "V"

If Vcc1 ＜ 0.6 Then

VD = Vcc1

ID = 0

ElseIf Vcc1 = 0.6 Then

VD = 0.58

ID = 0

ElseIf Vcc1 ＞= 0.7 And Vcc1 ＜ 1.1 Then

VD = VD - 0.01

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

ElseIf Vcc1 ＜ 2.1 Then

VD = VD - 0.007

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

Else

VD = VD - 0.001

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

End If

If Vcc1 ＜ -28 Then ID = Int（-0.001 * 1000 + Rnd（1）/ 100）

VD = VD + Rnd（1） / 1000

Label1.Caption = Str（Int（VD * 1000） / 1000） + "V"

Label2.Caption = Str（ID） + "mA"

Lam

End Sub

Sub Lam（）

If Vcc1 ＜ 0.6 Then

Pi1 = 0

Else

Pi1 = Vcc1 * 10 - 2

End If

Picture1.Picture = PicClip2.GraphicCell（Pi1）

End Sub

4　總結(jié)

作為傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，使學(xué)生初步掌握仿真軟件技術(shù)，可使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密聯(lián)系課本內(nèi)容，比較全面地概括和反映部分的所學(xué)知識點(diǎn)，將課堂內(nèi)容具體化。構(gòu)建相對應(yīng)的虛擬模型，然后按照一定的規(guī)律用計(jì)算機(jī)程序語言模擬實(shí)際運(yùn)行狀況，并根據(jù)大量模擬結(jié)果對系統(tǒng)或過程進(jìn)行分析，重點(diǎn)是利用一定的工具實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，大大增加實(shí)驗(yàn)的自由度和靈活性。一方面繼承實(shí)物實(shí)驗(yàn)可操作性、參與性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，另一方面又可利用計(jì)算機(jī)優(yōu)勢，發(fā)揮其直觀、動態(tài)模擬、迅速準(zhǔn)確、資源共享、資金投入量少等特點(diǎn)，從而建立一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，進(jìn)一步提高教學(xué)效率。

虛擬實(shí)驗(yàn)室作為電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具有以下特點(diǎn)：無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)；操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器動行，完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)生成；教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要設(shè)計(jì)出各種虛擬儀器來供學(xué)習(xí)者自行選擇；學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)的專業(yè)知識，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目及內(nèi)容，給出實(shí)驗(yàn)方案，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行自己感興趣的實(shí)驗(yàn)。

［1］ 李世紅，蔡志端，劉剛：基于虛擬儀器的高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究.科技信息（學(xué)術(shù)研究）， 2008，（25） .

［2］ 趙明輝.基于虛擬儀器技術(shù)的示波器測試系統(tǒng).科技資訊，2008， （13） .

［3］ 李源生、李艷新、孫英偉.電路與模擬電子技術(shù)（第2版）.出版社：電子工業(yè)出版社，2007

［4］ 劉軍.電路與電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教程.出版社：西北工業(yè)大學(xué)出版社2006

［5］ 江曉安.計(jì)算機(jī)電子電路技術(shù).出版社：西安電子科技大學(xué)，2002

［6］ 張野，鄭振宇：虛擬儀器技術(shù)在院校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的應(yīng)用.科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007，（24） .

［7］ 吳培明.電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn).出版社：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

［8］ 冷向京：基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與應(yīng)用.科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008，（01） .

［9］ Lech Znamirowski，Olgierd A. Palusinski，Sarma B.K. Vrudhula：Programmable Analog/Digital Arrays in Control and Simulation. Analog Integrated Circuits and Signal Processing， 2004，39，（1）.

［10］ Ye jihua， et al：Simulink simulation of computer interface circuit .Acta Simulata Systematica Sinica，2007， （6） ：1234-1237 .

Program logic analysis based on Virtual Laboratory

Wang Ying，F(xiàn)eng Jiahui
（School of information engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou，He'nan，450000）

Now many of the simulation software is a powerful simulation function， but can only be carried out on the principle of the circuit simulation，used for teaching is lack of physical sense of image. The experimental environment of this system is composed of the combination of simulation technology and virtual technology and build.Analog electronic circuit simulation is expressed as a mathematical model of the electronic device or circuit module，and cooperate with the numerical analysis method can realize the function of circuit simulation and characteristics analysis.If using the circuit model is accurate，the simulation results will truly reflect the circuit characteristics，to achieve the optimal design of circuit structure and performance.Is not a simple circuit simulation technology simulation demonstration.Digital circuit simulation， mainly in two aspects：one is the commonly used digital logic chips （including gate，flip-flop，counter and decoder，etc.）to establish the corresponding logic operation model software package that used in the simulation of the logic function；Another work is to experiment platform and operation simulation，mainly constructed by the bread plate and digital switch，light emitting diode，and other components of the pulse button simulation digital experimental platform，through transferring to provide various types of chips and arbitrary string line，in order to realize the overlapping of all kinds of digital circuits.System will be based on the connection relations between the bread plate elements，through the computation program module for digital logic circuit，and through the light-emitting diode，digital tube gives vivid display，etc.

Virtual laboratory；Mathematical model；Circuit simulation technology；The program runs；Function module