数字电子技术虚拟实验系统的建设与应用

周　鹏　李　芳

【摘要】在网络教育和远程教育中，如何高效地开展实验教学是教育管理者普遍关心的问题。通过互联网络，开展虚拟实验教学是解决这一难题的有效途径。在全日制高等教育中，虚拟实验也将成为传统实验教学的一种重要补充。根据实验课程建设的需要，开发了一套数字电子技术虚拟实验系统。该系统目前已应用在实际的实验教学中，取得了令人满意的效果。详细介绍了该系统的总体设计思路和具体的实现方法，并对实际应用情况作了简单说明。

【关键词】实验教学；虚拟实验；数字电子技术

【中图分类号】G40–057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2007）01—0121—03

一 引言

在网络教育和远程教育中，受时间、空间、成本等多方面因素的限制，如何高效地开展实验教学是困扰教育管理者的一大难题。虚拟实验的出现，为解决这一难题提供了一种有效途径[1]。在全日制高等教育中，虚拟实验也可作为传统实验的一个重要补充，既能节约大量经费，又使实验在时间和空间上得到了有效的延伸。随着近年来计算机仿真技术和互联网络的快速发展，实验教学的虚拟化、网络化具备了良好的发展条件[2]。

数字电子技术是电子与信息类专业一门实践性很强的基础课程，为使学生更好地理解和掌握课程的基本理论和方法，必须通过实验手段加深理解。对于网络教育和远程教育的学习者，由于各种实际因素的制约，难以到学校实验室完成这些实验。全日制教育的学生也受到实验场地、时间、元器件更新慢等多种因素的制约。为此，有必要通过虚拟实验系统来解决这些问题。很多高校都自主开发了数字电子技术课程的虚拟实验系统[3-7]。但多数系统的开发过程基本上只是将纸质的实验教材按每次实验为一个单元实现“虚拟化”。这种开发模式存在着功能较弱、开发工作量大、重复开发、不支持设计性实验等缺点。考虑到数字系统都可以用逻辑真值表进行统一描述，完全可以开发出一个通用型的实验平台。基于这种指导思想，我们开发了一套通用化的数字电子技术虚拟实验系统。

二 系统的设计与实现

1总体设计思路

系统的总体设计采用“组件化”、“标准化”的开发思路。具体来讲，就是用面向对象的思想将实验中可能使用到的各种器件，如：电源、信号源、时钟、导线、开关、分立元件、常用逻辑芯片、发光二极管、数码管、万用表、示波器等制作成标准器件，形成“标准器件库”[8]。另外对于所有实验中的公共功能，如：布线/拆线功能、连线正确性检查、电路逻辑功能的模拟、输出结果的计算等专门抽取出来，设计成“公共功能组件”。依据“标准器件库”和“公共功能组件”可开发出功能强大的、易于扩充的、通用化的虚拟实验平台。

2 实验平台的实现

整个平台的搭建过程分为四个阶段，分别是“标准器件的设计”、“公共功能组件的设计”、 “事件管理器的设计”和“标准器件库的扩充”。目前我们已完成前三个阶段的开发工作，有了这几个阶段的工作，系统就可以开始试运行了。第四阶段主要是对系统进行补充和完善。下面对前三个阶段的工作做详细介绍。

第一阶段“标准器件的设计”的任务就是将实验中可能用到的各种基本元件、逻辑芯片、仪器仪表等进行虚拟化。我们利用面向对象的设计思想，分别设计了各种元器件对应的对象类。这些对象类实现了对各种实验器材的高度抽象。以对逻辑芯片的模拟为例，虽然各种芯片千差万别，但只需设计一个“芯片”类就能实现统一的描述。具体来讲，只需设计“芯片”类包含名称、外观、管脚数、管脚编号、管脚类型、真值表等属性即可实现对所有芯片的统一描述。

