数字逻辑仿真实验环境的建设与探索

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文章编号：1962-5913(2008)15-0108-03

摘要：本文阐述了将仿真技术应用到数字逻辑实验教学中的理论过程，同时针对哈尔滨工程大学计算机虚拟实验教学中心下属的数字逻辑虚拟实验教学的实际建设情况进行了详细的论证。

关键词：仿真；数字；逻辑；教学

中图分类号：G642

文献标识码：A

1引言

当前，为了适应新的社会需求和计算机专业学生的培养需要，全国各高校均加强了对嵌入式人才的培养力度，计算机硬件系列教学的必要性显得尤为突出。但由于硬件实验设备以及仪器的升级换代速度非常快，特别是当前创新教育引领学生发展的环境下，平均不到两年，设备的配置就已无法满足学生的创新实验需要。设备仪器的被动淘汰必然产生大量的更新需求，高额的实验设备采购费用始终是横亘在计算机专业创新人才培养道路上的阻碍。

此外，计算机硬件教学的资源相对还十分有限，面向门类繁多的硬件实验教学课程，显得捉襟见肘。同时，由于设备的长时间超负荷运转，也无形中增加了设备的磨损和维修频率，严重影响了实验的教学效果和人才的培养程度。

在这样的强势需求下，将仿真技术应用到实验教学中来构筑完整的多学科多门类的虚拟实验教学中心，具有不言而喻的优势和潜力。它可以减轻教学人员的负担，使其更多地投入到实验教学改革中去；可以满足任意数量学生在任意时间的创新实验和学习；可以很方便地实现系统升级换代，调整设备配置，以插件的方式对虚拟设备进行更新。

2数字逻辑仿真技术的理论基础

对于创新人才的培养，最注重的是实践能力的培养，由实验转为实践。不仅仅是教学内容由验证型向设计型，综合型的形式转变，它更注重的是教学方法的改变，即教师少讲内容，多引导学生思维。虚拟实验中心面向新的培养目标能够有的放矢地进行模拟实验演示，仿真实验数据分析，综合型实验检测，问题跟踪等一系列需要教师和学生进行1:1授课才有可能真正意义完成的教学任务。

通过仿真技术构筑起来的虚拟实验中心，依托于校园网络，可以实现最大负荷情况下的多人数在线仿真实验。在仿真环境中，教师是建设者，仿真系统本身是服务人员，监控系统是后勤保障。其结构如图1所示：

(1) 多用户条件下，用户的基本信息与教务处学生信息管理系统直接相连，数据跨平台共享；

(2) 根据登录信息，记录其访问行为，即实验日志，内容主要包括：实验时间，实验内容，操作是否规范，操作是否熟练，对于随机问题的排错和调试能力等；

(3) 根据实验的基本考核点，计算其实验成绩，如对于数字逻辑实验，学生的实验成绩(M)：

M=(实验完成时刻-开始时刻)/实验规定完成时间*0.3+(实际配错数目/随机产生错误数据)*0.2+实验结果是否正确*0.5

对于数字逻辑仿真实验来说，实验结果是否正确，由系统知识库自动判定，根据输出结果，动态输出权值，该值的范围在0.5-1之间取值。对于不同的实验类型和内容，系统依据知识库进行相应的判定和成绩输出。学生的成绩最终存储到成绩库，成绩由系统判定，并定时备份和上传，无法更改。

3数字逻辑实验仿真的运行过程

数字逻辑仿真实验室的逻辑运行结构如图2：

首先，学生完成登录操作，可以浏览虚拟实验教学中心基本介绍，在虚拟环境下参观教学中心。

(1) 学生选择进入数字逻辑及电路仿真实验室，电子门禁自动记录该人员实验时间；

(2) 进入实验室，可多角度观察该实验室，进入某位置入座；

(3) 根据实验目标，学生可根据需要选择虚拟元器件类型和数目。如果选择不理想，在后期实验过程中，可以动态申请元器件数目和类型。但对于指定元器件的数目和类型的实验，选择是无效的；

(4) 向网络管理员申请要进行实验的内容，系统会进行仿真环境快速建模，针对实验内容搭建实验平台，同时评判系统开始工作，记录学生的开始时间和每一个实验操作及对随机错误的调试等，随机错误由知识库生成，特别地，知识库还存储着实验内容的演示结果，元器件的逻辑内容；

