殷金曙, 杜世民

(寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315212)

0 引 言

數(shù)字電路是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解和掌握數(shù)字電路的理論知識(shí)和實(shí)踐技能有至關(guān)重要的作用[1]。為提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，很多高校在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)改革方面作了大量的探索[2-6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在電子電路實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用越來廣泛[5-9]。和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有器件全、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和儀器設(shè)備的制約。但它畢竟和實(shí)物實(shí)驗(yàn)有很大的區(qū)別，比如虛擬實(shí)驗(yàn)使用的虛擬儀器器件與實(shí)際實(shí)物設(shè)備有很大的差異，初學(xué)者很難把原理圖中的器件、儀器和具體實(shí)物對(duì)應(yīng)起來[6-8]。其次，虛擬實(shí)驗(yàn)不會(huì)出現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)中的異?，F(xiàn)象和各種故障，而通過解決排除這些異常和故障可以有效培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力和實(shí)際動(dòng)手能力[10-12]。

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，運(yùn)用Proteus虛擬仿真建模(Virtual System Module，VSM)技術(shù)構(gòu)建了數(shù)字電路常用器件(如74/54系列芯片)的實(shí)物模型，可以在Proteus下進(jìn)行實(shí)物圖的仿真實(shí)驗(yàn)，詳見文獻(xiàn)[13]。在此基礎(chǔ)上，本文開發(fā)了一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)上能夠?qū)⒎抡鎸?shí)驗(yàn)電路和相對(duì)應(yīng)的實(shí)物電路進(jìn)行同步運(yùn)行，并且將兩個(gè)電路的輸出結(jié)果在同一虛擬器件中顯示出來。由于實(shí)物電路和仿真電路完全同步運(yùn)行，因此，十分有利于學(xué)生查找實(shí)物實(shí)驗(yàn)中存在的各種問題并加以解決，從而加深他們對(duì)實(shí)驗(yàn)理論的理解，有效提高他們的實(shí)際動(dòng)手能力。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和工作原理

本文所開發(fā)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所謂“虛實(shí)結(jié)合”，是指在它上面既可以開展常規(guī)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，也可以發(fā)送輸入信號(hào)給實(shí)物電路，并接收來自實(shí)物電路的輸出，將其與仿真電路的運(yùn)行結(jié)果相比較，以驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。整個(gè)平臺(tái)包括4個(gè)部分：控制平臺(tái)(虛擬器件)、虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)電路、通信與控制電路、以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

1.1 控制平臺(tái)(虛擬器件)

這是實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”功能的一個(gè)關(guān)鍵器件，需要注意的是，它并不是一個(gè)實(shí)際電路，而在Proteus運(yùn)行的一個(gè)虛擬器件，采用Proteus 的VSM Models技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。它有兩方面的功能：一是給虛擬仿真實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路提供相同的輸入信號(hào)，二是接收和顯示虛擬實(shí)驗(yàn)電路和外部實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路的運(yùn)行結(jié)果。因此，它相當(dāng)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)發(fā)生器和輸出顯示器。

1.2 仿真實(shí)驗(yàn)電路部分

根據(jù)給定的具體實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在Proteus的ISIS軟件中調(diào)用其自帶的電路元件搭建虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)電路，或者調(diào)用預(yù)先設(shè)計(jì)好的常用器件的實(shí)物圖形符號(hào)(封裝圖)來搭建電路實(shí)物圖的仿真模型，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的功能，或者與實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路相比較。

1.3 通信與控制電路部分

它是為實(shí)現(xiàn)Proteus軟件中的控制平臺(tái)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路之間進(jìn)行通信而專門設(shè)計(jì)的硬件電路。它可以與PC的USB UART以指定的傳輸速率進(jìn)行通信，將Proteus中控制平臺(tái)所產(chǎn)生的輸入信號(hào)發(fā)送給實(shí)物電路，同時(shí)將實(shí)物電路的運(yùn)行結(jié)果發(fā)回到PC的USB UART，由Proteus中虛擬控制平臺(tái)進(jìn)行接收并顯示。

