商洛学院申报国家级虚拟仿真实验教学中心

国家级虚拟仿真实验教学中心 申 请 书 虚拟仿真实验教学中心 教 育 主 管 部 门 陕 西 省 教 育 厅 学 校 名 称 商洛学院 学校管理部门电话 0914 2986020 开放共享访问网址 申 报 日 期 2015 年 7 月 10 中中华华人民共和国教育部高教司制人民共和国教育部高教司制 填 写 说 明 1 申请书中各项内容用 小四 号仿宋体填写 2 表格空间不足的 可以扩展 1 基本情况 虚拟仿真实验教学中心名称 虚拟仿真实验教学中心 实验教学示范中心名称 级别 省级或国家级 大学物理实验教学中心 省级批准时间2011 年 1 1 虚拟仿真实验教学中心的发展历程 建设概况 1 2 虚拟仿真实验教学中心建设必要性 1 3 虚拟仿真实验教学中心特色与创新 2 虚拟仿真实验教学资源 实验课程数 面向专业数实验学生人数 年实验人时数 年 2 1 实验 教学 情况 95120014400 2 2 虚拟仿真实验教学资源 罗列实验项目 功能及效果 提供不少于三个典型实验项目的具体 实验流程 电气工程及其自动化专业仿真实验室由基础课仿真实验室 专业基础课仿真实验室和专 业课仿真实验室组成 基础课仿真实验室主要完成大学物理实验 2 2 1 基础课仿真实验室及其功能 基础课仿真实验室始建于 2010 年 是中央财政支持地方建设项目资金建成 使用面积 90 平米 微机 48 台 配套大学物理仿真实验教学系统一套 网络交换机等辅助设施齐全 总价值 102 万元 面向电气工程及其自动化专业 全校其它理工科专业及其他物理爱好者开放 其功 能有 落实实验课虚实结合的指导思想 是大学物理实验预习的手段 大学物理实验课程的重 要组成部分 根据大学物理实验仪器的台件数 每个参加大学物理实验的教学班至少分两个实 验小组 在循环轮回实验过程中 不作实验的小组安排在仿真实验室通过仿真软件预习实验 在思想上加深普通物理的印象 提高对物理规律的认识 课外学习大学物理实验的重要资源 本虚拟实验是包括 78 个大学物理实验虚拟仿真实 验项目 涵盖了所有的大学物理实验大纲罗列的实验项目 演示视频 电子教材及多媒体课件 等 作为课外学习大学物理实验的重要资源平台 一直不断地更新和添加网络教学资源 确保 拥有先进的实验教学及教学管理软件系统 提高网络共享程度 我校应用中央财政支持地方建 设项目 完善校园网建设 实现无线网 WiFi 全覆盖 我们将所有的仿真实验项目上网 面向全 校师生开放 学生凭学号 教师应用工号可以随时随地在网上访问实验中心 仿真学习大学物 理实验 为教师备课提供资源 为学生自主学习提供条件 预约实验 完善实验室管理功能 通过系统的预约端学生可以预约大学物理实验 为大 学物理实验中心各实验室提高仪器使用效率 面向全校师生开放提供了技术保障 实验考试功能 本虚拟实验平台配备了大学物理实验试题库和相应的评阅系统 学生可 以进行实验辅导 答疑和讨论 实验报告提交 下载大学物理实验考试试题答卷进行自我评价 教师载体库中抽题考试组织考试 对整体教学效果进行测评等 基础课仿真实验我们使用的软件及对应的仿真实验项目如下 表 1 大学物理虚拟仿真资源涵盖的实验项目 实验室实验项目名称所属课程面向专业 学生 人数 实验 时数 单摆法测量重力加速 度 大学物理 实验 7202 气垫上的直线运动 大学物理 实验 7202 受迫振动 大学物理 实验 7202 刚体转动惯量的测试 大学物理 实验 7204 碰撞和动量守恒 大学物理 实验 7204 扭秤法测万有引力常 量 大学物理 实验 7202 物理天平与密度测量 大学物理 实验 7202 凯特摆测重力加速度 大学物理 实验 7202 超声波测声速 大学物理 实验 7202 钢丝杨氏模量的测定 大学物理 实验 7204 三线摆测定刚体转动 惯量 大学物理 实验 7202 力 学 实 验 室 误差分析与数据处理 大学物理 实验 物理学 食品科学 生物科学 生物技术 化学 应用化学 金属材料工程 数学与应用数学 食品科学与工程科学 制药工程工程 计算机科学与技术 网络工程 7204 空气比热容的测定 大学物理 实验 2892 热膨胀系数的测定 大学物理 实验 2892 居里温度的测定 大学物理 实验 2894 良导体导热率的动态 测量 大学物理 实验 2892 不良导体热导率的测 量 大学物理 实验 2892 半导体温度计的设计 大学物理 实验 2892 热 学 实 验 室 热敏电阻温度特性研 究实验 大学物理 实验 物理学 食品科学 生物科学 生物技术 化学 应用化学 金属材料工程 数学与应用数学 电子信息科学 电子信息工程 电气工程及其自 动化专业 2894 用示波器测时间 大学物理 实验 5102 交流谐振电路及介电 常数测量 大学物理 实验 5104 检流计的特性研究 大学物理 实验 5102 直流电桥测量电阻 大学物理 实验 5102 交流电桥 大学物理 实验 5102 R C 电路实验 大学物理 实验 5102 太阳电池的特性测量 大学物理 实验 5102 设计万用表实验 大学物理 实验 5102 整流滤波电路实验 大学物理 实验 5102 螺线管磁场及其测量 大学物理 实验 5102 电 磁 学 实 验 室 动态磁滞回线的测量 大学物理 实验 物理学 食品科学 生物科学 生物技术 化学 应用化学 金属材料工程 数学与应用数学 电子信息科学 电子信息工程 电气工程及其自 动化专业 5104 霍尔效应实验 大学物理 实验 5102 双臂电桥测地电阻实 验 5102 傅立叶光学实验光学302 单透镜实验实验302 光学设计实验透镜参 数测量 光学 实验 302 超声光栅实验 光学 实验 302 偏振光研究实验 光学 实验 302 椭圆偏振法测薄膜厚 