基于信息化教学的电子信息类专业仿真教学模式的探究

□郑雅伟

(山西经济管理干部学院,山西 太原 030024)

1 研究背景

近年来,信息化技术作为一种现代化技术手段,已经渗透到各行各业,极大地推动了各行各业工作效率的提升。与此同时，教育部正在大力倡导信息化教学的实施,推进信息化教学的普及。在信息化教学中，教学手段的信息化，是电子信息类专业信息化教学改革的主要探索方向。

随着电子信息类专业人才缺口的日益增大,高校电子信息类专业不断扩大招生规模的同时,越来越多的高校感受到了人才培养带来的巨大压力。一方面体现在实训条件不足。电子信息类专业对于实训条件的需求,远高于其他大部分专业,平均每个专业需要8～15个不同类型的实训场馆,由于专业交叉面广,大部分实训场馆可以兼容2～5个不同专业的实训教学,但一个成熟的电子信息类专业群所需要的实训场馆大概为20～30个,平均每个实训场地的造价都在20万～50万元之间,有的甚至超过百万。由于技术的发展日新月异,基本上所有的实训场馆都需要不断改造升级甚至淘汰重建。大部分高校的电子信息类专业的实训条件都处在捉襟见肘的状态,每年大量的资金投入,成为限制电子信息类专业人才培养的巨大瓶颈。另一方面,随着物联网、大数据、云计算等新兴专业的产生,新课程和新知识对于教学手段的要求更高，知识点的呈现需要更直观，教师和学生间的互动环节需要更丰富。传统的教学手段效率低下,教学实施过程中直观性差,互动环节不足,已经很难满足新形势下对专业教学的要求。

在这种专业发展的大环境下,如何能够一劳永逸地解决实训教学需求,改进传统效率低下的教学模式,已经成为电子信息类专业建设人员思考的一个课题。近年来,电子信息虚拟仿真技术飞速发展，并且与信息化教学手段高度契合。虚拟仿真实训技术正在从高科技企业科研人员群体逐渐向高校人才培养中推广,如果能建立一个完整的一体化虚拟仿真实训平台,一方面可解决高校电子信息类专业发展资金不足、实训场馆不够的问题,同时也响应了教育部对于信息化教学模式的号召。

2 研究意义

电子信息类专业的主干课程有电子电路技术、计算机网络技术、嵌入式系统技术、电子测量仪器技术、软件技术、移动通信技术等。目前在高科技企业科研活动中,流行很多仿真开发平台,如电路仿真软件Multisim、PCB设计及仿真软件Altium Designer、单片机及嵌入式仿真软件Proteus、工程制图软件Visio、射频技术仿真软件HFSS、虚拟操作系统环境Vmware等虚拟仿真软件,这些软件无需硬件的投入,即可构建一个较为完整的技术开发环境,该环境具有以下方面的优点:(1)实训环境易于搭建。学校只需要投入一个多媒体机房,即可构建一个一体化仿真平台。(2)实训环境易于复制。学生可以利用个人电脑搭建实训环境,基本解决了学生离开实训室无法进行实训的突出问题。(3)设备库、元件库丰富,涵盖课程标准中各个实训项目所涵盖的所有元器件及设备,远远超过传统实训场馆的设备及元件数量。(4)支持课程众多,从专业基础课到专业课,涵盖一半以上的专业核心课程。(5)资源共享更加便捷深入,更利于学生在课余进行学习交流。(6)后期维护方便,操作更加可靠,避免了各种电力安全隐患。(7)可以为学生的毕业设计提供完整的解决方案。(8)更有利于高校的师资培养、科研水平和服务社会能力的提升。

3 教学实施

3.1 单片机开发技术仿真

单片机相关课程是电子信息类专业的核心主干课程。单片机种类繁多,常见的有MCS-51系列、430系列、PIC系列、AVR系列、ARM系列等,每个系列的单片机,型号都有成百上千种。不同系列的单片机,体系结构和指令系统千差万别,开发环境和调试工具链亦多种多样。任何一种单片机实训平台,都只能满足某种单一型号的单片机技术的实训,随着单片机技术的不断发展,各种低功耗、高性能的单片机不断面世。首先,单片机实训平台的一次性投入成本较高,且不断面临着被淘汰出主流系列的风险;其次,单片机的外设电路也在根据市场需求不断推陈出新,如通信外设电路、逻辑驱动外设电路、显示外设电路等;最后,实训平台的设备维护、场地建设,也将进一步提高实训场馆的建设成本。所以,如何建设一种虚拟实训环境,以满足单片机技术持续发展的需求,是虚拟一体化仿真实训平台建设的当务之急。

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件,它不仅具有常用EDA工具软件的仿真功能,如模拟电路及数字电路的仿真,还能够进行单片机及其外围电路的仿真,受到众多单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真(如图1),一键切换到PCB设计(如图2),真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,近年来的新版本,又增加了Cortex和DSP系列处理器,并将持续增加其他系列处理器模型。在编译方面,它支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器环境。