1.4 實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路部分

實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路需要在一個(gè)自行開發(fā)的配套實(shí)驗(yàn)箱中采用實(shí)際的芯片搭建完成。它的輸入信號(hào)由PC端Proteus中運(yùn)行的控制平臺(tái)來產(chǎn)生，并經(jīng)通信與控制電路發(fā)送到實(shí)物電路的輸入端。同時(shí)其運(yùn)行結(jié)果通過通信與控制電路發(fā)送回計(jì)算機(jī)上的Proteus進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)了“虛實(shí)”結(jié)合。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱不同的是，該實(shí)驗(yàn)箱不需自帶數(shù)字信號(hào)發(fā)生和輸出顯示電路。實(shí)踐時(shí)若將實(shí)物電路的輸入和輸出信號(hào)分別外接信號(hào)發(fā)器電路和輸出電路則實(shí)物電路可以脫離仿真平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理如下：先在Proteus的ISIS軟件和配套實(shí)驗(yàn)箱上分別搭建仿真實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)物電路，利用Proteus中的虛擬控制平臺(tái)給這兩個(gè)電路接入相同的輸入信號(hào)，然后獲取這兩個(gè)電路的輸出狀態(tài)并將它們同時(shí)顯示在虛擬控制平臺(tái)上(以指示燈和數(shù)碼管方式)，比較兩者的結(jié)果即可驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的正確性。此外，當(dāng)實(shí)物電路運(yùn)行結(jié)果有誤時(shí)，可用萬用表檢測(cè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)電路中任何節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并與虛擬實(shí)驗(yàn)電路中的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行比較，即可快速判斷實(shí)物電路的錯(cuò)誤所在。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由圖1可知，實(shí)現(xiàn)這一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵在于虛擬控制平臺(tái)和能夠與Proteus通信的新型實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)，下面分別介紹這兩個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)。

2.1 虛擬控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

虛擬控制平臺(tái)由兩部分構(gòu)成：信號(hào)發(fā)生電路和信號(hào)接收顯示電路，前者用來產(chǎn)生數(shù)字電路中常用的各種輸入信號(hào)，如高低電平輸入、脈沖輸入等，后者用來接收并顯示虛擬仿真電路或者實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路的運(yùn)行結(jié)果。

為滿足實(shí)際實(shí)驗(yàn)的需求，信號(hào)發(fā)生電路部分包括有一組電平設(shè)置開關(guān)，由16個(gè)撥碼開關(guān)(用O0～O15表示)組成，每個(gè)開關(guān)可以用來產(chǎn)生高低電平或脈沖信號(hào)。信號(hào)接收顯示電路部分由內(nèi)、外兩部分電路構(gòu)成，分別用來接收來自虛擬仿真電路和實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路的運(yùn)行結(jié)果。內(nèi)、外電路各包括16個(gè)LED(用I0～I(xiàn)15表示)和2個(gè)數(shù)碼管，每個(gè)LED均設(shè)為高電平點(diǎn)亮，數(shù)碼管則可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置為共陰或共陽極工作方式，如圖2所示。

圖2 虛擬控制平臺(tái)用戶界面

該虛擬器件采用Proteus中VSM Models進(jìn)行創(chuàng)建。Proteus中有兩類VSM Models：電氣模型(ELECTRICAL MODEL)和繪圖模型(GRAPHICAL MODEL)，其中電氣模型實(shí)現(xiàn)元件的電氣特性，按規(guī)定的時(shí)序接收數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。繪圖模型實(shí)現(xiàn)仿真時(shí)與用戶的交互，例如LCD的顯示。Proteus為VSM模型提供了一些C++抽象類接口，用戶創(chuàng)建元件時(shí)需要在動(dòng)態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library, DLL)中調(diào)用相應(yīng)的抽象類。VSM模型和Proteus系統(tǒng)通信的原理如圖3所示[14-15]。

