電子仿真模擬器——電子教學(xué)及實(shí)訓工具

仿真模擬器由操作盒及計算機軟件兩個(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：電腦軟件可以對不同的電路進(jìn)行仿真，模擬電路運行時(shí)的現象，而操作盒則可以對仿真軟件進(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(guān)察這些要素變化時(shí)電路工作狀態(tài)的變化。這個(gè)設備既可以讓學(xué)生利用現代信息技術(shù)的快捷與便利來(lái)學(xué)習電子學(xué)的知識，又可以避免學(xué)生“紙上開(kāi)機器”，通過(guò)操作實(shí)物電子器件營(yíng)造真實(shí)的學(xué)習氛圍。

計算機仿真軟件不僅可以對電位器、開(kāi)關(guān)、按鈕、LED等進(jìn)行仿真，還可以對光、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(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的工程設計與開(kāi)發(fā)方法，Multisim等仿真軟件被當作是電類(lèi)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(zhuān)業(yè)仿真軟件雖然功能強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，構造電子電路仿真軟件。仿真軟件由事件驅動(dòng)，內建數據分析與處理單元，可以根據預設的變量來(lái)計算運行的過(guò)程。改變外界變量，即可改變電路運行的結果。

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)單地單擊鼠標即可實(shí)現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。內建的數據分析與處理單元包括：用數學(xué)模型描述單限比較器的工作過(guò)程；用數學(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；用數據模型描述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，則應在打開(kāi)軟件之前使用USB連接線(xiàn)將其與計算機的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，等待上位機命令。

圖3 電子仿真模擬器開(kāi)機界面

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

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

圖4 聯(lián)機圖標

一旦聯(lián)機成功，控制盒上主控屏即顯示仿真電路的名稱(chēng)，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號。如圖5所示是兩個(gè)仿真軟件成功聯(lián)機后控制盒分別顯示出來(lái)的內容。 

（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)機會(huì )控制盒分別顯示的內容

從圖中可以看到，對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，分別對應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整、RP1和RP2分別對應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，其仿真軟件運行的界面如圖6所示。操作左上角的電源電壓調整旋鈕，可以改變如圖6左下角穩壓電源的輸出電壓（當前值為16.71），當該電壓值低于8V時(shí)，其右側由7805構成的穩壓電源工作不正常（該參數由7805數據手冊提供），電路其他部分也不能正常工作。只有當該電壓值大于8V時(shí)，電路才能正常工作，由于該穩壓電源最大輸出值為30V，不超過(guò)7805的最高輸入電壓（數據手冊提供：35V），因此軟件中沒(méi)有設計7805因輸入電壓過(guò)高而損壞的界面。調節RP1，使得運放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，該輸出信號送入到CD4017電路模塊，驅動(dòng)LED燈流動(dòng)顯示。調節RP2，可以調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

本機操作中可根據需要，單擊主控屏的“設故障”按鈕進(jìn)入設置故障頁(yè)面，如圖7所示。使用者根據題目要求設置故障，然后根據調試中出現的現象，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 故障設置

本機通過(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轉換功能的單片機，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、軟件設計

  本系統包括上位機軟件和單片機程序設計。上位機使用C#編寫(xiě)，單片機程序使用Keil C51編寫(xiě)。單片機程序比較簡(jiǎn)單，主要包括OLED驅動(dòng)顯示、串口屏通信、AD采樣、開(kāi)關(guān)量采樣、上位機通信等幾個(gè)部分。主要的功能是通過(guò)與上位機通信，解析上位機指令，并根據指令在相應的OLED功能模塊上顯示相應的內容，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，與串口屏通信，向串口屏轉發(fā)上位機傳來(lái)的指令等。

 上位機程序根據教師的教學(xué)要求，將待仿真的電路分成電源、放大、驅動(dòng)等“功能模塊”，學(xué)習者可以通過(guò)拖放的方式來(lái)組合電路，組合完成以后運行電路，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合的方式。軟硬件結合的方式是通過(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。純軟件方式則是通過(guò)操作軟件上的電位器、開(kāi)關(guān)、按鈕符號送出模擬數據，這可以用于課堂教學(xué)。