基于口袋虚拟实验室的定时器设计与教学探索

李梅，黄泽霞，邵春莉

（安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥，230601）

为应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，教育部提出“卓越工程师教育培养计划2.0”，加快工程教育改革创新，将工科研究与实践项目融合[1]。该计划旨在推进新工科建设，全力探索领跑全球工程教育的中国模式、助力高等教育强国建设，孵化创新型科技人才[2,3]。各大高校积极响应政策号召，针对新兴产业增设了具有创新性、开拓性、复合性的新专业，包括人工智能、大数据、智能科学等工科专业[4～6]。

新工科、新专业的发展离不开基础学科的建设与创新，在现代化教育工程的基础上，更多地实现实践教育的培养[7,8]。作为电气类的专业基础课程之一，数字电子技术实验为适应创新人才的培养目标，教学模式和教学方法的改革势在必行。结合线上线下的混合式教学模式，基础实验教学中心对实验设备进行了升级，在原有实验设备—实验箱的基础上，引入口袋虚拟实验室套件，以克服仪器设备不足、时空利用率低、创新性差的缺点。在演示性、验证性实验的基础上，提高综合设计性实验的比例[9,10]。

1 定时器设计原理

当前我国使用范围比较广的定时器是机械式发条定时器，这种定时器在使用过程中会出现很多问题，影响使用效率[11]。随着集成电路技术的快速发展，数字电子技术已经被广泛地应用到电子行业中，电子定时器被频繁使用。

定时器设计则属于数字电子技术中综合设计实验的范畴，它主要由振荡器和计数器组成。在实际系统中，定时器的应用非常广泛，例如，篮球比赛中的读秒倒计时，洗衣机洗涤，脱水的计时功能，现代智能家电、工厂的自动化设备都离不开定时器的应用[12]。

定时电路由控制电路、秒脉冲发生器、计数器、译码/显示电路、报警电路等部分组成[13]，整体系统框图如图1所示。

如图1所示，秒脉冲发生器、计数器以及译码/显示电路由控制电路控制。有外部控制开关可以对定时电路进行直接清零、置数、连续计时等选择。当定时时间到，显示停在最后的时间上，并发出声光报警的信号。

数字电子技术实验中定时器的设计，传统教学方法是在实验箱上按部就班地进行搭建，搭配示波器和直流电源等进行验证[14]，搭建前缺少计算机仿真，搭建过程易出错，排查错误比较困难。其次，实验仪器较大，携带不便，实验箱、示波器、万用表等实验设备只能固定在教室使用，使用场所不灵活。传统的实验箱功能单一，受实验箱布局的局限，拓展功能部分少，口袋虚拟实验室则可以解决上述实验箱存在的不足之处[14]。

本文依托数字电子技术的理论教学内容，提出将学生随身可携带的口袋虚拟实验室EPI-M102结合Multisim仿真测试软件和虚拟测试设备应用于综合设计实验，使学生可以在相对灵活和集成的实验环境中，完成软硬件相结合的综合性、设计性实验。

2 口袋虚拟实验室

虚拟口袋实验室的引入使得硬件平台体积缩小、软件可虚拟实验设备实现常规仪器的功能，丰富了实验手段[14～16]。易派EPI-LITE102/m102实验平台是一款便携式USB多功能虚拟口袋实验平台，外观和接口如图2(a)所示。实验平台包括±12V、±5V以及+3.3V对外供电接口；12位并行数字输入，可接受5V电平输入，最高采样率200KSPS；12位并行逻辑输出，输出电平+3.3V或+5V，最高刷新率20KSPS；信号源输出双通道，同步12位直接数字频率合成（DDS）；模拟输入双通道，12位5MSPS同步采样。实验平台通过USB接口与个人计算机相连，由EPI-m10软件驱动，可配置多款实验室设备，如信号发生器、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等，如图2(b)所示。EPI-LITE102/m102实验平台与Electronics Pioneer软件、实验电路相结合，为学生提供了一个基于数字电路技术的不受时间、场地和空间约束的“口袋虚拟实验室”，可以增加学生自主学习的能力和创新能力。

图2 易派口袋虚拟实验室

3 定时器实验设计与实践

■3.1 秒脉冲发生器设计

秒脉冲发生器产生周期为1s的时钟脉冲，作为电路的定时标准。时钟脉冲的精度直接影响定时的精度[17]，需要特别的设计，本节利用一个频率较高的矩形脉冲，经过多级分频后得到频率较低的脉冲信号，秒脉冲发生器如图3所示。