度和折射率 光学 实验 302 组合透镜测焦点焦距 光学 实验 302 扫描隧道显微镜 光学 实验 302 法布里 泊罗标准具 实验 实验 302 迈克耳逊干涉仪 光学 实验 302 分光计实验 光学 实验 302 干涉法测微小量 光学 实验 302 光强调制法测光速 光学 实验 302 光 学 实 验 室 椭圆仪测折射率和薄 膜播磨厚度 光学 实验 物理学 302 大学物理仿真实验门户系统 用户通过 web 访问大学物理仿真实验 2010 版 使用浏览器中访问 大学物理仿真实验 2010 时 如浏览器的 silverlight 插件未安装或 Sliverlight 版本过低 浏览器会自动跳转到插件安装页面 如图所示 在此页面选择安装插件 进行安装 浏览器插件下载页面 浏览器的插件安装完毕后 关闭浏览器 重新启动浏览器 就可正常访问 大学物理仿真实 验 2010 如下图所示 大学物理仿真实验 2010 登录页面 2 用户通过实验大厅登录系统 完成仿真实验 用户运行实验大厅 进入登录界面 首先选择 网络设置 按钮设置大学物理仿真实验 2010 服务器的网络地址和端口号 如下图所示 网络设置完毕后 在登录界面输入用户名和密码 进入实验大厅 鼠标双击实验列表中的实验 如上图红框所示实验 下载相应的实验内容后 再次双击对 应实验 即可打开实验 进行操作 2 实验过程的具体流程 三个实验 碰撞和碰撞和动动量守恒量守恒 1 在主界面上选择 碰撞和动量守恒 图标并单击 即可进入本实验 看到实验台和仪器图标 用鼠标在实验台面上四处游动 当鼠标指向仪器图标时 鼠标指处会显示相应的仪器信息 单 击滑块和气垫导轨 会动画显示相应仪器的结构 2 在实验台面上单击鼠标右键 弹出主菜单 鼠标左键单击相应的菜单 则进入相应的实验 参 见图 1 图 1 3 选择主菜单的 实验简介 并用左键单击 可以打开实验介绍文档 如图 2 图 2 单击 返回 按钮 则返回实验室主台面 4 选择主菜单的 实验原理 并用左键单击 可以打开类似于实验介绍的实验原理文档 单击 返 回 按钮 则返回主窗口 5 选择主菜单的 实验内容 并用左键单击 打开类似于实验介绍的实验内容文档 单击 返回 按钮 则返回主窗口 6 在主菜单上选择 退出实验 项 则全部结束本次碰撞和动量守恒实验 二二 气气垫导轨垫导轨的的调调平平 1 在主菜单上选择 开始实验 项 左键单击 则进入该实验台面 图 3 图 3 2 在实验台面上单击鼠标右键 弹出菜单 列有 碰撞与动量守恒实验 退出 两项 选择 碰 撞与动量守恒实验 进入碰撞与动量守恒实验 选择 退出 返回到主窗口 3 单击界面左上方则产生如图 4 的画面 4 分别单击滑块 数字毫秒计和支脚螺丝 会分别弹出放大视图 图 5 调节三个支脚螺丝 观察滑块视图 使滑块与轨面两侧的间隙一致 观察毫秒计 并同时调节 支脚螺丝 直到滑块通过两个光电门所用的时间差小于 1ms 三三 碰撞与碰撞与动动量守恒量守恒实验实验 1 在实验菜单上选择 碰撞与动量守恒实验 进入实验界面如图 6 单击数字毫秒计 会弹出放大视图 2 单击界面左上方则产生如图 7 的画面 1 单击界面左上方则产生如图 8 的画面 4 从菜单中选择实验状态 根据力度显示瞬间拖动大滑块并放开鼠标 滑 块会产生碰撞 大滑块两次经过光电门和小滑块第一次经过光电门的数据会自动记录到数据 记录表中 若有错误数据 选中该数据后按 删除 单击滑块复位按钮 滑块自动复位 重复实 验 数据记录完后 按 计算 键 计算相应的数据 5 选择 退出 菜单 退出实验 核磁共振核磁共振实验实验 1 单击频率计开关打开频率计 2 单击核磁共振仪开关打开核磁共振仪 3 左击 右击旋柄改变磁铁间距和磁场强度 4 左击 右击边限调节旋钮 调节边限振荡器 5 左击 右击频率调节旋钮 调节频率 观察内扫法现象 6 单击示波器的选择开关使其打到外扫档 观察外扫法现象 7 可以通过单击样品来改变样品 偏振光研究偏振光研究实验实验 1 主窗口 主窗口 打开偏振光观察与研究的仿真实验 2 正式开始正式开始实验实验 1 开始实验后 从实验仪器栏中点击拖拽仪器至实验台上 2 光源调节 双击桌面上光源小图标 弹出光源的调节窗体 可以单击光源的开关按钮 切换光源的开关状 态 同时可以点击 选择发出光 按钮来选择光源发出光类型 光源默认发出的是 自然光 3 偏振片调节 双击桌面上偏振片小图标 弹出偏振片的调节窗体 初始化时偏振片的旋转角度是随机的 用 户使用时需要手动去校准 最大旋转范围为 360 最小刻度为 1 可以通过点击调节窗体中旋 钮来逆时针或顺时针旋转偏振片 表示顺时针旋转 表示逆时针旋转 旋转的 最小刻度单位为 1 当鼠标按住选择不放 则偏振片则会不停的旋转 直到鼠标松开 4 波晶片调节 含 1 2 和 1 4 波晶片 双击桌面上波晶片小图标 弹出波晶片的调节窗体 初始化时波晶片的旋转角度是随机的 用 户使用时需要手动去校准 最大旋转范围为 360 最小刻度为 1 可以通过点击调节窗体中旋 钮来逆时针或顺时针旋转偏振片 表示顺时针旋转 表示逆时针旋转 旋转的 最小刻度单位为 1 当鼠标按住选择不放 则偏振片则会不停的旋转 直到鼠标松开 5 光屏调节 双击桌面上光屏小图标 弹出光屏的调节窗体 光屏界面会显示一个光圈 光圈中的光的强度 是会根据光源 偏振片 波晶片之间的关系来自动调整的 另外光屏中会显示当前光强的数值 最大值为 100 6 实验中用户打开光源 选择好发出光类型后 可以通过旋转偏振片 波晶片来观察光屏上光 强的变化 7 保存数据 单击记录数据按钮弹出记录数据页面 在记录数据页面的相应地方填写实验中的测量数据 点击关闭按钮 则暂时关闭记录数据页面 再次点击记录数据按钮会显示记录数据页面 8 原理演示功能 