電子仿真模擬器——電子教學(xué)及實(shí)訓(xùn)工具

仿真模擬器由操作盒及計(jì)算機(jī)軟件兩個(gè)部分組成，圖1所示是仿真模擬器的兩個(gè)工作場(chǎng)景。它的功能簡(jiǎn)單地說(shuō)就是：電腦軟件可以對(duì)不同的電路進(jìn)行仿真，模擬電路運(yùn)行時(shí)的現(xiàn)象，而操作盒則可以對(duì)仿真軟件進(jìn)行控制，操作仿真軟件中的電位器、按鈕、開(kāi)關(guān)等可控要素，以觀察這些要素變化時(shí)電路工作狀態(tài)的變化。這個(gè)設(shè)備既可以讓學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)的快捷與便利來(lái)學(xué)習(xí)電子學(xué)的知識(shí)，又可以避免學(xué)生“紙上開(kāi)機(jī)器”，通過(guò)操作實(shí)物電子器件營(yíng)造真實(shí)的學(xué)習(xí)氛圍。

計(jì)算機(jī)仿真軟件不僅可以對(duì)電位器、開(kāi)關(guān)、按鈕、LED等進(jìn)行仿真，還可以對(duì)光、熱、磁、觸摸等非電量進(jìn)行仿真，更接近于真實(shí)的電子電路工作場(chǎng)景。 

（a）音量指示電路                （b）光控流水燈

圖1   仿真模擬器的兩個(gè)工作場(chǎng)景

以下從硬件及軟件兩個(gè)方面來(lái)闡述電子仿真模擬器的工作原理。

仿真是電類專業(yè)重要的工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法，Multisim等仿真軟件被當(dāng)作是電類課程重要信息化資源，然而教學(xué)工作不等于開(kāi)發(fā)工作，專業(yè)仿真軟件雖然功能強(qiáng)大但并不完全適用于教學(xué)。教學(xué)中需要的仿真軟件與開(kāi)發(fā)需要的仿真軟件其仿真目的不同，使用者不同，使用過(guò)程也不同。

通過(guò)對(duì)課堂教學(xué)中仿真軟件需求的分析，通過(guò)可視化編程技術(shù)，以功能模塊為單元，構(gòu)造電子電路仿真軟件。仿真軟件由事件驅(qū)動(dòng)，內(nèi)建數(shù)據(jù)分析與處理單元，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的變量來(lái)計(jì)算運(yùn)行的過(guò)程。改變外界變量，即可改變電路運(yùn)行的結(jié)果。

以圖1中“光控流水燈”電路為例，將電路分為“電源電路”、“光控電路”、“頻率可調(diào)受控振蕩電路”和“CD4017電路”等幾個(gè)部分。打開(kāi)軟件后，通過(guò)菜單按鈕放置這些圖塊，然后通過(guò)簡(jiǎn)單地單擊鼠標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)這些功能模塊的連接。電路的變量包括：按鈕用來(lái)改變分壓電路設(shè)定端的電平，遮光罩與電筒用來(lái)獲得不同的亮度改變光敏電阻的阻值，電位器用來(lái)改變受控振蕩器的頻率，拔動(dòng)開(kāi)關(guān)用來(lái)改變CD4017的邏輯功能等。內(nèi)建的數(shù)據(jù)分析與處理單元包括：用數(shù)學(xué)模型描述單限比較器的工作過(guò)程；用數(shù)學(xué)模型描述振蕩電路的振蕩頻率；用邏輯模型描述受控振蕩電路的輸出；用數(shù)據(jù)模型描述CD4017的工作過(guò)程。

電子仿真模擬器的硬件部分框圖如圖2所示。電路由控制MCU、4路模擬量輸入、4路開(kāi)關(guān)量輸入、主控觸摸屏、功能單元顯示屏、USB接口等部分組成。其中每個(gè)模擬量輸入單元（電位器）及每個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入單元（開(kāi)關(guān)或按鈕）均配有相應(yīng)的功能單元顯示屏，以便與不同電路功能的仿真軟件匹配，從而快速獲得該元件的使用提示。

模擬量操作或者開(kāi)關(guān)量操作的結(jié)果被MCU處理后，通過(guò)串口通信上傳到仿真軟件，從而操縱仿真軟件中的被操作元件。

圖2 仿真模擬器的硬件組成

仿真軟件可以作為軟件獨(dú)立工作，也可與仿真模擬器（控制盒）一起工作。如果需要用到仿真模擬器，則應(yīng)在打開(kāi)軟件之前使用USB連接線將其與計(jì)算機(jī)的USB接口相連。連接后，仿真模擬器會(huì)有一個(gè)自檢的動(dòng)作，主控顯示屏及各分屏分別顯示自檢畫(huà)面，保證電路工作正常，自檢完成后如圖3所示，只有主控屏顯示“電子仿真模擬器”的主界面，其他各屏不顯示，等待上位機(jī)命令。

圖3 電子仿真模擬器開(kāi)機(jī)界面

打開(kāi)仿真軟件，各仿真軟件均帶有如圖4（a）所示的聯(lián)機(jī)圖標(biāo)，打開(kāi)軟件時(shí)會(huì)自動(dòng)尋找當(dāng)前可用串口號(hào)并加入列表，單擊下拉列表，找到串口號(hào)，如圖4（b）所示，單擊連接圖標(biāo)，如果成功聯(lián)機(jī)，連接圖標(biāo)會(huì)改變顏色，如圖4（c）所示。

