电子技术虚拟仿真实验平台的开发

摘  要：针对电子技术课程特点，基于虚拟编程实现电子技术实验仿真平台的开发。提升学校电工电子课程实验室建设维度，打造虚拟仿真实验平台，解决实验室设备有限的瓶颈，满足学生课后实验需求，激发学生实验兴趣，提高学生实验动手能力。针对虚拟仿真平台搭建过程中遇到的问题进行探讨，结合课证融通引领下的人才培养改革提出自己的心得体会。

关键词：电子技术；虚拟仿真平台；人才培养

中图分类号：TP311；G642  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）09-0090-05

Abstract： According to the characteristics of electronic technology course， the development of electronic technology experiment simulation platform is realized based on virtual programming. Improve the construction dimension of the school's electrical and electronic course laboratory， create a virtual simulation experiment platform， solve the limited laboratory equipment， meet students' needs for after-school experiments， stimulate students' interest in experiments， improve students' participation in experiments. Discuss the problems encountered in the process of building the virtual simulation platform， and put forward their own experience in combination with the personnel training reform led by the guidance of the course certificate integration.

Keywords： electronic technology; virtual simulation platform; personnel training

0  引  言

結合线上教学需要，完善实验室的使用方法，降低实验室建设成本，同时提高学生学习电子技术及相关课程的兴趣，以期提供信息技术应用与电类相关课程在线教学能力融合模式下的实验仿真解决方案。

采用虚拟仿真平台还能突破空间的限制，通过将平台上传到互联网，使得学生在家中也能进行相关实验的仿真操作，通过仿真平台的训练，可以贯穿预习、学习、复习各个阶段，在“信息技术+线上实验教学”模式的加持下，可以真正做到学习不受限。

1  开发环境

1.1  LabVIEW简介

LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的软件产品，秉承“软件即是仪器”的理念，已广泛应用于工业自动化、计算机仿真、FPGA等领域，其特点之一是以图形的方式编程，相比于文本代码，该软件上手快，使计算机编程变得更加容易，让非计算机专业人员也很容易接受。

1.2  编程特点

LabVIEW提供了类似常规编程语言中具有多种功能的函数以及种类丰富、数量庞大的各种控件，这种VI可单独运行调试，初学者较容易掌握和使用。VI由两部分构成：前面板和程序框图。前面板即图形界面窗口（GUI），用来放置各种控件（如显示波形的控件、数据文本输入框、指示灯和按键等），在图形编程完成后，使用者与程序的交互主要是通过前面板进行数据的赋值输入、控制、显示等实现。而程序框图是用于编写程序代码的界面，将各种功能的函数VI放置在该界面中，完成项目的底层编程。

1.3  与电子技术实验内容高度契合

电路分析中，基尔霍夫定律的验证，叠加定理的验证，典型电信号的观测和一阶电路响应特性实验等；模拟电路中二极管、三极管的特性测试等；数字电路中的数值转换电路、触发器、数据选择器等，这些课程内容都可以通过实验平台的编程实现仿真运行，所以结合课程特点和编程实现方法，选择该平台实现课程教学。

2  虚拟仿真实验开发

2.1  多种方式展现

软件平台提供多种功能丰富的控件，所以在实现电路分析、模拟电子技术和数字电子技术仿真实验内容上可以采取多种方式。

例如：在实现电路分析中典型实验一阶电路的“三要素法”时，从一阶电路响应的求解中可以看出：一阶电路（恒定直流输入、非零初始状态）各处电压、电流按照指数规律变化到稳定值。总结出电路响应为：，f （t）、f （∞）、f （0_）这三个量值称为动态电路的三要素，当t＞0时，任一i、u的表达式均可按以上公式求解电路响应。

结合理论公式，在编程设计方面，主要从两个方面来考虑：一是前面板的界面直观易懂、可操控性强；二是程序框图中代码执行效率高，运行响应迅速。根据实验要求，综合实验板的元件参数选择和示波器显示波形，界面需要能输入元件数值并可观察结果图像。这里选用典型的一阶RL电路，电阻R1、R2、R3的阻值和电感L的电感量设计成输入控件以便输入不同元件参数得到不同波形，再放置显示电流波形的模拟示波器控件，如图1、图2所示。

图1为搭建的RL一阶电路的电路图，Us为60 V电压源，R1、R2、R3为10 Ω电阻，L为0.3 H的电感，支路电流为I1、I2、IL，方向如图所示。图2为前面板中放置的用于显示三个电流的模拟示波器显示控件。IL显示为长虚线，I1显示为短虚线，I2显示为直线。显示的曲线按照电流三要素公式变化：。

任务功能的实现更多体现在程序框图的设计上。在设计对应的流程图程序时，一阶电路电流量的求解是以三要素公式为依据的，所以在程序框图中先建立一个公式节点的结构，并编辑电流I1、I2、IL的三要素公式，如图3所示。

