ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И СИМУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ В ПРОВЕДЕНИИ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

АННОТАЦИЯ

В статье проанализировано доступное актуальное программное обеспечение для моделирования и симуляции электронных схем с точки зрения пригодности для проведения дистанционных занятий по электронике. При этом учтён вопрос санкций и доступность программного обеспечения для широких масс. Из всего многообразия выделены две наиболее подходящих бесплатных программы: SimulIDE и Micro-Cap.

Ключевые слова: COVID-19; электроника; дистанционные занятия; дополнительное образование школьников; SimulIDE; Micro-Cap; симуляция; моделирование.

Пандемия COVID-19 значительно изменила жизнь сотен миллионов людей, многие виды деятельности человека были частично или полностью переведены в дистанционный формат, в том числе и образование всех уровней. И если большинство дисциплин может преподаваться в таком виде, используя современные способы связи практически без ущерба качеству, то некоторые требуют обязательного проведения лабораторных работ для выработки специфических навыков, демонстрации принципов, и проверки полученных знаний и навыков, например, химия, физика, технология, и конечно электроника [1, 2].

При этом электроника оказалась в довольно выгодном относительно других имеющих подобные проблемы дисциплин положении, так как тут в дело может вступить программное обеспечение для моделирования и симуляции электронных схем. Современный уровень развития информационных технологий, математики, физики и электроники позволяет с высокой точностью моделировать и в последствии симулировать поведение многих электронных компонентов, и их комбинаций, как аналоговых, цифровых, так и смешанных аналогово-цифровых. Более того, моделирование и симуляция являются неотъемлемыми этапами разработки современных электронных устройств в профессиональной деятельности, и всё чаще в любительской практике. Намного удобнее, быстрее и неизмеримо дешевле начать разработку и отладку сложной электронной схемы на персональном компьютере, а затем завершить на реальных компонентах на отладочной плате. А широкий выбор готовых моделей реальных компонентов и средств для анализа и отладки позволяет наиболее оптимально подобрать элементарную базу. К тому же большинство программ симуляторов позволяют симулировать созданные с помощью встроенных графических редакторов наглядные принципиальные схемы, которые могут с небольшими изменениями в дальнейшем использоваться для проектирования печатных плат и сборки реальных прототипов устройств. Также применение программного обеспечения позволит значительно сократить время, затрачиваемое на лабораторные занятия, так как сборка, отладка и анализ электронной схемы в виртуальной среде занимает во много раз меньше времени чем из реальных компонентов и с использованием реальных приборов. Также в виртуальной модели можно применить неограниченное число и разнообразие контрольно-измерительный приборов, что в реальности обычно ограничено числом экземпляров данных приборов в лаборатории [3-5].

При проведении дистанционных занятий программы-симуляторы могут применяться, как для целей демонстрации работы отдельных компонентов, электронных схем, их отладки и проектирования, так и для выполнения самостоятельных заданий обучающимися с последующей проверкой результатов преподавателем на своём экземпляре программного обеспечения. При необходимости даже можно остановиться на этапе работы с моделью, без реализации прототипа из реальных компонентов, или сборку каких-то простых схем поручить обучающимся произвести в домашних условиях.

На данный момент существует более десятка современных программных продуктов для моделирования и симуляции электронных схем того или иного типа, как платных, так и бесплатных, как с открытым исходным кодом (open source), так и с закрытым. Среди которых есть, как узкоспециализированные симуляторы цифровых схем, позволяющие моделировать схемы, описанные на специальных языках, таких как Verilog, System Verilog и VHDL, так и крупные и сложные пакеты, в которых можно свободно комбинировать цифровые, аналоговые компоненты, микропроцессоры, микроконтроллеры (с возможностью запуска и отладки написанного для них исходного кода) и блоки, описанные на вышеупомянутых языках описания аппаратуры.

Сформулируем основные требования для программного обеспечения, которое с учётом всего вышесказанного можно применить для целей дистанционного обучения. При этом нужно отдельно отметить, что, когда речь заходит о некоторых видах программного обеспечения всплывает вопрос санкций и ограничений в сфере информационных технологий, которым, в частности, подверглась вся Российская Федерация в феврале 2022 г., и Республика Крым в отдельности ранее. Наибольшую ценность в этом случае представляет собой программное обеспечение отечественных разработчиков, и программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое можно использовать несмотря на любые санкции и запреты. Потому как практически все коммерческие и многие бесплатные приложения для симуляции электронных схем с закрытым исходным кодом запускаются только в операционной системе семейства Microsoft Windows, положительной чертой будет являться возможность запустить приложение в среде операционной системы Linux нативно, или с помощью альтернативных реализации Windows API – Wine и ReactOS.