（a） 聯(lián)機(jī)圖標(biāo)       （b）下拉列表找到可用串口      （c）成功聯(lián)機(jī)

圖4 聯(lián)機(jī)圖標(biāo)

一旦聯(lián)機(jī)成功，控制盒上主控屏即顯示仿真電路的名稱，同時(shí)所有用到的操作要素前的顯示屏點(diǎn)亮，簡(jiǎn)單介紹其功能或操作提示或與電路匹配的標(biāo)號(hào)。如圖5所示是兩個(gè)仿真軟件成功聯(lián)機(jī)后控制盒分別顯示出來(lái)的內(nèi)容。 

（a）電池電量指示電路         （b）光控流水燈電路

圖5 兩個(gè)仿真軟件聯(lián)機(jī)會(huì)控制盒分別顯示的內(nèi)容

從圖中可以看到，對(duì)于電池電量指示電路來(lái)說(shuō)，它有3個(gè)可操作要素即RP1、RP2和RP3，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)電位器。而光控流水燈的可操作要素更多一些，分別是左上角的電源電壓調(diào)整、RP1和RP2分別對(duì)應(yīng)3個(gè)電位器，以及K1和K2兩個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)。

以光控流水燈控制電路為例，其仿真軟件運(yùn)行的界面如圖6所示。操作左上角的電源電壓調(diào)整旋鈕，可以改變?nèi)鐖D6左下角穩(wěn)壓電源的輸出電壓（當(dāng)前值為16.71），當(dāng)該電壓值低于8V時(shí)，其右側(cè)由7805構(gòu)成的穩(wěn)壓電源工作不正常（該參數(shù)由7805數(shù)據(jù)手冊(cè)提供），電路其他部分也不能正常工作。只有當(dāng)該電壓值大于8V時(shí)，電路才能正常工作，由于該穩(wěn)壓電源最大輸出值為30V，不超過(guò)7805的最高輸入電壓（數(shù)據(jù)手冊(cè)提供：35V），因此軟件中沒(méi)有設(shè)計(jì)7805因輸入電壓過(guò)高而損壞的界面。調(diào)節(jié)RP1，使得運(yùn)放3腳電壓（2.55V）超過(guò)2腳電壓（2.5V），即可令1腳輸出高電平從而讓受控振蕩電路工作輸出矩形波，該輸出信號(hào)送入到CD4017電路模塊，驅(qū)動(dòng)LED燈流動(dòng)顯示。調(diào)節(jié)RP2，可以調(diào)整受控振蕩電路的輸出頻率，從而改變燈流動(dòng)的速度。

圖6  光控流水燈仿真軟件操作界面

本機(jī)操作中可根據(jù)需要，單擊主控屏的“設(shè)故障”按鈕進(jìn)入設(shè)置故障頁(yè)面，如圖7所示。使用者根據(jù)題目要求設(shè)置故障，然后根據(jù)調(diào)試中出現(xiàn)的現(xiàn)象，回答試卷中關(guān)于故障可能產(chǎn)生的原因或者排除的方法。

圖7 故障設(shè)置

本機(jī)通過(guò)USB接口獲取工作電源，不需要另配電源。

四、電子仿真模擬器硬件電路

電子仿真模擬器電路極為簡(jiǎn)單，就是一個(gè)帶有AD轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，連接一個(gè)串口顯示屏、多個(gè)OLED顯示屏、多個(gè)開(kāi)關(guān)、多個(gè)電位器等組成。（說(shuō)明：以下原理圖中有10個(gè)OLED顯示屏，是第二代版本）

五、軟件設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)包括上位機(jī)軟件和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)使用C#編寫(xiě)，單片機(jī)程序使用Keil C51編寫(xiě)。單片機(jī)程序比較簡(jiǎn)單，主要包括OLED驅(qū)動(dòng)顯示、串口屏通信、AD采樣、開(kāi)關(guān)量采樣、上位機(jī)通信等幾個(gè)部分。主要的功能是通過(guò)與上位機(jī)通信，解析上位機(jī)指令，并根據(jù)指令在相應(yīng)的OLED功能模塊上顯示相應(yīng)的內(nèi)容，采集開(kāi)關(guān)量狀態(tài)、電位器分壓器的模擬量并通往上位機(jī)，與串口屏通信，向串口屏轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)傳來(lái)的指令等。

 上位機(jī)程序根據(jù)教師的教學(xué)要求，將待仿真的電路分成電源、放大、驅(qū)動(dòng)等“功能模塊”，學(xué)習(xí)者可以通過(guò)拖放的方式來(lái)組合電路，組合完成以后運(yùn)行電路，通過(guò)電位器、開(kāi)關(guān)等各種可操作的部分來(lái)調(diào)試電路，并將電路的工作狀態(tài)如輸出電壓發(fā)生變化、波形發(fā)生變化、驅(qū)動(dòng)的LED發(fā)光等用模擬的方式顯示出來(lái)。這里的操作可以有兩種方式——純軟件方式和軟硬件結(jié)合的方式。軟硬件結(jié)合的方式是通過(guò)與電子仿真模擬器連接，使用該模擬器上的電位器、開(kāi)關(guān)、按鈕等來(lái)操作并且反饋回來(lái)，這可以用于模擬實(shí)訓(xùn)。純軟件方式則是通過(guò)操作軟件上的電位器、開(kāi)關(guān)、按鈕符號(hào)送出模擬數(shù)據(jù)，這可以用于課堂教學(xué)。