菜单选项 原理演示 偏振片性质 椭圆偏振光 9 其他辅助功能介绍 界面的右上角的功能显示框 在实验状态下 显示记录数据按钮 结束操作按钮 在考试状 态下 显示考试所剩时间的倒计时 记录数据按钮 结束操作按钮 显示试卷按钮 帮助按钮 单击可显示帮助文档 工具箱 下拉点击计算器 可以使用计算器 实验仪器栏 存放实验所需的仪器 可以点击其中的仪器拖放至桌面 鼠标触及到仪器 实验仪器栏会显示仪器的相关信息 仪器使用完后 则不允许拖动仪器栏中的仪器了 实验提示栏 显示实验过程中的仪器信息 实验内容信息 仪器功能按钮信息等相关信息 按 F1 键可以获得更多帮助信息 实验内容栏 显示实验内容信息 多个实验内容依次列出 可以通过单击实验内容进行实 验内容之间的切换 切换至新的实验内容后 实验桌上的仪器会重新按照当前实验内容进行初 始化 三 物理三 物理实验实验考考试试与自与自动动判卷系判卷系统统 1 系系统统功能功能界面界面 2 在在线线考考试试子系子系统统 2 1 实验实验操作操作题题管理管理 实验操作题指的是通过考察学生利用仿真实验软件完成实验要求的过程 来判断学生对实 验原理 实验技术 实验仪器使用等方面知识掌握程度和应用能力的题目 实验操作题利用虚 拟仪器和虚拟实验场景的技术 自动记录学生操作仿真实验完成实验要求的过程 并自动判定 学生的操作成绩 以达到减少判卷人员工作量 实现面向大面积学生的实验考试的问题 实验操作题具备自动判定成绩的功能 需要实现题目描述与仿真实验场景的信息交换 涉 及到大量软件技术 因而在系统开发时就内置在系统中 管理员及教师用户可以查看题目及评 分标准 并选择题目进行组卷 实验操作题的评分标准以每道题满分 100 分来核算各步骤的分 数 在组卷时 教师必须制定该题目在该试卷中的分值 实际评判时 按照相应的分值按比例 核算 学生在考试时 可以看到操作题的题目部分 评分标准不能查看 学生通过操作相应的仿 真实验完成操作题 仿真实验运行时 软件会在允许的范围内随机生成实验环境 随机生成的 实验环境作为软件自动评判成绩的标准答案 以避免抄袭作弊等现象 图图 实验操作题 2 2 考考试题库试题库管理管理 支持单选 多选 填空 判断等传统题型 可根据需要增删试题库中的题目 题目可定义分 值 难易 所属实验 学科等分类信息 图图 考试题库 2 3 考考试试试试卷管理卷管理 系统中内置了每个实验的试卷 可直接用于物理实验考试 也可根据教学需要自行组建试 卷 可设置分值 考试时间等 图图 教师组卷 2 4 考考试过试过程程组织组织 用于建立 修改 取消某次考试 可指定考试用的试卷 指定参加考试的学生 考试的起止 时间等 学生登录系统后 在指定时间参加考试 在线完成考试过程 考试过程中系统自动设置成 学生不能切换程序 只能进行考试 的状态 图图 学生考试大厅 2 5 试试卷批卷批阅阅与成与成绩绩管理管理 试试卷自卷自动动批批阅阅 系统中的所有试卷都是由系统自动评阅和统计的 用户可以对自动评阅的结果进行必要的 修改和调整 成成绩调绩调整整 用户可以通过手工评阅试卷修改卷面成绩 可以直接在列表中修改总评成绩 成成绩导绩导出出 把当前考试的成线以 Excel 表格的形式导出 成成绩查询绩查询 用户点击某一场考试的 开放查询 按钮后 对应的学生就可以在本系统查询个人成绩 四 网上预约实验系统 登陆界面 网上预约 2 2 2 专业基础课仿真实验室功能 电气工程及其自动化专业基础课仿真实验室始建于 2009 年 使用面积 60 平米 微机 35 台 网络交换机等辅助设施齐全 总价值 40 万元 主要服务于电路理论及电路理论实验 模拟 电路及模拟电路实验 数字电路与逻辑设计及数字电路与逻辑设计实验 微机原理与接口技术 及微机原理与接口技术实验等于电子信息科学与技术 电子信息工程专业等专业通用的电类 专业基础课 课程设计及实验课 大学生学科竞赛 科技创新活动 本科生毕业设计等教学任 务 其功能有 是电类专业基础课辅助教学平台 服务理论课课堂教学 教师将理论课课堂上难于讲清 的难点可以搬到仿真实验室通过软件仿真模拟 是问题形象具体便于理解 克服教学难点 是实验课教学的补充和延伸平台 每一门专业基础课实验结束前或课程中期 任课教师 根据需要 让学生学习电子线路 CAD 技术 自己设计搭建电子线路 通过仿真模拟电路性能 再回到实验室进行验证 感受从理论到实践的提升过程 增加学生思维的途径 提高动手能力 增强学习的兴趣和自信心 达到提高教学质量的目的 是大学生重要的创新实践平台 我院各专业的大学生学科竞赛 科技创新活动等课外活 动 本科生毕业设计等教学任务基本都在专业基础课仿真实验室准备或完成 近几年我们参加 的学科竞赛有国家及省级大学生电子设计大赛 10 人次获得不同级别的奖励 其中省级一等 奖 1 项 国家级二等奖 1 项 2014 年 第 7 届 中国大学生计算机设计大赛 西北赛区三等奖 陕 西省 TI 杯模拟混合电路应用设计竞赛三等奖 全国大学生数学建模竞赛陕西赛区本科组二等 奖 1 项 三等奖 5 项 2014 年 创青春 陕西省大学生创业大赛铜奖 大学生与研究生物理教学 技能展评 20 人次获奖 其中一等奖 2 项 二等奖 4 项 2013 年全国电子设计竞赛陕西赛区比赛 共派出 15 人组成 5 对参赛 其中 1 组获得三等奖 1 项 2014 年陕西省第四届大学生德州仪器 TI 杯模拟及模数混合电路应用设计竞赛 共派出 12 人组成 4 组参加比赛 其中 1 组获得三 等奖 1 项 2015 年第六届 蓝桥杯 全国软件和信息技术专业人才大赛 单片机设计与开发组 共派出 2 人参加个人赛 获得陕西赛区一等奖 1 项 二等奖 1 项 其中 1 人进入全国总决赛 并获得三等奖 1 项 2010 年以来 