電子技術虛擬仿真實驗平臺的開發

摘? 要：針對電子技術課程特點，基于虛擬編程實現電子技術實驗仿真平臺的開發。提升學校電工電子課程實驗室建設維度，打造虛擬仿真實驗平臺，解決實驗室設備有限的瓶頸，滿足學生課后實驗需求，激發學生實驗興趣，提高學生實驗動手能力。針對虛擬仿真平臺搭建過程中遇到的問題進行探討，結合課證融通引領下的人才培養改革提出自己的心得體會。

關鍵詞：電子技術；虛擬仿真平臺；人才培養

中圖分類號：TP311；G642? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0090-05

Abstract： According to the characteristics of electronic technology course， the development of electronic technology experiment simulation platform is realized based on virtual programming. Improve the construction dimension of the school's electrical and electronic course laboratory， create a virtual simulation experiment platform， solve the limited laboratory equipment， meet students' needs for after-school experiments， stimulate students' interest in experiments， improve students' participation in experiments. Discuss the problems encountered in the process of building the virtual simulation platform， and put forward their own experience in combination with the personnel training reform led by the guidance of the course certificate integration.

Keywords： electronic technology; virtual simulation platform; personnel training

0? 引? 言

結合線上教學需要，完善實驗室的使用方法，降低實驗室建設成本，同時提高學生學習電子技術及相關課程的興趣，以期提供信息技術應用與電類相關課程在線教學能力融合模式下的實驗仿真解決方案。

采用虛擬仿真平臺還能突破空間的限制，通過將平臺上傳到互聯網，使得學生在家中也能進行相關實驗的仿真操作，通過仿真平臺的訓練，可以貫穿預習、學習、復習各個階段，在“信息技術+線上實驗教學”模式的加持下，可以真正做到學習不受限。

1? 開發環境

1.1? LabVIEW簡介

LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）的軟件產品，秉承“軟件即是儀器”的理念，已廣泛應用于工業自動化、計算機仿真、FPGA等領域，其特點之一是以圖形的方式編程，相比于文本代碼，該軟件上手快，使計算機編程變得更加容易，讓非計算機專業人員也很容易接受。

1.2  編程特點

LabVIEW提供了類似常規編程語言中具有多種功能的函數以及種類豐富、數量龐大的各種控件，這種VI可單獨運行調試，初學者較容易掌握和使用。VI由兩部分構成：前面板和程序框圖。前面板即圖形界面窗口（GUI），用來放置各種控件（如顯示波形的控件、數據文本輸入框、指示燈和按鍵等），在圖形編程完成后，使用者與程序的交互主要是通過前面板進行數據的賦值輸入、控制、顯示等實現。而程序框圖是用于編寫程序代碼的界面，將各種功能的函數VI放置在該界面中，完成項目的底層編程。

1.3? 與電子技術實驗內容高度契合

電路分析中，基爾霍夫定律的驗證，疊加定理的驗證，典型電信號的觀測和一階電路響應特性實驗等；模擬電路中二極管、三極管的特性測試等；數字電路中的數值轉換電路、觸發器、數據選擇器等，這些課程內容都可以通過實驗平臺的編程實現仿真運行，所以結合課程特點和編程實現方法，選擇該平臺實現課程教學。

2? 虛擬仿真實驗開發

2.1? 多種方式展現

軟件平臺提供多種功能豐富的控件，所以在實現電路分析、模擬電子技術和數字電子技術仿真實驗內容上可以采取多種方式。

例如：在實現電路分析中典型實驗一階電路的“三要素法”時，從一階電路響應的求解中可以看出：一階電路（恒定直流輸入、非零初始狀態）各處電壓、電流按照指數規律變化到穩定值。總結出電路響應為：，f （t）、f （∞）、f （0_）這三個量值稱為動態電路的三要素，當t＞0時，任一i、u的表達式均可按以上公式求解電路響應。

結合理論公式，在編程設計方面，主要從兩個方面來考慮：一是前面板的界面直觀易懂、可操控性強；二是程序框圖中代碼執行效率高，運行響應迅速。根據實驗要求，綜合實驗板的元件參數選擇和示波器顯示波形，界面需要能輸入元件數值并可觀察結果圖像。這里選用典型的一階RL電路，電阻R1、R2、R3的阻值和電感L的電感量設計成輸入控件以便輸入不同元件參數得到不同波形，再放置顯示電流波形的模擬示波器控件，如圖1、圖2所示。

圖1為搭建的RL一階電路的電路圖，Us為60 V電壓源，R1、R2、R3為10 Ω電阻，L為0.3 H的電感，支路電流為I1、I2、IL，方向如圖所示。圖2為前面板中放置的用于顯示三個電流的模擬示波器顯示控件。IL顯示為長虛線，I1顯示為短虛線，I2顯示為直線。顯示的曲線按照電流三要素公式變化：。

任務功能的實現更多體現在程序框圖的設計上。在設計對應的流程圖程序時，一階電路電流量的求解是以三要素公式為依據的，所以在程序框圖中先建立一個公式節點的結構，并編輯電流I1、I2、IL的三要素公式，如圖3所示。