圖3 Proteus VSM數(shù)字模型的工作原理

圖中，繪圖模型和電氣模型是Proteus 提供的虛擬器件模型，它們分別是IACTIVEMODEL和IDSIMMODEL的繼承類。 GRAPHICAL MODEL通過ISIS內(nèi)部的活動(dòng)組件對(duì)象ICOMPONET和ISIS交換數(shù)據(jù)，用以實(shí)現(xiàn)虛擬器件的繪圖及用戶交互功能。PROSPICE是Proteus VSM的核心，它是一個(gè)結(jié)合SPICE3F5模擬仿真器和DSIM(基于快速事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)字仿真模型)的混合仿真系統(tǒng)。IINSTANCE是一個(gè)PROSPICE仿真原始模型，它可以為電氣模型提供訪問屬性、模擬節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)引腳的服務(wù)，還允許模型通過仿真日志發(fā)出警告和錯(cuò)誤信息。ELECTRICAL MODEL是DSIM的繼承類。IDSIMPIN、IDSIMCKT和IDSIMMODEL是虛擬數(shù)字模型的接口類，其中，IDSIMPIN提供模型器件的引腳狀態(tài)和創(chuàng)建輸出實(shí)物事件的服務(wù)， IDSIMCKT為虛擬數(shù)字模型訪問數(shù)字系統(tǒng)的變量、創(chuàng)建回調(diào)函數(shù)和掛起仿真，IDSIMMODEL用于實(shí)現(xiàn)引腳狀態(tài)變化的判斷和回調(diào)事件的處理。

利用Proteus VSM仿真模型開發(fā)虛擬元件的步驟如下：

(1) 繪制元件圖形、引腳和相關(guān)符號(hào)。

(2) 制作元件，設(shè)置元件屬性。

(3) 用C++編寫元件，實(shí)現(xiàn)電氣和繪圖模型，編譯生成DLL。

(4) 搭建電路仿真測(cè)試。

2.2 帶通信與控制電路功能的新型實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“虛實(shí)結(jié)合”特性，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，專門開發(fā)了配套的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱帶有通信與控制電路模塊，可以和計(jì)算機(jī)上Proteus 中運(yùn)行的的虛擬信號(hào)發(fā)生和接收電路進(jìn)行通信，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 配套實(shí)驗(yàn)箱模塊架構(gòu)

(1) 電源模塊。配套實(shí)驗(yàn)箱需提供實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)所需的相關(guān)電源。實(shí)驗(yàn)箱有兩種類型的電源：+5 V和±12 V電源。+5 V電壓采用兩種方式來產(chǎn)生：一是用1A電流的穩(wěn)壓電源，二是直接用計(jì)算機(jī)的USB口進(jìn)行供電?！?2 V電源直接采用+5 V轉(zhuǎn)+12 V和-12 V模塊來產(chǎn)生。

(2) 通信與控制電路。通信電路中的USB轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)換芯片采用FT232，該芯片工作可靠，驅(qū)動(dòng)安裝方便?？刂齐娐凡捎肁VR單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，為保證通信的可靠性和電路的響應(yīng)速度，晶振頻率設(shè)為11.059 2 MHz，波特率采用115 200 bit/s，測(cè)試結(jié)果表明這組參數(shù)可以滿足實(shí)際實(shí)驗(yàn)的要求。

(3) 控制電路及接口與指標(biāo)電路?？刂齐娐凡捎肁VR單片機(jī)接收來自仿真平臺(tái)的信號(hào)狀態(tài)并傳送給對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路，同時(shí)把實(shí)驗(yàn)電路的狀態(tài)信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上的仿真平臺(tái)。接口電路是為配套實(shí)驗(yàn)箱可以脫離于仿真平臺(tái)(即作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱使用)而設(shè)計(jì)的電路。指示電路采用LED發(fā)光二極管顯示輸入輸出狀態(tài)，以便于查看端口的工作狀態(tài)。