100 余名大学生的毕业设计 论文 在专业基础课仿真实验室 完成 A Multisim 软件 Multisim 是美国国家仪器 NI 有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具 适用于板 级的模拟 数字电路板的设计工作 它包含了电路原理图的图形输入 电路硬件描述语言输入 方式 具有丰富的仿真分析能力 工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图 并对 电路进行仿真 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容 这样学生无需懂得深入的 SPICE 技 术就可以很快地进行捕获 仿真和分析新的设计 这也使其更适合电子学教育 通过 Multisim 和虚拟仪器技术 可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的 综合设计流程 很好的解决了理论教学与实际动手实验相脱节的难题 学生可以很好地 很方 便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来 并且可以用虚拟仪器技术创造出 真正属于自己的仪表 极大地提高了学生的学习热情和积极性 真正的做到了变被动学习为主 动学习 这些在教学活动中已经得到了很好的体现 还有很重要的一点就是 计算机仿真与虚 拟仪器对教学也是一个很好的提高和促进 其完成仿真实验项目如下表 Multisim 软件仿真实验项目表 序号实验项目名称所属课程面向专业 学生 人数 实验 时数 1 电路基本元件 线性 与非线性电阻元件 的伏安特性测定 电路分析 电 路原理 电工 学 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 2 2 网络定理的实验研 究 电路分析 电 路原理 电工 学 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 2 3 等效变换原理及电 路最大功率传输的 实验研究 电路分析 电 路原理 电工 学 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 4 4 受控电源的实验研 究 电路分析 电 路原理 电工 学 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 2 5 电路暂态过程的实 验研究 电路分析 电 路原理 电工 学 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 4 6串联谐振实验研究 电路分析 电 路原理 电工 学 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 4 7 单管放大器及应用 模拟电路 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 4 8 晶体管放大电路设 计 模拟电路 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 4 9 场效应管放大器 模拟电路 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 2 机网络 10 负反馈放大器 模拟电路 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 2 11 差动放大器 模拟电路 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 2 12 模拟运算电路 模拟电路 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 4 13 有源滤波器 模拟电路 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 2 14 电压比较器 模拟电路 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 2 15 逻辑门的逻辑功能 数字电路与电子信息科学与技术 电子信息 2 与参数测试 逻辑设计 电 子技术 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 16 组合逻辑电路设计 数字电路与 逻辑设计 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 4 17 中规模组合逻辑电 路及其应用 数字电路与 逻辑设计 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 4 18 触发器及其应用 数字电路与 逻辑设计 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 2 19 计数器的设计 数字电路与 逻辑设计 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 机网络 4 20 555 定时器的应用 设计 数字电路与 逻辑设计 电 子技术 电子信息科学与技术 电子信息 工程 电气工程及其自动化 物 理学 计算机科学与技术 计算 2 机网络 实验操作实例 例 1 构造同步 16 进制计数器 并用 7 段数码管进行观测 通过运行仿真验证电路 功能 在这个电路的基础上将计数器改为 10 进制 并通过仿真验证修改结果是否正确 注 显示 0 9 首先选用 