電子仿真模擬器配套教學仿真軟件開發(fā)

摘要：通過對仿真教學的研究，發(fā)現(xiàn)教學與設計對仿真要求的不同，自行開發(fā)教學仿真軟件。文中通過對教學仿真軟件需求的分析，以所開發(fā)軟件為例，進行了模塊劃分、功能分析，介紹了開發(fā)過程、開發(fā)工具、開發(fā)方法。

與該軟件配套的硬件設備請見：http://m.butianyuan.cn/zhuanlan/323260.html

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利用信息技術創(chuàng)新教學的模式與方法 ，是加快推動信息技術與教育教學深度融合的重要途徑。仿真是電類專業(yè)重要的工程設計與開發(fā)方法，Multisim等仿真軟件被當作是電類課程重要信息化資源，然而教學工作不等于開發(fā)工作，專業(yè)仿真軟件雖然功能強大但并不完全適用于教學。作者開始對教學需求進行分析，自行開發(fā)了一些教學仿真軟件。以下通過對實際案例的分析來說明一般仿真軟件與教學仿真軟件的區(qū)別，教學仿真軟件的開發(fā)方法。

1.教學仿真軟件與仿真軟件、教學課件的區(qū)別

仿真技術是信息化教學的重要方法，教學仿真與一般意義上的仿真軟件不同。

1.1仿真目的不同

仿真的目的是探索，用其驗證自己的設計，找到設計中的問題。也就是說，仿真軟件仿真的對象往往是使用者沒有實現(xiàn)過的電路，這就要求仿真軟件要仿得“真”，元器件模型的數(shù)學描述必須盡可能地與真實的元器件保持一致，理想的情況是仿真正確后實物搭出來也正確。

教學仿真的目的是學習知識，它所要“仿”的電路都是經(jīng)過實踐驗證是正確的電路，或者是經(jīng)無數(shù)人驗證的經(jīng)典電路，它的“仿真”是指模仿這個電路的真實工作過程，讓學習者知道這個電路的工作過程。

1.2仿真使用者不同

仿真軟件的使用者是有經(jīng)驗的工程師或者相當于此的學生，使用仿真軟件覺得比較“真”，是因為他們在實際工作中已熟練地使用萬用表、示波器、信號發(fā)生器等各種儀器，通過觀察各點電壓值、波形等來獲取電路的信息，一接觸到仿真軟件中幾乎與實物一致的儀表界面、測量方法立即會覺得非常熟悉、非?！罢妗?。教學仿真軟件的使用者通常都沒有工作和訓練經(jīng)歷，哪怕再逼真的儀表界面、操作過程仍不能仿學生有“真”的感受。因此，不同的使用者，對于“真”的要求不同。

1.3仿真使用過程不同

仿真軟件是使用者自主探索，而教學仿真一般是在老師的指導下使用，是老師設計的教學方案中的一部分資源，同時在使用時可以可獲得幫助。仿真軟件有各類功能強大的儀表，卻沒有諸如聲源、熱源、光源、觸摸等實際電路測試所需要功能的模擬。

1.4開發(fā)難度不同

仿真軟件需要盡可能正確地“模仿”真實的器件，這需要對于電子器件有深入的研究、建立強大的數(shù)學模型；仿真軟件的各種元器件可以任意地組合（不管這種組合是否合理），需要設計精密的算法，防止各種邏輯錯誤、數(shù)學錯誤等產生。而教學仿真軟件是針對成熟電路的仿真，不論是電路還是電路中的參數(shù)都是經(jīng)過驗證是正確的；對于其功能的要求也限于中職至多本科教科書上的公式，不會涉及更高深的知識；電路的參數(shù)測試點是預先設定的。

1.5教學仿真軟件與教學課件的區(qū)別

教學課件是預先錄制的，即便加上一些簡單的交互，只是預設的答案，給人的感覺是“游戲”而不是“仿真”，沒有操作仿真軟件時的那種真實感。教學仿真軟件可以調節(jié)電位器面板，可以單擊按鈕，可以拔動開關，隨著調節(jié)、單擊、拔動，波形會變、數(shù)值會就、顯示效果會變，這一切盡可能真實地營造了與真實實驗一致效果，這是教學課件無論如何也無法相比的。