1. Переносимость и независимость от сетевых сервисов. Должна быть возможность локально устанавливать и запускать программное обеспечение на персональном компьютере. В соответствии с этим требованием не подходят различные «облачные» сервисы, такие как National Instruments Multisim Live, DesignSoft TINACloud, Autodesk Tinkercad. Также нежелательно применение программного обеспечения, требующего того или иного вида online активации.
2. Доступность. Должна быть возможность приобрести, скачать или получить иным способом готовый дистрибутив программного обеспечения, или собрать его из исходных кодов, без применения средств обхода ограничений (таких как виртуальные частные сети, или сервисы-прокси) и нарушения норм действующего национального и международного законодательства. Здесь лучшим вариантом будет применение программного обеспечения с открытым исходным кодом, так как его использование не может быть ограничено.
3. Стоимость. Стоимость современного пакета для моделирования и симуляции электронных схем может составлять от нескольких сотен до тысяч долларов США в зависимости от продукта и набора реализованных в нём возможностей. Большинство разработчиков предоставляют крупные скидки для образовательных организаций, но сам процесс покупки может быть сопряжен с рядом трудностей от отсутствия финансирования до чисто бюрократических и санкционных ограничений. Лучшим вариантом видится применение бесплатного программного обеспечения.
4. Приложение обязательно должно поддерживать симуляцию аналоговых схем, чего будет достаточно для целей обучения основам электронике на начальном этапе, где можно остановиться только на аналоговых компонентах и их простых комбинациях. В дальнейшем при изучении цифровой электроники необходимо будет иметь возможность симуляции цифровых и смешанных аналого-цифровых схем. Большим плюсом будет поддержка симуляции микроконтроллеров семейства Microchip AVR, используемых в Arduino, или плат Arduino целиком.
5. Простота и наглядность интерфейса. Необходимо чтобы симулятор имел максимально простой и наглядный графический интерфейс с виртуальными приборами, максимально приближенными к реальным. Большим плюсом будет наличие русифицированного интерфейса.
6. Возможность простой установки. Установка симулятора не должна вызывать трудностей и требовать дополнительного программного и аппаратного обеспечения помимо стандартного набора, имеющегося на типовом персональном компьютере. Плюсом будет возможность запуска приложения кроме как на операционных системах семейства Microsoft Windows, также на операционных системах с ядром Linux.

Рассмотрим и сравним восемь наиболее популярных современных программных пакетов, которые могут быть использованы для выше озвученных целей: Analog Devices LTspice, Spectrum software Micro-Cap, SimulIDE, DesignSoft TINA, Proteus Circuit Simulator, Labcenter Proteus Circuit Simulator, Qucs, Ngspice, National Instruments Multisim актуальных версий.

Сведём ключевые характеристики упомянутого программного обеспечения в Таблицу 1.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика актуального программного обеспечения для моделирования и симуляции электронных схем

Учитывая, что в списке представлено несколько вариантов бесплатного программного обеспечения, отвечающего большинству требований и предоставляющих достаточно широкие возможности, и вопрос нелицензионного использования программного обеспечения не рассматривается, то видится целесообразным выбрать программное обеспечение из бесплатных. По совокупным параметрам из представленного бесплатного программного обеспечения можно выделить в первую очередь SimulIDE.

SimulIDE версии 1.0.0 RC2 для Windows x64 занимает на диске всего 53 Мб и не требует процесса установки. Дополнительного программного обеспечения также не требуется. На официальном сайте также есть версии для Windows x86, Linux x64 и MacOS. А также возможность скачать архив с исходным кодом программного обеспечения.

Предоставляемых SimulIDE возможностей достаточно для изучения основ аналоговой и цифровой электроники, и даже создания простых проектов на базе Arduino, а в последних версиях (начиная с версии 1.0 RC1) также появилась начальная поддержка микроконтроллеров семейства Microchip PIC. В наличии такие необходимые виртуальные приборы как частотомер, осциллограф, логический анализатор, амперметр, вольтметр, генератор сигналов, источники тока и напряжения, и так далее. В базе данных приложения содержится широкий набор цифровых логических микросхем и примитивов, что позволяет изучить основы цифровой электроники и спроектировать даже небольшой микропроцессор. Присутствуют многие базовые аналоговые активные и пассивные компоненты, не привязанные к конкретным моделям производителей, а также специфические для популярных проектов на Arduino датчики, индикаторы и исполнительные устройства, в том числе часто используемые в простых робототехнических проектах.

Режим симуляции является полностью интерактивным, и выполняется в режиме реального времени или с заданной в настройках приложения скоростью, существует возможность без остановки и перезапуска симуляции изменять параметры большинства электронных компонентов и виртуальных приборов, а также в любой момент поставить процесс симуляции на паузу, что значительно повышает уровень наглядности и замещает отсутствие некоторых профессиональных и сложных инструментов (например, характериографов). А наличие интерактивных кнопок и переключателей в виде компонентов электрической цепи позволяет также в процессе симуляции изменять структуру электронной схемы. Также существует возможность одновременного использования нескольких измерительных приборов, в том числе осциллографов.

В дальнейшем, при переходе от основ к более сложным построениям, когда возможностей SimulIDE станет недостаточно, можно порекомендовать использование программного пакета Micro-Cap, который несмотря на прекращение развития будет актуальным ещё много лет, а его возможностей будет достаточно для почти любого современного проекта, как в любительской, так и в профессиональной практике.

Список литературы:

1. Омарова Н.М. Оценка влияния COVID-19 на мировую экономику / Н.М. Омарова, З.С. Гельманова // Право, экономика и управление: от теории к практике : материалы Всеросс. науч.-практ. конф. с международным участием (Чебоксары, 21 мая 2020 г.) / редкол.: Г.Н. Петров [и др.] – Чебоксары: ИД «Среда», 2020. – с. 46-50.
2. Кучма В.Р., Седова А.С., Соколова С.Б., Рапопорт И.К., Степанова М.И., Лапонова Е.Д., Поленова М.А., Чубаровский В.В., Тикашкина О.В. Пандемия COVID-19 в России: медико-социальные проблемы цифровой образовательной среды. Национальное здравоохранение. 2021; 2(1):21-31.
3. Кардашев Г. А. Виртуальная электроника: компьютерное моделирование аналоговых устройств. – Горячая линия-Телеком, 2002. – 260c., ил.
4. Сохор Ю. Н. Моделирование устройств в пакете LTSpice/SwCad //Псков, изд. ППИ. – 2008. – 165c., ил.
5. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10. – Смоленск, Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2013. – 618 с., ил.