T 触发器和带译码的 7 段数码管和与门一起构成 4 位 16 进制计数器如 图 1 在电路中选用 1Hz 矩形波发生器 通过仿真观测运行的情况 图 1 使用异步置零法 在图中加入反馈电路 当触发器的状态变为 1010 时通过 Reset 端对触发器进行清零 电路设计结果如图 2 通过仿真可以观测到电路已经成为 10 进 制计数器 图 2 例 2 分析已经给出的阶梯波发生器 电路如图 3 通过运行仿真观测电路的功能 通过改变信号源的参数来改变阶梯波的频率 同时用示波器进行观测 图 3 从图中可以看到 电路大致分为两个部分 上部分为 4 个 T 触发器和相应门电路构 成的 16 进制计数器 下部分为 D A 转换器 电路的信号源为矩形波发生器 通过示波 器观测到的波形如图 4 图 4 B MATLAB 软件 MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的用于算法开发 数据可视化 数据分析以及数 值计算的高级技术计算语言和交互式环境 主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分 主要面 对科学计算 可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境 它将数值分析 矩阵计算 科学 数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环 境中 为科学研究 工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解 决方案 并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式 代表了当今国际科学 计算软件的先进水平 MATLAB 可以进行矩阵运算 绘制函数和数据 实现算法 创建用户界 面 连接其他编程语言的程序等 主要应用于工程计算 控制设计 信号处理与通讯 图像处理 信号检测等领域 MATLAB 软件仿真实验项目表 序号实验项目名称所属课程面向专业 学生 人数 实验 时数 1 典型环节的阶跃 响应实验 自动控制原 理 电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 2 2 二阶系统的单位 阶跃响应实验 自动控制原 理 电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 4 3 根轨迹及系统稳 定性实验 自动控制原 理 电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 4 4 系统的频率特性 实验 自动控制原 理 电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 4 5 自动控制系统的 动态校正 自动控制原 理 电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 4 MATLAB 应用典型实例 图 5matlab 启动界面 图 6 matlab 工作界面 图 7 matlab 插值算法结果 图 8 matlab 在通讯系统设计与仿真中的应用 C Visual C Microsoft Visual C 简称 Visual C MSVC VC 或 VC 是 Microsoft 公司推出的开 发 Win32 环境程序 面向对象的可视化集成编程系统 它不但具有程序框架自动生成 灵活方 便的类管理 代码编写和界面设计集成交互操作 可开发多种程序等优点 而且通过简单的设 置就可使其生成的程序框架支持数据库接口 OLE2 WinSock 网络 3D 控制界面 它以拥有 语法高亮 IntelliSense 自动完成功能 以及高级除错功能而著称 比如 它允 许用户进行远程调试 单步执行等 还有允许用户在调试期间重新编译被修改的代码 而不必 重新启动正在调试的程序 其编译及建置系统以预编译头文件 最小重建功能及累加连结著称 这些特征明显缩短程式编辑 编译及连结花费的时间 在大型软件计划上尤其显著 Visual C 软件仿真实验项目表 序号实验项目名称所属课程面向专业 学生 人数 实验 时数 1 Visual C 6 0 集成 开发环境和简单 C 程序 面向对象程序设计 电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 2 2 类和对象 面向对象程序设计电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 4 3 继承与派生 面向对象程序设计电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 4 4 多态性与虚函数 面向对象程序设计电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 4 5 流 流类 流类体系 面向对象程序设计电子信息科学与技 术 电气工程及其 4 自动化 6 约瑟夫环问题 算法与数据结构电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 2 7 停车场管理 算法与数据结构电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 2 8 二叉树基本操作 算法与数据结构电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 4 9 图的基本操作 