图3 秒脉冲发生器

图中CD4060为14级二分频器，其内部由一串行计数器和振荡器组成。晶振产生频率为32768Hz的矩形波，经过CD4060分频，得到频率为2Hz的矩形波，再利用74LS161进行二分频，在74LS161的Q0端得到频率为1Hz的秒脉冲信号，CD4060功能表如表1所示。

表1 CD4060

■3.2 30进制减法计数器设计

30进制减法计数器采用两片74LS192实现，其控制电路如图4所示。

图4 控制电路

图中，CPU是加法计数脉冲输入端，CPD是减法计数脉冲输入端，是异步置数控制端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是计数器状态输出端，是借位信号输出端，是进位信号输出端，CR是异步清零端，74LS192的工作状态如表2所示。

表2 74LS192功能表

直接清零控制电路通过对74LS192的异步清零端CR来进行控制，图4中，当S2拨向清零端时，CR=1，计数器清零；当S2拨向工作端时，CR=0，计数器进入正常工作状态。置数功能由按钮S1实现，当按下S1时，74LS192的 ，计数器置数；释放S1则计数器在置数的基础上开始递减计数。

暂停、连续计时控制电路由开关S3和G1～G4门电路构成，当S3拨向连续端时，G4输出为高电平，若=1（定时时间未到），G2门打开，电路工作于连续计数状态；当S3拨向暂停端时，G4输出为低电平，将G2封锁，暂停计数；当定时终止，高位74LS192的端输出低电平将G2封锁，并触发声光报警电路。

■3.3 声光报警电路设计

声光报警电路如图5所示，由“定时时间到”信号=0启动，即当高位74LS192的端输出低电平时，使发光二极管点亮，同时使555构成的多谐振荡器工作，输出信号经晶体管推动扬声器发出报警声，振荡频率为：

图5 声光报警电路

■3.4 实验设计

根据图1定时电路系统框图，利用Multisim仿真测试软件搭建定时仿真电路，如图6所示。

图6 定时电路Multisim仿真图

图6中使用方波信号源V1模拟秒脉冲，S2和S3选择单刀双掷开关，S1选择延时开关，具体功能如表3所示。并通过Multisim仿真进行测试，结果验证了搭建定时电路的可行性。

表3 仿真开关状态

4 定时器电路实验设计

本实验通过虚拟仪器口袋实验室EPI-LITE102/m102和定时器功能电路共同组成本实验的硬件框架，并在软件控制下实现定时器功能，系统结构框图如图7所示。

图7 定时器实验系统结构框图

使用口袋虚拟实验室的信号发生器模块，替代传统实验方式的外部仪器，实验电路所需的±5V工作电压由可编程直流电源模块提供。在Electronics Pioneer软件的StaOut软面板界面中可以方便地设置和调整典型激励信号的类型和参数。

实验过程如下，首先，在面包板上搭建定时器实验功能电路，实验装置图如图8(a)所示。开启外部电源输入，对实验电路供电。在StaOut软面板界面的A1功能处点击打开时钟，并设置时钟脉冲信号频率为1Hz，即开始输出特定频率的脉冲信号。打开StaIn界面并切换到功能4，这时在虚拟数码管的个位上就能看到30，29，28，…，0的数字按照1秒的周期交替出现。当定时时间到，面包板上LED亮起，代表报警功能正常。

图8 基于口袋虚拟实验室定时器实验

5 结语

通过口袋虚拟实验室完成定时器设计，不仅可以满足传统实验的要求，打破了传统实验受地点、条件等因素的限制，在仿真、搭建、设计环节还能够更好地调动学生的自主性和积极性，变被动学习为主动探索。口袋虚拟实验室的引入克服了传统实验箱体积大，配置低、灵活性差的弊端，提升了实验的多样性和可拓展性。不仅仅是定时器的设计，数字电子技术实验、模拟电子技术实验、数模电综合设计实验等都可以借助口袋虚拟实验室进行实验。实验中心不仅采取了基于口袋虚拟实验室的新型教学模式，同时对参与实验的学生进行了问卷调查，结果显示：97%以上的学生表示口袋虚拟实验室使用起来简单、方便、易上手。96%以上的学生表示愿意并且能够很好地使用口袋虚拟实验室完成电子技术的实验要求，包括复杂性综合设计类实验。92%以上的学生表示愿意使用口袋虚拟实验室替代传统的实验箱进行实验，并考虑自购。综上，本文提出的基于口袋虚拟实验室的教学探索能够做到以学生为中心，发挥学生的自主多样性，新的教学模式能够为学生提供一个新型的创新实验平台，更加符合新工科人才的培养目标，是混合式教学模式的又一创新和探索，具有一定的应用和推广价值。