第二阶段“公共功能组件的设计”的任务是实现所有实验中都需具备的公共功能，主要包括：“布线/拆线”、“连线正确性检查”、“管脚电平的实时计算”等。“布线/拆线”功能是使学生能像在实际实验中一样对放置在操作平台上的器件进行接线，当发现接线错误时也可以将错误接线去除。为实现这一功能，平台中所有器件和仪表的每个接线端都设计有接线孔。当学生触发布线或拆线按钮后，接下来只要选定两个接线孔，系统就能自动在这两个接线孔间实现布线或拆线。每布完一条线，系统会自动记录，并写入“布线信息表”；每拆除一条连线，“布线信息表”中的相应信息也会自动删除。系统中专门设计一个“布线信息表”的目的是进行连线检查。“连线正确性检查”功能就是对“布线信息表”中的每一组信息进行检查，看其是否满足检查规则。我们是通过“逻辑正确信息表”和“逻辑错误信息表”来实现检查的。所谓“逻辑正确信息表”，是指要求表中的每一条规则都必须得到满足，否则判定接线错误。如：芯片的电源管脚必须连在电源上，地管脚必须接在地上等。所谓“逻辑错误信息表”，是指只要表中的某一种情况在实际接线中发生了，就判断接线错误。如：某芯片的输出管脚与电源连接在一起、某芯片的输出管脚与地连接在一起、某芯片的输出管脚与控制端连接在一起等异常情况。通过这两个信息表的共同制约，系统可以很好地完成连线检查的功能。需要说明的是，这里进行的连线正确性检查并不是对某一个特定电路进行检查，而是可以对平台上搭建的任意一个电路都能进行判断。通过连线检查后，就可接通电源进行电路测试了。系统这时必须能实时计算出各个节点的电压和各条支路的电流。其中，芯片各管脚电平的计算最为关键。系统计算的过程与手工计算过程类似，即：首先计算出各芯片输入和控制管脚的电平值，然后再根据真值表，计算输出管脚的电平值。对于输入和控制管脚有逻辑1、逻辑0和悬空三种状态，其具体取值受控制源的影响。控制源通常包括电源、地、高低电平控制开关或者是其它芯片某个管脚的输出。需注意的是，当实验中出现多个芯片时，会出现芯片级联的情况。后一级芯片管脚电平在计算时，依赖于前一级芯片。因此，系统必须能根据实际的接线情况“分析”出芯片间的级联情况。这些信息可通过对“布线信息表”进行处理后得到。

第三阶段“事件管理监听器设计”主要是完成监视事件发生、维护事件队列和向组件转发消息等任务。直观地讲，就是响应学生在做实验过程中的拨动开关、转动旋钮等操作以及计数器溢出等系统自动触发的事件。

三 操作界面

图1示出了我们所开发的虚拟实验平台的主功能界面。如图所示，操作界面划分为三个功能区，分别是操作区、元器件取用区和接线控制区。

操作区是操作者的实验使用区域。在这个区域中，可以进行实验电路的搭建、故障检测以及电路功能的测试。

元器件取用区为使用者提供了实验中常用的仪器设备、元器件和逻辑芯片。使用者可以根据需要进行自由选择。另外，为方便使用者的操作，还提供了元器件的搜索功能。

接线控制区用于完成搭建电路过程中的连线、拆线功能。另外还提供了多种颜色和不同粗细度的连线方便操作者使用。

四 系统的应用情况

目前这套系统已应用于我校远程教育学院《数字电子技术》课程的实验教学中。利用该系统，学生不仅可以完成实验教学大纲中要求完成的基本实验，还可以根据自己的兴趣自行设计、搭建、调试一些电路。实验项目的安排完全可以根据学生自己的学习进度进行，实验项目的开展不再受时间和空间的限制，为学生提供了极大的方便。

为了配合虚拟实验系统的使用，我们还专门开发了一个实验教学网站。图2示出了该网站的首页。在网站中，提供了实验操作说明、仪器使用演示和一些典型演示性实验，学生在熟悉相关说明及操作后，就可利用虚拟实验系统自主进行实验。

五 结束语

本文阐述了数字电子技术虚拟实验系统的总体设计思路和实现方法，并简单介绍了其实际应用情况。该系统不仅能让学生完成教学大纲中所要求的基本实验，还能满足学生开展创新性实验的要求。该系统的开发促使远程教育的实验教学活动得以有效开展，为将来网络实验室的建设积累了一定的经验。

需要说明的是，目前系统中所有的元器件还都只是理想化的元器件。下一步的工作重点是引入常用元器件参数特性的误差模型，使实验结果更加接近真实情况。

参考文献

[1] 王泰健.虚拟电子实验网络教学平台的开发与实践[J].中国远程教育,2005,(2):66-68.

[2] 顾晓洁.网络虚拟实验教学的探索与实践[J].电气电子教学学报,2005,27(6):86-89.

[3] 张春芳,马志彬.数字电路虚拟实验的建模与仿真[J].电脑开发与应用,2006,19(9):36-37.

[4] 彭珠.基于网络的数字电路虚拟实验软件设计与实现[J].微计算机应用,2006,27(1):42-45.

[5] 吴为团,郑海燕.数字电路虚拟实验系统的研制[J].青岛建筑工程学院学报,2002,23(2):79-81.

[6] 刘银萍,陈惠珊.数字电子技术实验教学改革的探讨[J].实验室研究与探索,2006,25(8):981-983.

[7] 孙荣平,戚甫峰.基于多媒体仿真技术的电路与电子技术虚拟实验教学系统[J].实验技术与管理,2001,18(4):46-49.

[8] 范新伟,申瑞民,申丽萍.虚拟实验标准化的研究和解决方案[J].计算机仿真,2005,22(1):175-179.