算法与数据结构电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 4 10 哈希表设计 算法与数据结构电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 2 11 常用排序算法的对比 分析 算法与数据结构电子信息科学与技 术 电气工程及其 自动化 4 D Quartus II Quartus II 是 Altera 公司的综合性 PLD FPGA 开发软件 原理图 VHDL VerilogHDL 以 及 AHDL Altera Hardware 支持 Description Language 等多种设计输入形式 内嵌自有的综合 器以及仿真器 可以完成从设计输入到硬件配置的完整 PLD 设计流程 Quartus II 可以在 XP Linux 以及 Unix 上使用 除了可以使用 Tcl 脚本完成设计流程外 提供了完善的用户图形界面设计方式 具有运行速度快 界面统一 功能集中 易学易用等特 点 Quartus II 支持 Altera 的 IP 核 包含了 LPM MegaFunction 宏功能模块库 使用户可以充 分利用成熟的模块 简化了设计的复杂性 加快了设计速度 对第三方 EDA 工具的良好支持也 使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方 EDA 工具 此外 Quartus II 通过和 DSP Builder 工具与 Matlab Simulink 相结合 可以方便地实现各 种 DSP 应用系统 支持 Altera 的片上可编程系统 SOPC 开发 集系统级设计 嵌入式软件开 发 可编程逻辑设计于一体 是一种综合性的开发平台 Maxplus II 作为 Altera 的上一代 PLD 设计软件 由于其出色的易用性而得到了广泛的应 用 目前 Altera 已经停止了对 Maxplus II 的更新支持 Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件 类型的丰富和图形界面的改变 Altera 在 Quartus II 中包含了许多诸如 SignalTap II Chip Editor 和 RTL Viewer 的设计辅助工具 集成了 SOPC 和 HardCopy 设计流程 并且继承了 Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法 Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境 由于其强大的设计能力和直观易用的接口 越来越受到数字系统设计者的欢迎 Quartus 软件仿真实验项目表 序号实验项目名称所属课程面向专业 学生 人数 实验 时数 1 全加器EDA 技术 电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 2 2 多路选择器 EDA 技术电子信息科学与技术 电气 2 工程及其自动化 3 计数器 EDA 技术电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 4 4 7 段数码管控制 接口 EDA 技术电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 2 5 有限状态机 EDA 技术电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 4 6 秒表设计 EDA 技术电子信息科学与技术 电气 工程及其自动化 4 Quartus II 仿真软件应用实例 基于 QuartusII 通过实验板上的 KEY1 按钮控制 FPGA 核心板上的第一个 LED 灯 本实 验比较简单 使用本站 FPGA 开发板或者 CPLD 开发板以及其它 FPGA 开发板都可进行实验 下面实验目的 通过该实例学习 可以了解 FPGA 的基本开发流程 熟识 quartusII 软件基本功 能的使用 基本原理 利用一个常开按钮 实验板上的 KEY1 作为输入 常开时输入 1 闭合时输入 0 经过一个反相器后输出到核心板的第一个 LED KEY1 常开时 LED 亮 按下 闭合 实验 板上的 KEY1 该 LED 熄灭 建立工程 运行 QuatrusII 软件 以下简称 Q2 建立工程 File New Project Wizad 如点击 New Project Wizard 后弹出指定工程名的对话框 在 Diectory Name Top Level Entity 中如下图 填写 按 Next 按钮 出现添加工程文件的对话框 在这里我们先不用管它 直接按 Next 进行下 一步 选择 FPGA 器件的型号 在 Family 下拉筐中 我们选择 Cyclone 系列 FPGA 然后在 Available devices 中根据核 心板的 FPGA 型号选择 FPGA 型号 注意在 Filters 一栏选上 Show Advanced Devices 以显示 所有的器件型号 执行下一步出现对话框 这里是选择其它 EDA 工具的对话框 我们用 Q2 的 集成环境进行开发 因此这里不作任何改动 按 Next 进入工程的信息总概对话框 按 Finish 按 钮即建立一个空项目 4 建立顶层图 执行 File New 弹出新建文件对话框 选择 Block Diagram Schematic File 按 OK 即建立一个空的顶层图 缺省名为 Block1 bdf 我们把它另存为 File Save as 接受默认的文件名 并将 Add file to current