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電子仿真模擬器——電子教學及實訓工具

發布人:czlyzhj 時間:2023-10-09 來源:工程師 發布文章
  說明:電子仿真模擬器由硬件設備與運行于計算機的仿真軟件兩部分組成,用于電子技術等課程的課堂教學、仿真訓練。本仿真方法實現了虛擬電路與實際硬件電路的交互和同步,增強了實驗實訓設備的實驗效果,在相同的時間內學習更多的內容,提升教學效率。
一、仿真模擬器的外觀及操作說明

仿真模擬器由操作盒及計算機軟件兩個部分組成,圖1所示是仿真模擬器的兩個工作場景。它的功能簡單地說就是:電腦軟件可以對不同的電路進行仿真,模擬電路運行時的現象,而操作盒則可以對仿真軟件進行控制,操作仿真軟件中的電位器、按鈕、開關等可控要素,以觀察這些要素變化時電路工作狀態的變化。這個設備既可以讓學生利用現代信息技術的快捷與便利來學習電子學的知識,又可以避免學生“紙上開機器”,通過操作實物電子器件營造真實的學習氛圍。

計算機仿真軟件不僅可以對電位器、開關、按鈕、LED等進行仿真,還可以對光、熱、磁、觸摸等非電量進行仿真,更接近于真實的電子電路工作場景。 

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a)音量指示電路                (b)光控流水燈

1   仿真模擬器的兩個工作場景

二、工作原理

以下從硬件及軟件兩個方面來闡述電子仿真模擬器的工作原理。

2.1 軟件仿真的原理

仿真是電類專業重要的工程設計與開發方法,Multisim等仿真軟件被當作是電類課程重要信息化資源,然而教學工作不等于開發工作,專業仿真軟件雖然功能強大但并不完全適用于教學。教學中需要的仿真軟件與開發需要的仿真軟件其仿真目的不同,使用者不同,使用過程也不同。

通過對課堂教學中仿真軟件需求的分析,通過可視化編程技術,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,內建數據分析與處理單元,可以根據預設的變量來計算運行的過程。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”等幾個部分。打開軟件后,通過菜單按鈕放置這些圖塊,然后通過簡單地單擊鼠標即可實現這些功能模塊的連接。電路的變量包括:按鈕用來改變分壓電路設定端的電平,遮光罩與電筒用來獲得不同的亮度改變光敏電阻的阻值,電位器用來改變受控振蕩器的頻率,拔動開關用來改變CD4017的邏輯功能等。內建的數據分析與處理單元包括:用數學模型描述單限比較器的工作過程;用數學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的工作過程。

2.2硬件工作原理

電子仿真模擬器的硬件部分框圖如圖2所示。電路由控制MCU4路模擬量輸入、4路開關量輸入、主控觸摸屏、功能單元顯示屏、USB接口等部分組成。其中每個模擬量輸入單元(電位器)及每個開關量輸入單元(開關或按鈕)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。

模擬量操作或者開關量操作的結果被MCU處理后,通過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。

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2 仿真模擬器的硬件組成

三、仿真模擬器的工作過程

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,則應在打開軟件之前使用USB連接線將其與計算機的USB接口相連。連接后,仿真模擬器會有一個自檢的動作,主控顯示屏及各分屏分別顯示自檢畫面,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。

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3 電子仿真模擬器開機界面

打開仿真軟件,各仿真軟件均帶有如圖4a)所示的聯機圖標,打開軟件時會自動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4b)所示,單擊連接圖標,如果成功聯機,連接圖標會改變顏色,如圖4c)所示。

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

4 聯機圖標

一旦聯機成功,控制盒上主控屏即顯示仿真電路的名稱,同時所有用到的操作要素前的顯示屏點亮,簡單介紹其功能或操作提示或與電路匹配的標號。如圖5所示是兩個仿真軟件成功聯機后控制盒分別顯示出來的內容。 image.png

a)電池電量指示電路         (b)光控流水燈電路

5 兩個仿真軟件聯機會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說,它有3個可操作要素即RP1RP2RP3,分別對應3個電位器。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、RP1RP2分別對應3個電位器,以及K1K2兩個按鈕開關。

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,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,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7805的最高輸入電壓(數據手冊提供:35V),因此軟件中沒有設計7805因輸入電壓過高而損壞的界面。調節RP1,使得運放3腳電壓(2.55V)超過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LED燈流動顯示。調節RP2,可以調整受控振蕩電路的輸出頻率,從而改變燈流動的速度。

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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”按鈕進入設置故障頁面,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,回答試卷中關于故障可能產生的原因或者排除的方法。

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7 故障設置

本機通過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單,就是一個帶有AD轉換功能的單片機,連接一個串口顯示屏、多個OLED顯示屏、多個開關、多個電位器等組成。(說明:以下原理圖中有10個OLED顯示屏,是第二代版本)

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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,單片機程序使用Keil C51編寫。單片機程序比較簡單,主要包括OLED驅動顯示、串口屏通信、AD采樣、開關量采樣、上位機通信等幾個部分。主要的功能是通過與上位機通信,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,采集開關量狀態、電位器分壓器的模擬量并通往上位機,與串口屏通信,向串口屏轉發上位機傳來的指令等。

 上位機程序根據教師的教學要求,將待仿真的電路分成電源、放大、驅動等“功能模塊”,學習者可以通過拖放的方式來組合電路,組合完成以后運行電路,通過電位器、開關等各種可操作的部分來調試電路,并將電路的工作狀態如輸出電壓發生變化、波形發生變化、驅動的LED發光等用模擬的方式顯示出來。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與電子仿真模擬器連接,使用該模擬器上的電位器、開關、按鈕等來操作并且反饋回來,這可以用于模擬實訓。純軟件方式則是通過操作軟件上的電位器、開關、按鈕符號送出模擬數據,這可以用于課堂教學。



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關鍵詞: 教學 仿真 單片機

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