电子仿真模拟器——电子教学及实训工具

仿真模拟器由操作盒及计算机软件两个部分组成，图1所示是仿真模拟器的两个工作场景。它的功能简单地说就是：电脑软件可以对不同的电路进行仿真，模拟电路运行时的现象，而操作盒则可以对仿真软件进行控制，操作仿真软件中的电位器、按钮、开关等可控要素，以观察这些要素变化时电路工作状态的变化。这个设备既可以让学生利用现代信息技术的快捷与便利来学习电子学的知识，又可以避免学生“纸上开机器”，通过操作实物电子器件营造真实的学习氛围。

计算机仿真软件不仅可以对电位器、开关、按钮、LED等进行仿真，还可以对光、热、磁、触摸等非电量进行仿真，更接近于真实的电子电路工作场景。 

（a）音量指示电路                （b）光控流水灯

图1   仿真模拟器的两个工作场景

以下从硬件及软件两个方面来阐述电子仿真模拟器的工作原理。

仿真是电类专业重要的工程设计与开发方法，Multisim等仿真软件被当作是电类课程重要信息化资源，然而教学工作不等于开发工作，专业仿真软件虽然功能强大但并不完全适用于教学。教学中需要的仿真软件与开发需要的仿真软件其仿真目的不同，使用者不同，使用过程也不同。

通过对课堂教学中仿真软件需求的分析，通过可视化编程技术，以功能模块为单元，构造电子电路仿真软件。仿真软件由事件驱动，内建数据分析与处理单元，可以根据预设的变量来计算运行的过程。改变外界变量，即可改变电路运行的结果。

以图1中“光控流水灯”电路为例，将电路分为“电源电路”、“光控电路”、“频率可调受控振荡电路”和“CD4017电路”等几个部分。打开软件后，通过菜单按钮放置这些图块，然后通过简单地单击鼠标即可实现这些功能模块的连接。电路的变量包括：按钮用来改变分压电路设定端的电平，遮光罩与电筒用来获得不同的亮度改变光敏电阻的阻值，电位器用来改变受控振荡器的频率，拔动开关用来改变CD4017的逻辑功能等。内建的数据分析与处理单元包括：用数学模型描述单限比较器的工作过程；用数学模型描述振荡电路的振荡频率；用逻辑模型描述受控振荡电路的输出；用数据模型描述CD4017的工作过程。

电子仿真模拟器的硬件部分框图如图2所示。电路由控制MCU、4路模拟量输入、4路开关量输入、主控触摸屏、功能单元显示屏、USB接口等部分组成。其中每个模拟量输入单元（电位器）及每个开关量输入单元（开关或按钮）均配有相应的功能单元显示屏，以便与不同电路功能的仿真软件匹配，从而快速获得该元件的使用提示。

模拟量操作或者开关量操作的结果被MCU处理后，通过串口通信上传到仿真软件，从而操纵仿真软件中的被操作元件。

图2 仿真模拟器的硬件组成

仿真软件可以作为软件独立工作，也可与仿真模拟器（控制盒）一起工作。如果需要用到仿真模拟器，则应在打开软件之前使用USB连接线将其与计算机的USB接口相连。连接后，仿真模拟器会有一个自检的动作，主控显示屏及各分屏分别显示自检画面，保证电路工作正常，自检完成后如图3所示，只有主控屏显示“电子仿真模拟器”的主界面，其他各屏不显示，等待上位机命令。

图3 电子仿真模拟器开机界面

打开仿真软件，各仿真软件均带有如图4（a）所示的联机图标，打开软件时会自动寻找当前可用串口号并加入列表，单击下拉列表，找到串口号，如图4（b）所示，单击连接图标，如果成功联机，连接图标会改变颜色，如图4（c）所示。

（a） 联机图标       （b）下拉列表找到可用串口      （c）成功联机

图4 联机图标

一旦联机成功，控制盒上主控屏即显示仿真电路的名称，同时所有用到的操作要素前的显示屏点亮，简单介绍其功能或操作提示或与电路匹配的标号。如图5所示是两个仿真软件成功联机后控制盒分别显示出来的内容。 

（a）电池电量指示电路         （b）光控流水灯电路

图5 两个仿真软件联机会控制盒分别显示的内容

从图中可以看到，对于电池电量指示电路来说，它有3个可操作要素即RP1、RP2和RP3，分别对应3个电位器。而光控流水灯的可操作要素更多一些，分别是左上角的电源电压调整、RP1和RP2分别对应3个电位器，以及K1和K2两个按钮开关。

以光控流水灯控制电路为例，其仿真软件运行的界面如图6所示。操作左上角的电源电压调整旋钮，可以改变如图6左下角稳压电源的输出电压（当前值为16.71），当该电压值低于8V时，其右侧由7805构成的稳压电源工作不正常（该参数由7805数据手册提供），电路其他部分也不能正常工作。只有当该电压值大于8V时，电路才能正常工作，由于该稳压电源最大输出值为30V，不超过7805的最高输入电压（数据手册提供：35V），因此软件中没有设计7805因输入电压过高而损坏的界面。调节RP1，使得运放3脚电压（2.55V）超过2脚电压（2.5V），即可令1脚输出高电平从而让受控振荡电路工作输出矩形波，该输出信号送入到CD4017电路模块，驱动LED灯流动显示。调节RP2，可以调整受控振荡电路的输出频率，从而改变灯流动的速度。

图6  光控流水灯仿真软件操作界面

本机操作中可根据需要，单击主控屏的“设故障”按钮进入设置故障页面，如图7所示。使用者根据题目要求设置故障，然后根据调试中出现的现象，回答试卷中关于故障可能产生的原因或者排除的方法。

图7 故障设置

本机通过USB接口获取工作电源，不需要另配电源。

四、电子仿真模拟器硬件电路

电子仿真模拟器电路极为简单，就是一个带有AD转换功能的单片机，连接一个串口显示屏、多个OLED显示屏、多个开关、多个电位器等组成。（说明：以下原理图中有10个OLED显示屏，是第二代版本）

五、软件设计

  本系统包括上位机软件和单片机程序设计。上位机使用C#编写，单片机程序使用Keil C51编写。单片机程序比较简单，主要包括OLED驱动显示、串口屏通信、AD采样、开关量采样、上位机通信等几个部分。主要的功能是通过与上位机通信，解析上位机指令，并根据指令在相应的OLED功能模块上显示相应的内容，采集开关量状态、电位器分压器的模拟量并通往上位机，与串口屏通信，向串口屏转发上位机传来的指令等。

 上位机程序根据教师的教学要求，将待仿真的电路分成电源、放大、驱动等“功能模块”，学习者可以通过拖放的方式来组合电路，组合完成以后运行电路，通过电位器、开关等各种可操作的部分来调试电路，并将电路的工作状态如输出电压发生变化、波形发生变化、驱动的LED发光等用模拟的方式显示出来。这里的操作可以有两种方式——纯软件方式和软硬件结合的方式。软硬件结合的方式是通过与电子仿真模拟器连接，使用该模拟器上的电位器、开关、按钮等来操作并且反馈回来，这可以用于模拟实训。纯软件方式则是通过操作软件上的电位器、开关、按钮符号送出模拟数据，这可以用于课堂教学。