project 选项选上 以使该文件添加到工程中去 如图所示 添加逻辑元件 Symbol 双击顶层图图纸的空白处 弹出添加元件的对话筐 6 在 Libraries 里寻找所需要的逻辑元件 如果知道逻辑元件的名称的话 也可以直接在 Name 一栏敲入名字 右边的预览图即可显示元件的外观 按 OK 后鼠标旁边即拖着一个元件 符号 在图纸上点击左键 元件即安放在图纸上 在图纸上分别添加非门 not 输入 input 输出 output 三个 symbol 如图所示 连线 将鼠标移到 symbol 连线端口的那里 鼠标变成图示模样 按下左键拖动鼠标到另一 个 symbol 的连线端 本例中 这三个 symbol 的连线如下图所示 分别双击 input 和 output symbol 的名字 pin name pin name1 将它们的名字改为 Key1 LED1 分配管脚 为芯片分配管脚可以用 QuartusII 软件里的 Assignments Pins 菜单 也可以用 tcl 脚本文 件 用 Tcl 文件进行配置可重用性好 易于管理 因此本文介绍用 tcl 的方法 对于另一种方法 可以参考 QuartusII 软件的帮助文档 在工程目录下建立一个 name 为 Setup tcl 的 file File New 选择 other files 页面 有关 tcl 文件的更详尽内容可参考 QuartusII 的帮助文档 对于我们所选用的 FPGA 开发 板 SOPC 开发板来说 由于不同型号的 FPGA 核心板的管脚与实验板上的引脚也不同 因此不 同的核心板对应的 tcl 文件也不同 关于核心板引脚与实验板引脚对应的详细情况可以参照相 关电路原理图 在实际项目中 该文件也可以根据具体管脚分配要求来改写 对应于 EP1C6 FPGA 开发板 EP1C12 FPGA 开发板 Setup tcl Setup pin setting set global assignment name RESERVE ALL UNUSED PINS AS INPUT TRI STATED set global assignment name ENABLE INIT DONE OUTPUT OFF set location assignment PIN 1 to led1 set location assignment PIN 122 to key1 保存到工程目录下 并注意在保存对话框选上 Add file to current project 选项 然后打开 Tools Tcl Scripts 选中刚才编辑的 Script 文件 Setup 并点击 Run 如下图 注意 建立工程时如果路径名有中文字符或者路径名有空格字符 则 tcl Script 文件将运行 不了 例如 本例建立的工程 FPGA led test 目录是 C alteraquartus51myq2projectsFPGA led test 如果是 C alteraquartus51my q2projectsFPGA led test 在该目录下运行工程里的 setup tcl 就会出错 如果使用 Tools Tcl Scripts 后没有弹出 tcl Script 对话框可以试一下关了 QII 再 重新打开 使用 TCL 文件分配管脚是很方便的 用户可以直接从相关例子工程中复制需要管 脚分配表到自己的工程中 省时又方便 2 2 3 专业课仿真实验室功能 电气工程及其自动化专业研究的发电厂 输变电等实际工作设备 工作环境绝大部分不可 能在实验室显现或操作 所以该专业的专业实验室我们的建设思路是认知加仿真的模式 即让 学生到真实的发电厂 输配电单位 用电企业去实地考察认知 对专业课程学习内容有直观的 人士 然后在校内通过软件仿真提高 提高认识 基于此 2014 年我校建设了电气工程及其自 动化专业课程仿真实验室 电力系统仿真实验室 实验室面积约 70 平方米 教学科研仪器设 备 36 套 仿真软件有 110KV 变电站仿真培训系统 V2 0 10KV 变电站仿真培训系统 V2 0 总 价值达 50 4 万元 实验室主要承担电气工程及其自动化专业的实验教学与课程设计 毕业设计 等任务 固定实验项目有 19 个 仿真系统的特点与功能有 专业仿真实验室一角 1 数学模型和各仿真模块具有良好的鲁棒性 在切换运行状态 进行倒闸操作和发生事故的情况下 能保证系统的连续运行 即使发生 误操作也不会造成系统崩溃 在长达数小时的仿真系统使用过程中 正常运行 故障状态 故 障恢复 的过程会反复出现 只有正确描述电力系统的动态过程才能实现长时间持续的仿真和 培训 快速的规范化的仿真算法才能满足实时性的要求 因此良好的鲁棒性是仿真系统技术水 平的重要体现 本系统的良好鲁棒性能完全满足操作培训和技能考核的需要 2 模型和算法性能优异 准确性高 实时性好 本系统采用多项技术多角度地解决仿真的准确性和实时性的问题 所有程序在自行开发 的高效的实时数据库基础上运行 数据的输入 输出效率与内存的读写效率基本一致 另外 本系统采用清华大学多年的科研成果 算法准确 计算效率高 处于国际先进和国内领先水平 采用稀疏矩阵和稀疏矢量技术等多项技术大幅度提高了动态仿真的实时性 对操作和 事故均能及时响应 现象真实 无时差感觉 故障计算中采用了清华大学独立提出规范化的计算方法 能计算各种复杂故障形式下 的故障电流 包括并架多回线间的跨线故障 开关电流计算中采用了清华大学独立提出的不影响潮流收敛性的规范化的计算方法 能够准确仿真扰动发生时刻和其后时间内继电保护及自动装置的动作情况 各种模型和算法的计算准确性和精度通过了商业计算软件 BPA 程序和综合稳定程序 的严格校验 3 采用图形化的建模方式 可扩展性 