(4) 電路搭建模塊。電路搭建模塊采用雙列直插式插座(Dual InLine-Pin, DIP)，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所用到芯片的管腳數(shù)和器件種類進(jìn)行合理布置，使所用到的芯片在不同的的實(shí)驗(yàn)中基本不需調(diào)換，便于維護(hù)，降低芯片損耗。

3 應(yīng)用實(shí)例

下面以JK觸發(fā)器組成五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器這一具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例說明所設(shè)計(jì)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)過程和操作方法。

(1) 根據(jù)時(shí)序電路的一般設(shè)計(jì)方法[16]，采用JK觸發(fā)器和門電路設(shè)計(jì)出電路原理圖。

(2) 在Proteus的ISIS中輸入該電路原理圖，將虛擬信號(hào)發(fā)生電路中的O8作為電路的CLK時(shí)鐘輸入，O9接到電路的清零端和置數(shù)端，計(jì)數(shù)結(jié)果Q2Q1Q0同時(shí)接到虛擬信號(hào)接收內(nèi)電路中的I10～I(xiàn)8指示燈和數(shù)碼管，啟動(dòng)仿真并觀察電路的運(yùn)行結(jié)果，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的功能是否正確，如圖5所示。

圖5 五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的虛擬仿真原理圖

(3) 為幫助學(xué)生更好的掌握實(shí)際JK觸發(fā)器芯片的邏輯功能和使用方法，可以調(diào)用事先制作的74112的實(shí)物封裝模型[8]，在Proteus中繪制出該電路的實(shí)物連接圖進(jìn)行仿真，如圖6所示。

(4) 根據(jù)圖6的實(shí)物連接仿真電路，在配套實(shí)驗(yàn)箱中完成實(shí)物電路的線路連接，并按圖7所示連接實(shí)物電路的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。注意，圖7實(shí)驗(yàn)箱左下方黃色方框區(qū)域是實(shí)驗(yàn)箱的16個(gè)插孔用來接入實(shí)物電路的輸入信號(hào)，它們的狀態(tài)取決于Proteus中的虛擬信號(hào)發(fā)生電路的16個(gè)開關(guān)O0～O15的狀態(tài)(O8～O15控制上面一行，O0～O7控制下面一行)。右下方白色方框區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)箱的16個(gè)插孔用來做輸出信號(hào)，這些信號(hào)的狀態(tài)會(huì)通過通信電路發(fā)送到Proteus中虛擬信號(hào)接收電路中的外部16個(gè)LED I0～I(xiàn)15上(上面一行輸出到I8～I(xiàn)15，下面一行輸出到I0～I(xiàn)7)。然后在Proteus啟動(dòng)仿真，觀察并比較兩個(gè)電路的運(yùn)行結(jié)果。由圖8可知，虛擬接收電路中的內(nèi)、外輸出結(jié)果相同，即虛擬仿真電路和實(shí)物電路的運(yùn)行結(jié)果相一致，說明實(shí)物電路連接是正確的。若虛擬接收電路上內(nèi)、外顯示結(jié)果不一致，說明外部的實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路有問題，這時(shí)可以參考實(shí)物連接仿真電路所指示的各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)用萬用表檢查實(shí)際線路，快速判斷實(shí)際電路的問題所在。

圖6 五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的實(shí)物連接仿真電路

4 結(jié) 語

本文采用Proteus VSM技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)“虛實(shí)結(jié)合”的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。學(xué)生在該平臺(tái)上既可以進(jìn)行虛擬的原理圖或?qū)嵨镞B接圖的仿真實(shí)驗(yàn)，還可以搭建實(shí)際電路進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，并且將這虛擬實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路的運(yùn)行結(jié)果在自行設(shè)計(jì)的虛擬控制平臺(tái)中同步顯示出來，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的正確性。因此，該平臺(tái)結(jié)合了虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，并且可以簡(jiǎn)化實(shí)物實(shí)驗(yàn)中繁瑣的線路檢查問題。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該平臺(tái)可以有效提高學(xué)生對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力。