图1 Proteus的单片机电路设计及仿真界面

图2 Proteus的PCB设计界面

Keil是一款应用非常广泛的单片机软件开发工具,包括ANSI C编译器、宏汇编程序、调试器、连接器、库管理器、固件和实时操作系统核心(real-time kernel)(如图3)。据统计，有超过10万名微控制器开发人员在使用这种得到业界认可的解决方案。Keil C51编译器自1988年引入市场以来成为事实上的行业标准,并支持超过500种8 051变种。2011年,Keil平台被全球32位微处理器的领导者ARM公司收购,ARM Keil随即推出基于μVision界面,用于调试ARM7、ARM9、Cortex-M内核的MDK-ARM开发工具,用于控制领域的开发,Keil软件开始完美支持ARM系列微处理器。Keil开发平台可以完美地解决当前各种系列单片机及嵌入式课程中的编译及软件仿真平台的问题。

图3 Keil-ARM的软件仿真界面

Proteus提供了完整的硬件设计和系统调试环境,Keil提供了完整的软件编译和仿真环境。本案例旨在二者常规应用的基础上,设计出一个完整的仿真工具链,可以让学生完成从电路设计、单片机外围设计、软件设计、软硬件联调、仿真联调、系统联调等完整的项目开发过程,整个过程无须任何实物电路板及测量仪器的参与,具体流程如图4所示:

图4 联调仿真

3.2 电子电路综合仿真

电子电路信号仿真是电子技术教学和科研中的重要手段,印制电路板和元件的生产制造成本较高,所以在量产之前必须经过完整的信号测试,确保电路板的功能及工作稳定性。传统的方式是通过在面包板上手动搭建验证电路的方式来实现。这种方式在一定程度上能够对工作电路进行评估,但是存在诸多不足:(1)大规模的复杂电路,手动搭建过程繁琐,易出错,可靠性低。(2)对于特殊封装的元器件,无法进行信号线的引出和装配。(3)在对EMC、EMI、ESD高频电路的信号完整性测试中,手动搭建的电路无法进行完美复原。(4)手动搭建测试电路,从成本的角度,只能节省印制电路板的加工费用,元件等耗材依然需要一定的成本投入。

电子电路仿真软件,经过多年的发展,目前已经具有强大的信号仿真、分析、计算能力,操作者可以自己建立元器件模型,进行各种非理想状态下的信号仿真,其中,美国国家仪器有限公司的Multisim仿真平台,极具代表性。Multisim软件具有直观的用户操作界面、强大而完整的元件库、灵活多变的元件模型生成功能,能够完成SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真等诸多仿真功能,还具有强大的虚拟仪器功能,包括各种信号源、示波器、频谱仪、矢量网络分析仪、逻辑分析仪等。操作者可以在短时间内进行所需的大部分应用场景的电子电路仿真,极大地缩短了电路设计和调试的周期和可靠性。

图5为利用Multisim搭建的缺相保护电路仿真原理图,在仿真中,不仅可以对三相交流电的幅度、相位进行配置,还可以对非理想状态下三相交流电的参数进行模拟仿真,如幅差、相差等参数。同理,在实际运用电路中,各种二极管的正向特性和反向特性中的各种细节特性均可以在Multisim软件中进行配置,稳压二极管的温度特性、动态电阻等参数,也可以在元建模型中进行配置,对实际工作电路的复原接近完美。除此之外,通过虚拟示波器,可以对电路中各个点的信号进行实时监控,很大程度上提高了设计人员的工作效率。

图5 Multisim仿真实例

在实际运用中,常常采取Multisim仿真与手工搭建电路相结合的方式,各取其长。在实训教学中,Multisim仿真已经成为学习电路原理和电路设计的强大武器,很大程度上提高了学生的学习效率和教师的授课效率。

4 结语

单片机开发技术仿真和电子电路综合仿真,只是虚拟一体化仿真平台功能的冰山一角,旨在说明虚拟一体化仿真平台在电子信息类专业课实训教学的典型应用。在实际教学中,想要对平台进行充分利用,还需要在信息化教学的框架内,进行前期的准备和详细的教学设计。仿真平台的引入,还需要进行以下几方面的前期突破。第一，加强师资建设。由于该仿真平台缺乏传统实训场馆建设中设备提供方的完整技术支持，对专业教师的素质要求非常高，亟需建设一支专业内功深厚的双师素质教师队伍，对虚拟平台的应用进行深入钻研，对各类仿真软件能够熟练应用等。第二，虚拟仿真平台一旦运行实施,需要对传统人才培养方案进行一定程度的调整。第三，教材建设是平台实施成败的关键。教师在平台建设的同时要进行教材编写,并且在教学实践中不断完善,同时需要国家及教育部门的政策支持,这样才能全面推进虚拟仿真平台教学的实施。

随着EDA技术的不断发展,更多功能、人性化、高仿真度的软件环境将陆续进入市场,虚拟一体化仿真平台的建设,作为信息化教学建设的重要途径,能够不断丰富教学模式,降低实训场所的建设成本,为高校电子信息类专业的实训教学注入大量活力，为高校的人才培养模式提供全新的方向。