2.教學仿真軟件的需求

開發(fā)教學仿真軟件首先要選擇適當?shù)碾娐纷鳛殚_發(fā)對象，其次要對這些電路進行分析，分解出電路模塊，分析出哪些知識點是需要進行呈現(xiàn)的，最后設法用代碼和工具將其呈現(xiàn)出來。

2.1符合電路的工作原理

教學仿真軟件所選擇的電路一定是經(jīng)過實踐驗證是正確的，例如，本人目前所開發(fā)的仿真軟件電路全部都已做成實際的電路板，根據(jù)實物調試后記錄的數(shù)據(jù)及相應的理論知識來設計軟件。當然，所選電路也可以是公認的、經(jīng)典的電路，例如運算放大器電路、整流濾波電路、分壓式偏置電路、負反饋放大電路等。

2.2符合學習者當前學習階段的要求

教學仿真也是仿真的一種，應建立在電子、電工學模型的基礎上，但它又不同于一般仿真軟件，其知識體系只需要基于教材中的知識。例如，對于當前教學仿真軟件中的三極管放大電路，專業(yè)仿真軟件需要設置或者使用默認晶體管的數(shù)十個參數(shù)，而教學仿真軟件應用對象是中、高職學生，那么只需要按教科書上的公式代入計算，其他參數(shù)既不需要也不應該加上。

3.教學仿真軟件的開發(fā)實踐

教學仿真軟件的開發(fā)，需要選擇合適的開發(fā)工具，對開發(fā)過程進行科學的分析，然后才能進行開發(fā)工作，以下通過一些實例來描述開發(fā)過程。

3.1教學仿真軟件的開發(fā)工具

教學仿真軟件需要綜合利用圖形、圖像、視頻、動畫、數(shù)據(jù)處理等元素，其中的核心是數(shù)據(jù)處理，即要有運算能力，按電路的數(shù)學模型來獲得不同的結果。與課件相比，畫面的真實感等并不是最主要的，說到畫面的真實，又如何比得上實物更真實呢。因此，一般課件制作用的PPT、FLASH等就不是最佳選擇了。作者選擇了快速開發(fā)（RAD）工具Visual Studio，編程語言選擇了C#，也可以使用Visual Basic等其他編程語言。

3.2 教學仿真軟件開發(fā)的實踐

教學仿真軟件選擇帶有模塊化設計思想的電路作為開發(fā)對象，這類電路將各部分功能模塊化，模塊功能相對獨立，各模塊連接關系較為清晰，便于分析講解。下面以若干例子來講解開發(fā)過程，其中第1個例子詳細解說，其他例子則作簡單介紹。

1.光控流水燈教學仿真軟件

光控流水燈電路可分成了以下一些功能模塊：電源模塊；光敏電阻檢測模塊；可控振蕩電路模塊；CD4017十進制計數(shù)器模塊。

光控流水燈實物

（1）電源模塊

使用7805作為穩(wěn)壓集成電路，在輸入端接入合適的電源后，能提供5V電源給后級電路使用。關于此模塊可以設計兩個仿真功能：①按數(shù)據(jù)手冊，7805的輸入電壓在低于8V時不能保證其輸出電壓的穩(wěn)定。為此，將外部供電電源設置為可調，當穩(wěn)壓電路輸入電壓高于8V時，輸出5V電源，電路工作正常。輸入電壓低于8V時，輸出電壓按0.6乘以輸入值來計算。②按數(shù)據(jù)手冊，7805的輸入電壓最大為35V，當外部供電電壓超過35V時7805損壞，編程呈現(xiàn)芯片燒毀的畫面并讓輸出電壓降為0V。

（2）光敏電阻檢測模塊

這個功能模塊使用運放制作的比較器來實現(xiàn)，光敏電阻與電位器串聯(lián)，其連接點作為比較器的同相端輸入，運放的反相端接固定電阻分壓器的中點。預設光敏電阻的阻值為20K，此阻值使得無光照無遮擋時模塊輸出低電平。使用遮光罩（一個黑色的圓形圖案）移向光敏電阻上方時，電阻值不斷增加，同相端電壓上升，當遮光罩達到一定位置時，比較器輸出高電平。

