基于口袋虚拟实验室的定时器设计与教学探索.pdf

108|电子制作2023 年 7 月科技论坛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）基金项目：安徽省高等学校省级质量工程项目（2021jyxm0079），安徽省高等学校省级质量工程项目（2021jyxm0091）。摘要：根据工程教育专业认证的要求和理论知识与工程实践能力相结合的培养目标，基于便携式口袋虚拟实验室的定时器设计，采用软硬结合、虚实相辅的方式，设计与实现了数字电子技术中定时器的综合实验。实验首先利用Multisim软件进行电路设计、仿真与参数设置，然后在口袋虚拟实验套件上搭建实际电路，最后利用Electronics Pioneer软件和EPI-LITE102/102口袋虚拟实验室，完成信号输入、实验调试、结果测试等。结果表明学生通过自主学习和设计后，动手能力明显增强，对相关理论知识的理解与掌握更加深入。口袋虚拟实验室能够构建多维数字教学资源，发挥线上、线下相结合的混合式教学的优势，更好地培养当代大学生的创新思维和实践能力。关键词：口袋；虚拟实验室；定时器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46。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。图 1定时电路系统框图如图 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1416。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wwwele169com|109科技论坛数字输入，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ElectronicsPioneer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。(a)整体外观图(b)EPI-m10 软件 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1CD4060引脚参数MR异步清零端RS时钟输入端CTC时钟输出端RTC反向时钟输出端Q4Q14计数器输出端 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，LD 是异步置数控制端，D0D3 是并行数据输入端，Q0Q3 是计数器状态输出端，BO 是借位信号输出 端，CO 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274LS192功能表CPUCPDLDCR工作状态00置数上升沿110加法计数1上升沿10减法计数1清零图 3秒脉冲发生器110|电子制作2023 年 7 月科技论坛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 G1G4 门电路构成，当 S3 拨向连续端时，G4 输出为高电平，若1BO=（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 BO 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0BO=启动，即当高位 74LS192 的 BO 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：01.43(12 2)1fRRC=+式(1)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 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S1S2S3工作状态延时1清零延时0G4置数、暂停延时0G3置数、连续计时、报警等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。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 ElectronicsPioneer 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，对图 6定时电路 Multisim 仿真图wwwele169com|111科技论坛实验电路供电。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。(a)实验电路图(b)软件测试图图 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。参考文献 1 教育部工业和信息化部中国工程院关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划 2.0 的意见 J.中华人民共和国教育部公报,2018(10):13-15.2 李擎,崔家瑞,阎群,等.工程教育认证下自动化专业实践类课程改革 J.实验技术与管理,2016,33(12):225228.3 白雪峰,李沛.工程认证背景下电气工程及其自动化专业实践教学体系研究 J.高校实验室工作研究,2018(3):1920.4 于海龙.工程教育专业认证背景下的课程教学改革研究 J.教育教学论坛,2018(42):119-120.5 崔凤英,樊春玲,周春丽.基于专业认证的虚拟仪器课程教学改革与探讨 J.中国教育技术装备,2019(14):86-87+90.6 司娟宁,张晓青,郭阳宽.工程认证背景下虚拟仪器实训课程教学改革探索 J.科技视界,2020(25):15-17.7 李文才,彭程,贾新立,等.基于工程教育专业认证的实践教学体系设计以电气工程及其自动化专业为例 J.中国现代教育装备,2020(19):31-32+35.8 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