基于虚实结合的远程电路实验教学平台设计与实现

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无论是代表现代科技最新发展的人工智能,还是日常生活中通信设备的生产与研究都离不开电路。电路教学担负着培养具有扎实理论基础,兼备设计及硬件实现能力的人才的重任。电路实验可拓展教学内容,从全新视角丰富学生认知,弥补知识点间的“断裂”。传统实验的现场操作模式受时间、空间限制,单一验证性实验束缚学生创造力。随着我国远程实验教学规划的实施,远程实验教学平台的研究获得极大重视。论文借助于现代信息科技,融合先进电路仿真技术、虚拟仪器技术及网络开发技术,以仿真电路及硬件采集系统为基础,开发虚拟仿真训练与物理实测分析相结合的虚实融合远程电路实验教学平台,可实现随时随地访问,指导学生掌握基本电路测量方法,培养其解决工程实际问题的能力。该平台顺应通信技术发展的新需求、新挑战,对面向工程实践学科远程教育的开发技术进行了深入研究探索,为高质量虚实融合远程实验教学体系的构建积累了宝贵经验,对提高实验教学质量具有重要现实意义。
  本文将Multisim电路仿真技术、单片机控制技术与LabVIEW虚拟仪器开发技术相结合,将Multisim仿真分析与NI ELVIS硬件电路测试紧密联系,研究开发了集电路功能展示、数据测量、结果分析于一体的虚实融合远程电路实验教学平台,可对电路重要参数、性能特 性进行实时测试与直观分析。以通信电路中的重要功能模块高频谐振功率放大电路为应用对象,完成了虚实融合远程电路实验教学平台的开发。论文的研究开发工作包括三大功能模块,分别是基于Multisim虚拟仿真实验环境的构建,基于单片机控制及NI ELVIS平台实际硬件电路实验环境的构建,及基于LabVIEW虚实融合实验界面的设计与开发。研究工作如下:
  (1)基于Multisim功放电路设计与性能仿真。根据平台设计目标,利用Multisim设计功放仿真分析电路,借助其强大的仿真分析能力对功放偏置电路的设置以及功放电路性能与电路元件参数之间的量化关系开展深入研究,归纳总结仿真分析结果,为决定电路性能的关键电路参数的设置提供必要的数据支持,为后续远程实验平台界面构架的设计开发奠定理论研究基础。
  (2)硬件电路开发及单片机与硬件电路通信的实现。根据电路仿真分析的优化结果,融合单片机及数字电位器控制技术,完成基于NI ELVIS 平台的硬件电路设计及实现,并通过软件编程实现单片机对电路中数字电位器的控制,完成了实验平台硬件实验研究环境的构建。
  (3)虚拟电路仿真实验环境构建及人机交互实验的开发。利用LabVIEW与Multisim联合仿真,将LabVIEW的采集测量、控制开发功能与Bisquare算法、Multisim电路分析功能结合,完成功放偏置电路、导通角以及电路特性分析功能的研究实现及实验界面开发。学生可通过实验界面中的控件设置电路参数,并在显示界面中以图形、图表及数据形式直观展示实验结果,有效解决了电路分析中“如果……会怎么样”的难题。
  (4)硬件电路实验研究环境构建及基于 LabVIEW 电路控制界面的开发。利用LabVIEW环境下的编程开发实现LabVIEW与单片机的串口通信及实验界面中虚拟控件对功放电路中数字电位器的精准控制。采用 VI 调用技术完成基于 NI ELVIS 平台的硬件电路测试分析,实现虚、实融合实验设计开发目标。
  (5)远程化功能实现及系统性能测试。利用LabVIEW的WEB发布技术实现实验平台的远程接入,通过网页访问平台界面,并根据学生需求对虚拟电路仿真分析及实际硬件电路性能测试进行选择切换,实现了硬件电路测试结果对虚拟仿真分析有效性的验证。
  测试表明,本文所研究开发的平台充分利用、融合了多种先进信息技术优点,采用虚实结合、远近结合的构建方式,将功放电路的基本理论分析、仿真电路研究及硬件测试合为一体。其界面设置合理,操作灵活方便,研究内容丰富,分析功能强大,具有较强的实时性和实用性,能够很好地满足综合电路实验教学平台的教学需求,具有一定的实用价值。
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