基于远程虚拟数字电路实验仿真技术探究

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1、基于远程虚拟数字电路实验仿真技术探究　　摘要：随着计算机和网络技术的发展，远程教育迅速普及，远程虚拟实验的需求日益强烈。远程虚拟电路实验系统开发的难点在于仿真必须具有真实性、连续性、实时交互性。运用时间片分割策略，把整个电路仿真过程按时间轴分割成若干时间片，再通过状态重置和交互响应机制实现连续仿真的技术，设计并实现了支持连续仿真的可交互的远程虚拟数字电路实验平台。关键词：：数字电路；实时连续仿真；时间片分割引言：6电路虚拟实验作为虚拟实验的组成部分，正在由以仪器仪表为测量工具的传统分析方法逐步向以计算机为工作平台的虚拟分析方法过渡，同时由于社会对网络教育的强烈需求和相关

2、技术的快速发展，使得虚拟电路实验和远程教育日益结合，成为网络虚拟现实研究的新热点。通过对相关技术进行了可行性分析，结合多年的教学实践经验，开发了虚拟电路实验平台，系统分为客户端的用户界面层、服务器仿真引擎的数据处理层、仿真层以及客户端和仿真引擎之间的传输层。其中实时连续仿真则是在开发的过程中遇到的一个技术难点。由于实时性和多用户同时仿真的需求，系统在后台采用了分割时间片的技术，并根据电路状态的连续性，在时间片的结束点保存电路状态，在开始点重置电路状态，从而支持实时连续的远程电路实验。一虚拟实验的研究现状虚拟实验分为有实验室支撑的实验模式和没有实验室支撑的实验模式。前者是

3、一种”虚拟仪器版面一硬件设备”操作的模式。后者没有真实的实验室作为支撑，全部使用仿真技术、虚拟现实技术以及网络技术等高科技手段创造虚拟实验环境，实验者像在真实的环境中完成实验的各个环节，比前者更经济，更容易建立实验系统，也更方便实验者，是目前乃至今后的主要发展方向。电子电路虚拟实验作为虚拟实验的组成部分，也得到了快速的发展。而针对远程教学的仿真软件，或者着重于多媒体演示，功能简单，交互性差，或者没有强大的后台支持。远程教学仿真软件不能利用单机版的仿真软件，建立功能强大，交互性强，能够实时连续仿真的远程虚拟实验平台，使得远程实验教育难以得到有效发展。二虚拟电路实验平台的系

4、统构架设计6要设计的”虚拟电路实验平台”系统，硬件构架采用B/S结构，用户通过装有Flash插件的浏览器与实验平台交互，搭建电路，并观察输出结果。用户信息和实验信息保存在MySql数据库中，后台的核心XSPICE仿真软件，进行仿真计算。系统的软件构架设计如下：1）界面层采用多媒体技术构造实验板及各种元器件，用来与用户交互并显示仿真结果。2）传输层通过socket传输XML格式的实验数据，实现客户端与仿真引擎的数据交换。3）数据处理层解析XML格式的用户实验操作的数据，并转换为.Cir文件所需的语法格式；构造XSPICE所需的仿真输入文件（.Cir）；分析XSPICE仿真

5、后的输出文件（.Out），提取实验所需数据；以XML格式封装仿真数据，准备发送。4）仿真层调用XSPICE进行仿真计算。XSPICE是一个优秀的电路仿真软件，它把Cir文件作为仿真参数文件输入，由仿真程序运算后得到仿真结果，输出到Out文件。三实时连续仿真技术的实现在基于仿真的远程电路虚拟实验系统中，往往需要使用电路仿真软件，如SPICE、XSPICE等，通过它们的瞬态仿真功能获得电路输出数据，先仿真电路状态变化的全过程，再输出全部仿真结果。在电路实验中，模拟电路虚拟实验往往瞬间就可以达到稳定状态的，之后电路状态就不再变化。像这样的电路，在进行仿真的时候可以只显示电路达

6、到稳定之后的状态，也就是只显示一次。正好符合SPICE、XSPICE等仿真软件的要求。类似的还有自动脉冲输入的数字电路。下面以接有自动脉冲输入的时序逻辑电路为例，讨论实时连续仿真技术。61.分段仿真原理。真实情况下的实时连续仿真，实验者只要按下仿真开关，电路就会源源不断地把数据显示在界面上。但是仿真引擎使用的XSPICE并不是一个实时连续仿真软件，在使用XSPICE进行电路瞬态仿真计算的时候，必须等到XSPICE仿真结束才能得到仿真结果，进而分析显示。而XSPICE的这种功能特性与虚拟实验中所要求的连续不断地计算并显示电路输出数据，并能根据用户的交互实时作出响应是有矛盾

7、的。为此，可以采用分段仿真的方法，即设定一仿真时间段tb，仿真引擎让XSPICE每次瞬态仿真只计算tb时间长度的电路输出数据，然后将数据发送到客户端，客户端则按照结果数据中的时间戳在相应的时间点上改变显示输出。等到tb时间之后，客户端得到的数据显示完毕.仿真引擎再计算下一个tb时长度的电路数据并发送给客户端。6在电路实验教学中，多数电路并不复杂，输入时钟信号的频率也不太高，因此基本可以满足这一要求。仿真引擎每次仿真一个时间片的数据，并把它传送给客户端，客户端以仿真结果中的时间戳为序，把数据保存在一个FIFO队列中，然后根据时间戳依次从队列