可维护性好 具有灵活 通用 快捷的维护平台 可视化 基于现场设备图元 的图形建模工具使得建模 人员在工程师台上编辑图符后能够自动生成仿真模型 易于对仿真系统进行功能扩展 可以随 意修改变电站的电气主接线 增加回路 设备更新 增加保护类型和进行保护配置等工作 生 成的仿真系统能支持功能扩展 能方便地进行系统升级和功能扩充 可以方便地在图形平台上搭建 修改一次系统 完成一次系统的建模 在图形平台上完成继电保护等二次系统的建模 或者跳过保护建模步骤 直接利用保护库中的保护组件完成保护配置 4 真正开放分布式 本系统的设计和开发应严格遵循开放式的原则 采用国际标准的软硬件平台 操作系统接 口符合 POSIX 及 OSF 标准 TCP IP 网络通讯协议 数据库接口符合 SQL 结构化查询语言标 准 系统硬件系统配置合理灵活 采用分布式体系结构 性能价格比高 易于扩展 移植和升级 使用户的软硬件投资得到充分保护 教员机和各学员机之间通过网络进行连接 可以方便地扩 充机位 5 数学模型支持全范围仿真 仿真系统采用带有数学模型的全范围仿真 能逼真地反映变电站的运行工况及各种物理量的 变化 6 全软件仿真 采用大屏幕等离子电视作为背景 以多媒体视景仿真等现代技术模拟控制屏和保护屏等 不设置硬盘台 7 采用多媒体技术 仿真界面效果逼真 基于 3D 技术的多媒体变电站一次 二次设备及智能控制设备现场环境仿真 完成现场设 备的操作和巡视 能实现在变电站全场景下快速漫游和操作 大大提高培训效果 充分发挥虚 拟现实的优势 多媒体图象 声音与仿真过程同步 产生逼真的仿真效果 8 先进的图形界面技术 用户可以自行定制和修改一二次设备的图形界面 支持用户对培训界面的二次更改 采用 虚拟盘台的方式在 CRT 上显示变电站的控制屏 保护屏等盘台 以图形的方式真实地模拟智 能变电站的环境 操作和监视均可以在图形上完成 9 采用面向对象技术进行系统分析 设计和编程 可扩充性好 系统模块化程度高 规范化好 功能剪裁容易 10 动态仿真与稳态仿真的一体化 不仅可用于模拟电力系统的稳态运行状况 还可以模拟电力系统失稳时的动态过程行为 实现了从稳态到动态 再从动态返回稳态的平滑过渡 11 逼真的 功能完整的学员系统 智能变电仿真的学员系统包括虚拟盘台 保护盘 测控屏 监控后台系统和多媒体就地操 作系统的仿真 提供全方位的变电运行培训环境 专业课程仿真实验室资源涵盖的实验项目 序号实验操作所属课程面向专业 学生 人数 实验 时数 项目名称 1 一 二次系统的运行监 视 发电厂电气部分 电力系统稳 态分析 电力系统暂态分析 供 电技术 电气工程及 其自动化 1152 2 站用电交流系统的运行 监视 发电厂电气部分 电力系统稳 态分析 电力系统暂态分析 供 电技术 电气工程及 其自动化 1152 3 站用电直流系统的运行 监视 发电厂电气部分 电力系统稳 态分析 电力系统暂态分析 供 电技术 电气工程及 其自动化 1152 4变电站正常操作发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1154 5开关 刀闸操作发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 6一次设备巡视检查项目发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 7二次设备巡视检查项目发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 8 开关本体及其相关的故 障 发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 9 刀闸本体及其相关的故 障 发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 10 变压器本体及其相关故 障 发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 11母线故障发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 12电容器故障 异常发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 13电抗器故障 异常发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 14 继电保护及自动装置故 障 发电厂电气部分 电力系统稳 态分析 电力系统暂态分析 电 力系统继电保护 电气工程及 其自动化 1154 15智能装置故障发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1154 16交 直流系统故障 发电厂电气部分 电力系统稳 态分析 电力系统暂态分析 电气工程及 其自动化 1154 17二次回路故障发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 18 一次设备 PT CT 的故 障 发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1152 19 任意组合构成各种复合 故障 发电厂电气部分 供电技术 电气工程及 其自动化 1154 典型实验项目实验流程示例 该软件可以对某市 110KV 变电站电力系统进行仿真并能观测该系统一次 二次所有数据 在观测数据同时改变保护和施加故障 系统自身故障与人为误操作故障 以达到对真实系统 的仿真 实验实验一一 电电力系力系统实时监统实时监控控 打开软件进入 110KV 变电站总体