(5) 学生开始进行实验，检查完毕，申请结束；

(6) 专家系统启动，根据所完成数字逻辑电路，实测输入输出，并和理论值进行比较，对于错误的结果，回溯逻辑电路，找到问题并记录；

(7) 计算成绩M，并结合知识库，由专家系统提出电路存在的问题和不足；

(8) 学生可选择性的观看正确的实验操作过程和演示，也可以选择回放自己的实验过程，加深理解；

(9) 离开实验室，门禁系统登记，注销该用户；

4数字逻辑实验仿真的具体实现

(1) 数字逻辑实验仿真环境的构建从逻辑角度主要包括以下几个部分：

数字电路运行及展示效果发生器，负责学生对虚拟元器件的操作接口，同时还负责对虚拟电路运行的演示效果。

实验环境快速建模仿真器以及实验室实景仿真器，是虚拟实验室建设的核心部分。首先，定义了虚拟实验室的运行逻辑；其次，定义了虚拟实验室实验内容的操作流程和控制行为的管理；再次，定义了知识库访问机制；特别地，定义了实验室运行和维护的基本准则和逻辑流程。

虚拟实验室应用管理系统，是实验室正常运行的软件保障，包括用户管理，数据库访问管理，实验内容管理，逻辑知识管理。

组件构造系统，定义了虚拟元器件的类型和图形展示方案；定义了虚拟实验中心的图形展示和方案；定义了所有动态演示方案；

(2) 如图3所示，数字逻辑实验仿真环境的构建从实现角度主要包括以下几个部分：

仿真环境：仿真环境是进行数字逻辑仿真实验的基础。通常来说，主要是指形成数字逻辑实验平台，包括必要的虚拟插槽，开关，脉冲，电源等基础部件；在仿真环境下，才能进行基本的仿真实验的准备工作。

仿真元素：仿真元素是指仿真环境下的虚拟逻辑芯片。仿真元素具有自定义、可扩展的特点。通常，在仿真环境下，为用户提供元素自定义模板。用户可以自定义元器件的引脚排列、内部逻辑等信息。

数据存储：数据存储主要完成两个层面的过程数据管理。首先，对每一种仿真元素的静态逻辑信息的保存；其次，完成仿真过程中的逻辑布线环境下的数据分析和记录。

专家系统：专家系统负责对仿真工作的正确性进行判定。根据数据存储提供的记录输出仿真操作所产生的结果，并同知识库中的理论数据比较鉴定，进而给出判定结论。

仿真助手：属于仿真结构中的帮助系统。提供操作过程中实时的指导，既包括对仿真操作本身的引导，同时也包括对仿真内容的知识层面的介绍和分析。

知识库：静态数据，并不断充实。为仿真环境提供数据支撑。

5未来的发展方向

哈尔滨工程大学计算机实验教学中心继承和发扬“哈军工”的优良传统，经多年实践，中心积累了丰厚的教学经验，确立了“强基础、重能力、抓创新”的教学理念，伴随着仿真技术的探索和仿真实验环境的逐步成熟和改善，实验教学中心的实验教学充满生机和活力，深受广大学生欢迎。实验教学中心为大学生的创新能力、动手能力、协作能力的培养发挥了不可替代的重要作用。

参考文献：

[1] 武俊鹏,孙建国,张国印. 虚拟现实技术在计算机实验教学中的应用[J]. 计算机教育,2007,(24).

[2] 曾芬芳. 虚拟现实技术[M]. 上海交通大学出版社,1997.

[3] [美]Vince J. Virtual Reality Systems[M]. Addison Wesley Publishing,1998.

[4] 方恺晴,石琳,林亚平. 虚拟电子实验台在实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索,2000,(1).

[5] 赵沁平,陈小武. 虚拟现实技术与应用[J]. 中国计算机报,2001,(2).

Exploration and Building to the Experiment Environment of Digital Logic Simulation

SUN Jian-guo, WU Jun-peng, ZHANG Guo-yin

Abstract: It is introduced that the theory process of applying the simulation tech. to the digital logic education. Meanwhile, it is discussed that the situation of the virtual experimental education belonging to the HEU Virtual Experiment Center.

Key Words: Simulation, Digital, Logic, Education