在公式节点外再建立For循环，创建输入输出节点。完整程序框图如图4所示。

运行程序，得到t＞0时三条支路电流I1、I2、IL的曲线，如图5所示。

又如实现数据选择器的仿真实验，其结构如图6所示，两输入真值表如图7所示。

数据选择器的仿真实现，依然通过前面板和程序框图的编程来完成。为了贴近现实的数字电路实验板，在前面板上布置地址输入A1、A0指示灯、使能端 指示灯、四数据D0-D3输入指示灯以及输出指示灯。其中，地址输入指示灯、使能端 指示灯和四数据输入指示灯是可控元件，通过点击触发可切换指示灯的状态。灯亮时表示逻辑1，灯灭时表示逻辑0，从而实现真值表中所有输入赋值。输出指示灯Y作为数据选择结果，所以选用了只具有显示功能的指示灯控件，前面板电路如图8所示。

放置完前面板的各种控件之后，就要进入程序框图的编程，这也是逻辑功能实现的核心部分。对于数字选择器的编程，数据的来源有三部分：首先是配置D0～D3四个数据端的数值，接着是确定地址输入端A1、A0所指定的需要被选择数据的地址信息，最后就是控制端S的状态。程序框图如图9所示，这里使用簇了数据的概念，簇是LabVIEW中常见的复合数据类型，簇中的数据都是相互独立的，又具有各自的标签和内容，这种数据结构能很好地将地址A1、A0和数据端D0～D3进行分层。将以上数据设置成簇数据后，再经过解除捆绑分离成单个数据，以便后续进行相应的逻辑运算。

为了验证4选1数据选择器的真值表，我们先输入D0～D3的值，再输入地址端A1、A0的值。令 =0即使能端有效（使能端 =1时结论如图8所示）。运行该程序，结果如图10所示。

实验结果表明，虚拟仪器数据选择器的前面板界面简洁明了，操作简单易懂，能实现4选1选择器的全部功能，完全可以实现虚拟仿真。

又如全加器的设计实验。根据如图11、图12所示的1位全加器电路结构图和真值表，分别设计前面板和程序框图，如图13、图14所示。

输入A、B和地位进位CI的值，可以得到全加器的输出及高位进位。

2.2  学生参与开发建设

平台建设过程中，需要学生具有电类课程知识和编程能力，所以可引导学生参与项目设计建设，将开发内容分为多个模块，通过教师在课堂上讲授原理，实验室实际操作到虚拟仿真实验体验，最后实现由学生制定实验测试方案，完成相应任务。整个过程中使得学生既加深了对电子技术课程专业知识的理解和掌握又能通过编程很好地锻炼学生的程序思维，提升学生的综合学习能力。

3  在人才培养过程中的作用

3.1  三个方面

贯穿虚拟仿真实验平台开发过程，从三个方面促进人才培养改革：一是层次实验。根据实验的教学定位、学生能力和兴趣，将教学实验分为基础检测实验、综合应用实验、实战探索实验。二是学科结合。在虚拟仪器软件搭建过程中，有机结合了多门学科知识，使学生进一步理清各专业课之间的联系。三是课程设计。提出设计目的和要求，学生分组查找相关文献和资料，制定实验测试方案，软件可提供丰富的器件选择。

3.2  四个维度

贴合职业教育发展，从仿真平台的开发角度来看包含四个维度：一是课程服务。相关智能控制专业课程（如单片机技术、PLC控制技术、C语言等课程），都有相通的编程思想及组件，通过虚拟仪器开发，可加强学生对专业知识的掌握。二是开放实验。以软件即仪器为核心，完善实验手段，扭转了实验设备和场地的局限，使得实验在时间和空间上得到了有效的延伸，变成真正的开放实验室。三是比赛能力。有了平台的建设，我们就能灵活地设计实验课程，学生从中能够获得与实际硬件类似的动手体验，可将编程能力运用到各种电类、控制类的比赛中。四是本科教学。通过虚拟仪器的开发，逐步将开发过程变成工程案例，融入职业本科教学中，让学生参与其中，拓宽实践教学思路，锻炼提升学生技能。

3.3  提升教师信息化教学能力

紧贴数字教育主题，融入数字变革与教育未来，通过仿真实验平台的开发，能有效提升专业教师信息化教学科研能力，使得教学实践更加多维化，以更好地适应优质教育改革和创新，推动数字技术与传统教育的融合发展。

4  后期可计划发展方向

后期可延展工作主要包括两个方面：一是开发适合职业本科的虚拟实验室。结合职业本科所学专业课，综合LabVIEW、Python等课程，建立适合职业本科教学科研的虚拟实验室。二是设计和实现更多实验模块。覆盖更多的知识点和概念，形成完整的虚拟实验系统，全面配合传统实验教学。

5  结  论

相比單一使用传统实验室的教学模式和局限性，开展“信息技术+线上实验教学”改革，基于LabVIEW软件设计的电子技术实验虚拟仿真平台，能够更好地完善实验室使用手段，降低实验室建设成本。通过虚拟平台开发并进行教育教学改革，在提升学生电子技术相关知识的学习兴趣，加强学生实验动手能力以及培养学生计算机编程思维等方面都起到了较好的促进作用。

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作者简介：翟逸飞（1983—），男，汉族，甘肃兰州人，副教授，研究生，研究方向：智能控制的教学和研究。