在公式節點外再建立For循環，創建輸入輸出節點。完整程序框圖如圖4所示。

運行程序，得到t＞0時三條支路電流I1、I2、IL的曲線，如圖5所示。

又如實現數據選擇器的仿真實驗，其結構如圖6所示，兩輸入真值表如圖7所示。

數據選擇器的仿真實現，依然通過前面板和程序框圖的編程來完成。為了貼近現實的數字電路實驗板，在前面板上布置地址輸入A1、A0指示燈、使能端 指示燈、四數據D0-D3輸入指示燈以及輸出指示燈。其中，地址輸入指示燈、使能端 指示燈和四數據輸入指示燈是可控元件，通過點擊觸發可切換指示燈的狀態。燈亮時表示邏輯1，燈滅時表示邏輯0，從而實現真值表中所有輸入賦值。輸出指示燈Y作為數據選擇結果，所以選用了只具有顯示功能的指示燈控件，前面板電路如圖8所示。

放置完前面板的各種控件之后，就要進入程序框圖的編程，這也是邏輯功能實現的核心部分。對于數字選擇器的編程，數據的來源有三部分：首先是配置D0～D3四個數據端的數值，接著是確定地址輸入端A1、A0所指定的需要被選擇數據的地址信息，最后就是控制端S的狀態。程序框圖如圖9所示，這里使用簇了數據的概念，簇是LabVIEW中常見的復合數據類型，簇中的數據都是相互獨立的，又具有各自的標簽和內容，這種數據結構能很好地將地址A1、A0和數據端D0～D3進行分層。將以上數據設置成簇數據后，再經過解除捆綁分離成單個數據，以便后續進行相應的邏輯運算。

為了驗證4選1數據選擇器的真值表，我們先輸入D0～D3的值，再輸入地址端A1、A0的值。令 =0即使能端有效（使能端 =1時結論如圖8所示）。運行該程序，結果如圖10所示。

實驗結果表明，虛擬儀器數據選擇器的前面板界面簡潔明了，操作簡單易懂，能實現4選1選擇器的全部功能，完全可以實現虛擬仿真。

又如全加器的設計實驗。根據如圖11、圖12所示的1位全加器電路結構圖和真值表，分別設計前面板和程序框圖，如圖13、圖14所示。

輸入A、B和地位進位CI的值，可以得到全加器的輸出及高位進位。

2.2? 學生參與開發建設

平臺建設過程中，需要學生具有電類課程知識和編程能力，所以可引導學生參與項目設計建設，將開發內容分為多個模塊，通過教師在課堂上講授原理，實驗室實際操作到虛擬仿真實驗體驗，最后實現由學生制定實驗測試方案，完成相應任務。整個過程中使得學生既加深了對電子技術課程專業知識的理解和掌握又能通過編程很好地鍛煉學生的程序思維，提升學生的綜合學習能力。

3? 在人才培養過程中的作用

3.1? 三個方面

貫穿虛擬仿真實驗平臺開發過程，從三個方面促進人才培養改革：一是層次實驗。根據實驗的教學定位、學生能力和興趣，將教學實驗分為基礎檢測實驗、綜合應用實驗、實戰探索實驗。二是學科結合。在虛擬儀器軟件搭建過程中，有機結合了多門學科知識，使學生進一步理清各專業課之間的聯系。三是課程設計。提出設計目的和要求，學生分組查找相關文獻和資料，制定實驗測試方案，軟件可提供豐富的器件選擇。

3.2? 四個維度

貼合職業教育發展，從仿真平臺的開發角度來看包含四個維度：一是課程服務。相關智能控制專業課程（如單片機技術、PLC控制技術、C語言等課程），都有相通的編程思想及組件，通過虛擬儀器開發，可加強學生對專業知識的掌握。二是開放實驗。以軟件即儀器為核心，完善實驗手段，扭轉了實驗設備和場地的局限，使得實驗在時間和空間上得到了有效的延伸，變成真正的開放實驗室。三是比賽能力。有了平臺的建設，我們就能靈活地設計實驗課程，學生從中能夠獲得與實際硬件類似的動手體驗，可將編程能力運用到各種電類、控制類的比賽中。四是本科教學。通過虛擬儀器的開發，逐步將開發過程變成工程案例，融入職業本科教學中，讓學生參與其中，拓寬實踐教學思路，鍛煉提升學生技能。

3.3? 提升教師信息化教學能力

緊貼數字教育主題，融入數字變革與教育未來，通過仿真實驗平臺的開發，能有效提升專業教師信息化教學科研能力，使得教學實踐更加多維化，以更好地適應優質教育改革和創新，推動數字技術與傳統教育的融合發展。

4? 后期可計劃發展方向

后期可延展工作主要包括兩個方面：一是開發適合職業本科的虛擬實驗室。結合職業本科所學專業課，綜合LabVIEW、Python等課程，建立適合職業本科教學科研的虛擬實驗室。二是設計和實現更多實驗模塊。覆蓋更多的知識點和概念，形成完整的虛擬實驗系統，全面配合傳統實驗教學。

5? 結? 論

相比單一使用傳統實驗室的教學模式和局限性，開展“信息技術+線上實驗教學”改革，基于LabVIEW軟件設計的電子技術實驗虛擬仿真平臺，能夠更好地完善實驗室使用手段，降低實驗室建設成本。通過虛擬平臺開發并進行教育教學改革，在提升學生電子技術相關知識的學習興趣，加強學生實驗動手能力以及培養學生計算機編程思維等方面都起到了較好的促進作用。

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作者簡介：翟逸飛（1983—），男，漢族，甘肅蘭州人，副教授，研究生，研究方向：智能控制的教學和研究。