LabVIEW開發(fā)虛擬與現(xiàn)實(shí)融合的數(shù)字電子技術(shù)漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

數(shù)字電子技術(shù)是所有電氣專業(yè)的重要學(xué)科基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。其實(shí)驗(yàn)是提高學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試數(shù)字電路能力，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的工程實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生科研素養(yǎng)的重要途徑。

傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)大多依靠實(shí)驗(yàn)箱在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，存在以下問題。一是實(shí)驗(yàn)箱使用時(shí)間長(zhǎng)，損壞嚴(yán)重，可靠性差，功能單一。學(xué)生往往專注于布線和閱讀實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而忽視了對(duì)電路原理的理解，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。其次，實(shí)驗(yàn)箱體積龐大，攜帶不方便。學(xué)生經(jīng)常需要在指定的時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成指定的實(shí)驗(yàn)，這不利于隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第三，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和選課學(xué)生人數(shù)等因素的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)滯后理論教學(xué)時(shí)間過長(zhǎng)，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

為了解決數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)中的問題，利用3ds?Max、LabVIEW、Proteus等工具設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，突破了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)所的限制。開發(fā)了經(jīng)濟(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既滿足了基礎(chǔ)教學(xué)的需要，又彌補(bǔ)了設(shè)備不足的困境。使用?NI?myDAQ?和?FPGA?設(shè)計(jì)了電子技術(shù)袖珍實(shí)驗(yàn)室，可用于課程實(shí)驗(yàn)、科技創(chuàng)新競(jìng)賽等場(chǎng)合。總的來說，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)打破了物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的極限，但它存在一些缺點(diǎn)，例如無法接觸實(shí)際設(shè)備，以及仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的偏差。物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)降低系統(tǒng)使用門檻，兼顧基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的需要。

結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了虛擬與現(xiàn)實(shí)融合的數(shù)字電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的問題，完成了虛擬仿真、物理驗(yàn)證、綜合設(shè)計(jì)的全過程，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新能力的逐步培養(yǎng)。

數(shù)字電子技術(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩部分。這兩部分可以獨(dú)立使用，也可以同時(shí)運(yùn)行。

物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以Altera的Cyclone?IV系列芯片EP4CE10F17C8N為核心，包括電源模塊、斷電后繼續(xù)保存配置的閃存模塊、配置FPGA模式的配置模塊、DIP開關(guān)組成的邏輯輸入模塊、發(fā)光二極管和7段顯示器組成的邏輯輸出模塊、以及與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)交互的串行通信模塊。

?基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成了界面設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真以及與物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的交互。

1）運(yùn)行模式配置

為了兼顧用戶的差異化需求，系統(tǒng)包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健⑽锢韺?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶吐?lián)合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺N模式。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過全局變量完成運(yùn)行模式配置，決定是否啟用物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的邏輯輸入。

2）串行通信方式配置

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用LabVIEW的VISA模塊完成串口配置。通信參數(shù)為8位數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)，2位停止位。使用波特率為?115200。數(shù)據(jù)格式以?0xAA?開頭，以?0x55?結(jié)尾。

實(shí)驗(yàn)操作模塊的界面分為虛擬模擬區(qū)和實(shí)驗(yàn)描述區(qū)兩部分。

串行端口發(fā)送模塊、串口接收模塊和全加法模塊均采用FPGA設(shè)計(jì)。

隨著工程教育認(rèn)證和新興工程教育的進(jìn)一步推進(jìn)，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為人才培養(yǎng)的核心環(huán)節(jié)。針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)體系的不足，從“以學(xué)生為中心”的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)體系。首先，基于“袖珍實(shí)驗(yàn)室”的設(shè)計(jì)理念，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅便攜而且價(jià)格便宜。學(xué)生無需進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室即可攜帶實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的參與度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。其次，實(shí)驗(yàn)體系兼顧了學(xué)生的差異化需求。學(xué)生不僅可以利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在課程實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行虛擬仿真和硬件驗(yàn)證，還可以利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和科技創(chuàng)新，滿足學(xué)生自我發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的逐步培養(yǎng)。

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