LabVIEW开发虚拟与现实融合的数字电子技术渐进式实验系统

LabVIEW开发虚拟与现实融合的数字电子技术渐进式实验系统

数字电子技术是所有电气专业的重要学科基础，具有很强的理论性和实践性。其实验是提高学生分析、设计和调试数字电路能力，培养学生解决实际问题的工程实践能力，激发学生创新意识，提高学生科研素养的重要途径。

传统的数字电子技术实验大多依靠实验箱在实验室进行，存在以下问题。一是实验箱使用时间长，损坏严重，可靠性差，功能单一。学生往往专注于布线和阅读实验结果，而忽视了对电路原理的理解，不利于培养学生的实践能力和创新能力。其次，实验箱体积庞大，携带不方便。学生经常需要在指定的时间进入实验室完成指定的实验，这不利于随时随地进行实验。第三，由于实验设备、实验场地和选课学生人数等因素的影响，实验教学滞后理论教学时间过长，不利于学生实践能力的培养。

为了解决数字电子实验中的问题，利用3ds Max、LabVIEW、Proteus等工具设计了虚拟实验系统，突破了实验设备和场所的限制。开发了经济实验平台，既满足了基础教学的需要，又弥补了设备不足的困境。使用 NI myDAQ 和 FPGA 设计了电子技术袖珍实验室，可用于课程实验、科技创新竞赛等场合。总的来说，虚拟实验系统打破了物理实验系统的极限，但它存在一些缺点，例如无法接触实际设备，以及仿真结果与实际结果的偏差。物理实验系统应降低系统使用门槛，兼顾基础实验验证和创新能力训练的需要。

结合虚拟实验系统和物理系统的优势，设计了虚拟与现实融合的数字电子技术综合实验系统，解决了传统实验室存在的问题，完成了虚拟仿真、物理验证、综合设计的全过程，实现了创新能力的逐步培养。

数字电子技术的综合实验系统包括虚拟实验系统和物理实验系统两部分。这两部分可以独立使用，也可以同时运行。

物理实验系统以Altera的Cyclone IV系列芯片EP4CE10F17C8N为核心，包括电源模块、断电后继续保存配置的闪存模块、配置FPGA模式的配置模块、DIP开关组成的逻辑输入模块、发光二极管和7段显示器组成的逻辑输出模块、以及与虚拟实验系统交互的串行通信模块。

 基于LabVIEW的虚拟实验系统完成了界面设计、实验的虚拟仿真以及与物理实验系统的交互。

1）运行模式配置

为了兼顾用户的差异化需求，系统包括虚拟仿真实验模式、物理实验模式和联合实验模式三种模式。虚拟实验系统通过全局变量完成运行模式配置，决定是否启用物理实验系统的逻辑输入。

2）串行通信方式配置

虚拟实验系统使用LabVIEW的VISA模块完成串口配置。通信参数为8位数据位，偶校验，2位停止位。使用波特率为 115200。数据格式以 0xAA 开头，以 0x55 结尾。

实验操作模块的界面分为虚拟模拟区和实验描述区两部分。

串行端口发送模块、串口接收模块和全加法模块均采用FPGA设计。

随着工程教育认证和新兴工程教育的进一步推进，创新能力的培养成为人才培养的核心环节。针对数字电子技术实验体系的不足，从“以学生为中心”的角度出发，设计了虚拟与现实相结合的渐进式实验体系。首先，基于“袖珍实验室”的设计理念，实验系统不仅便携而且价格便宜。学生无需进入实验室即可携带实验系统随时随地进行实验，提高了学生的参与度，激发了学生的学习热情。其次，实验体系兼顾了学生的差异化需求。学生不仅可以利用实验系统在课程实验中进行虚拟仿真和硬件验证，还可以利用实验系统进行课程设计和科技创新，满足学生自我发展的需要，实现创新能力的逐步培养。

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