單擊電位器圖標調出電位器調節(jié)面板，調整電位器阻值，使比較器開始時輸出高電平。然后使用電筒圖案模擬光源，接近光敏電阻，令光敏電阻阻值下降，同相端電位下降，最終使得輸出變?yōu)榈碗娖健?/span>

本模塊中用到電位器調整界面，可以用鼠標或者在觸摸屏上用手指來調整阻值大小，用到label控件，顯示同相端和反相端的電壓值；用到七段數(shù)碼管顯示控件做成電壓表；用到picbox控制顯示的亮/滅狀態(tài)的發(fā)光二極管圖片。這樣，光敏電阻檢測功能模塊就很形象地演示出了光敏電阻檢測的過程，讓使用者了解到其工作原理、電位器的用途、比較器工作原理等知識。

（3）可控振蕩電路模塊

這是用555電路制作的振蕩電路，第4腳被引出成為控制端，當該端為高電平時，振蕩電路工作，為低電平則不工作。電路中有電位器，可以調出并調整阻值。輸出端設計了panel制作的示波器面板，其中放置一個picbox作為繪圖區(qū)，其余空白區(qū)域放置3個label，分別顯示其頻率值、高電平持續(xù)時間和低電平持續(xù)時間。電位器面板調出后，其位置變換事件不斷調用計算及繪圖函數(shù)，獲得真實的波形圖。

（4）CD4017流水燈模塊

CD4017在輸入端CLK脈沖的作用下，其輸出端Q0~Q9所接發(fā)光二極管依次點亮。在發(fā)光二極管圖案上方放置一個panel，在panel中放置10個picbox，通過編程來判斷Q0~Q9的狀態(tài)，然后根據(jù)這些狀態(tài)值分別為這些picbox調入亮/滅LED的圖案，即可形成真實的仿真。在輸出端Q6~Q9端，分別接入4位指拔開關的輸入，指拔開關的另一端通過二極管隔離后加到復位端。當某個引腳變?yōu)楦唠娖綍r，若相應位的指拔開關處于接通位置，則該位的高電平將加到復位端，使得CD4017復位，回到原始的狀態(tài)，即復位開關可以使得燈的流動提前結束。從接法來看，可以實現(xiàn)7、8、9、10共四種不同的燈流動的效果。這個功能模塊可以接到前一級可控振蕩電路的輸出端，當振蕩電路有輸出時，LED燈依次流動，調整振蕩頻率時，燈流動的速度也隨之發(fā)生變化。還可以將此電路接入專門設計的一個單脈沖發(fā)生器電路上，隨著脈沖發(fā)生器上按鈕的不斷動作，讓CD4017輸出端的LED燈依次點亮。這個功能可讓學生觀察CD4017的CLK端究竟是上升沿起作用還是下降沿起作用。

綜上所述，光控流水燈的各個功能模塊既可以單獨使用以測試其功能，又可以將它們連起來形成一個整體，獲得完整的功能體驗。這其中包括很多的可操作對象，例如可以調整輸出的穩(wěn)壓電源、可以點擊的測試按鈕，可以調整的比較器預設值，可以調整的振蕩電路頻率、可以設置的拔動開關等，可操作性很強。而各種操作也能通過燈的亮、暗變化、波形的改變、數(shù)據(jù)的顯示等直觀地表達出來。這樣的仿真軟件，既便于老師安排相應的知識點講解，也便于學生自主學習。

2.音樂蠟燭教學仿真軟件

    音樂蠟燭是可以用打火機“點燃”用嘴吹滅的電子蠟燭，點燃的蠟燭會唱生日快樂歌，同時有LED隨歌聲搖曳發(fā)光，十分逼真。電路可以分為熱敏電阻檢測、聲音檢測、比較器電路、RS觸發(fā)器、音樂集成電路等部分。仿真軟件中，熱敏電阻在熱源（打火機圖形）接近時阻值不斷下降，音樂電路可以在滿足工作條件時顯示動態(tài)變化的揚聲器圖標并播放“生日快樂”歌。電路功能模塊中RS觸發(fā)器、音樂集成電路等既可以與其他電路連成一個整體也可單個模塊進行測試，軟件提供高電平、低電平等測試功能模塊，即可分別測試這些功能模塊的工作過程，理解其工作原理。

3.電量檢測電路

電量檢測是利用一種新型的電量指示管來顯示可充電電池供電量的多少。這里采用電壓測量法，使用LM317可調穩(wěn)壓電路模擬電池電量的變化、TL431基準源電路、恒流電路為核心構成的測試基準電壓生成電路、比較器電路、采樣電路、電量管電路等部分組成。其中LM317、恒流電路、基準生成電路中均包括電位器，可以分別用作電池端電壓模擬、恒流電流大小調節(jié)，基準電壓調節(jié)等功能，有顯示儀表，可以顯示電壓值、電流值、基準電壓值等。

4.觸摸及聲控報警電路

觸摸報警電路利用人體感應電壓觸發(fā)555單穩(wěn)態(tài)電路，利用話筒放大聲音驅動反相器電路組成的單穩(wěn)態(tài)電路，實現(xiàn)觸摸/聲控后報警并具有延時功能。電路分為XL1509電源模塊、觸摸檢測電路、聲音檢測及延時電路、或門電路、音樂電路等部分。仿真軟件中設計了手指形圖塊，移到觸摸檢測部分的觸摸板上可令其輸出為低電平，并且保持一段時間，時間長短可由電路中的電位器調節(jié)。聲音檢測電路在聲音圖標出現(xiàn)并達到合適距離后，使其輸出由低電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)反相器反相后，驅動指示二極管發(fā)光，表示聲音強度已足夠，并給電容快速充滿電，再經(jīng)變換后輸出同樣變?yōu)榈碗娖?，送到或門電路；當聲音圖塊移去，輸入端的LED指示燈立即熄滅，而由于電容放電作用，輸出端會延時一段時間再變回高電平，因此輸出指示燈還會亮一段時間，這段時間可由電位器調節(jié)。不論是哪一路信號送入或門電路，或門都將輸出低電平，驅動音樂集成電路，令其顯示揚聲器圖標并播放報警聲。各部分電路除可以組合成完整的功能外，均可以單獨進行測試，以分別理解各功能電路塊的作用。

電路搭建中

搭建完成并在教學中應用

3.3 RAD開發(fā)工具

RAD工具的好處在于可視化的編緝與操作，通過簡單的拖、放控件可設計出所需要的界面。然后通過編程實現(xiàn)各個控件之間的邏輯關聯(lián)，即可完成開發(fā)工作。以目前所開發(fā)的教學仿真軟件為例，它們所需要的控件基本上就是“l(fā)abel”、”toolstrip”、”picbox”、“panel”等幾種類型。label用于顯示各類提示、運算的結果等，toolstrip用于設計菜單，picbox用于存放各類圖片，panel用作容器，可以在其中放置多個picbox、label等其他控件，組成復合圖案。通過設置控制的visiable屬性即可令其顯示出來或者隱去，也可以利用其left、Top、width、height等參數(shù)靈活地實現(xiàn)其尺寸、位置的變化。

4.仿真教學軟件開發(fā)的問題

仿真教學軟件對于開發(fā)者的要求較高，開發(fā)者必須具有專業(yè)電子知識，這樣才能選擇合適的電路來進行開發(fā)；開發(fā)者還必須是優(yōu)秀的教師，這樣才能將電路分成合適的模塊，并且安排各模塊的功能及需要測試的功能，安排好仿真的內容。仿真教學軟件還需要編程，不論是使用C#、VB或者其他編程語言，它總是要比PPT的制作要難一些。當然，PPT的制作也并不容易，不過，制作PPT時，實在做不下去時，隨意做幾個頁面，放一些文字或圖片也能實現(xiàn)，只是質量很差。涉及到編程就無法用這樣的方法了。從這個意義上說，仿真軟件開發(fā)更難一些。但實際上，不論做什么，想要做得好就沒有容易的。

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