صاحب‌خبر - دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان و اداره کل آموزش فنی‌و‌حرفه‌ای استان سمنان طی یک طرح پژوهشی توانسته‌اند به محصول مشترک خود با عنوان «شبیه‌ساز عملکرد گیت‌های منطقی» دست یابند و یک نمونه آن را تولید کنند. مجری این طرح پژوهشی، اینجانب به عنوان عضو هیات علمی گروه مهندسی برق دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان هستم. بنده موفقیت این طرح را حاصل بهره‌گیری از پتانسیل علمی مناسب این گروه آموزشی و استفاده از دانشجویان تحصیلات تکمیلی مستعد می‌دانم. مدار منطقی چیست؟ مدار منطقی تقریبا در تمامی سیستم‌های دیجیتال امروزی خصوصا سیستم‌های کامپیوتری و سخت‌افزاری یافت می‌شود. در سیگنال دیجیتال، یک دروازه منطقی یا گیت منطقی (Logical gate) روی یک، دو یا چند ورودی منطقی عملیات انجام می‌دهد و سرانجام یک خروجی منطقی را تولید می‌کند. به دلیل اینکه خروجی هر گیت یکی از سطوح منطقی است پس می‌توان آن خروجی را به ورودی گیت‌های دیگری متصل کرد. این منطق معمولا طبق منطق بولی است که به طور مشترک در تمام مدارهای دیجیتالی یافت می‌شود. گیت‌های منطقی عمدتا از قطعات الکترونیکی مانند دیودها و ترانزیستورها تشکیل می‌شوند، ولی ممکن است از قطعات الکترومغناطیسی مانند رله‌ها، قطعات اپتیکال یا حتی مکانیکی ساخته شوند. گیت‌های منطقی از مبنای دودویی یا همان اعداد باینری پیروی می‌کنند. در نتیجه آنها را بیشتر در مدارهای دیجیتال و یا حتی در بخشی از یک مدار آنالوگ که به صورت دیجیتال کار می‌کند، می‌بینیم. در مدارهای منطقی ورودی و خروجی‌ها تنها منطق وجود یا عدم وجود را قبول می‌کنند (دو حالت دارند)؛ این بخش در هر مقوله می‌تواند نام خاص خود را داشته باشد. به عنوان مثال در برنامه‌نویسی، سخت‌افزار، الکترونیک، پایگاه داده و ... با عناوینی همچون خاموش/ روشن - بالا(H) /پایین- (L) -یک/ صفر – درست/(T) ‌غلط-(F) مثبت/‌منفی - مثبت/ زمین - مدار باز/ مدار بسته YES/NO - مطرح می‌شوند. اهداف مهم طرح هدف این طرح پژوهشی عبارت است از طراحی و ساخت شبیه‌ساز مدارهای منطقی بدون استفاده از تراشه‌های جدا و با استفاده از تراشه‌های برنامه‌پذیر به صورت یکجا به‌طوری که دانشجو یا کارآموز با تعداد زیاد تراشه‌ها مواجه نمی‌شود و بهره‌وری یادگیری و انتقال مفاهیم افزایش می‌یابد. با توجه به بررسی ایراداتی که هنگام اجرای آزمایش‌های مدارهای منطقی طی 10 سال گذشته برای دانشجویان مهندسی به وجود می‌آمد، ایده‌ای جدید جهت برطرف کردن آنها خلق شد به طوری که هیچ گیت منطقی متداول قبلی در آن استفاده نشده است. در این طرح به شبیه‌سازی تراشه‌های مدارهای منطقی پرداخته شده و بردی ساخته شده که بدون اینکه کارآموز درگیر کار با تراشه‌های واقعی شود، به صورت متمرکز و به صورت شبیه‌سازی شده با دروازه‌ها و بلوک‌های منطقی آشنا می‌شود. روی برد ساخته شده، عناصر زیر شبیه‌سازی شده است: AND, OR, NAND, NOR, NOT, XOR, XNOR, FLIP-FLOP, DECODER (2 to 4), MULTIPLEXER (4 to 1) BCD -Counter, Shift Register (SISO) ، ورودی به صورت سوئیچ‌های مکانیکی و خروجی به صورت LED نوری و در مورد شمارنده، لامپ هفت قسمتی است. این طرح در دو بخش سخت‌افزار و نرم‌افزار طراحی و ساخته شده است. در بخش سخت‌افزار با توجه به تجربه 10 ساله مدیریت آزمایشگاه‌مدار منطقی بهینه‌ترین طراحی انجام شده که در شمای سخت‌افزار قابل‌مشاهده است. در طراحی سخت‌افزار، انواع بردهای آزمایشگاهی موجود بررسی و ایده‌های مختلفی مطرح شده است. در ابتدا قرار شد برد اصلی و برد نمایش جدا باشند. (چسبیده به هم یا جدا از هم.) مراحل طراحی انجام شده؛ اما در مرحله ساخت به مشکلاتی روبه‌رو شدیم. در نهایت تصمیم بر این شد که برد اصلی و نمایش یکی شوند. شکل زیر، برد سخت‌افزار نهایی را نمایش می‌دهد. در این برد چهار میکروکنترولر AVR از نوع ATMEGA32 وظیفه شبیه‌سازی مدارهای منطقی را به عهده دارند و برای ورودی از هشت کلید دو وضعیتی استفاده شده است. برای پالس ساعت از دو کلید فشاری که می‌توانند چهار وضعیت پالس (حساس به: سطح «صفر»، سطح «یک»، لبه بالارونده، لبه پایین رونده) را تولید‌کنند بهره بردیم. برای خروجی، هشت لامپ LED سه پایه قرار داده‌ایم که برای منطق «صفر» و «یک» دارای دو رنگ متفاوت است. در انتخاب پایه‌های میکرو این دقت انجام شده است که ترتیب انتخاب طوری باشد که ساده‌ترین حالت در مسیریابی PCB به وجود آید و تا جای ممکن از لایه زیرین برد برای مسیرهای PCB استفاده شود و از لایه روی برد به عنوان راهنما بهره برده‌ایم. در این برد از چهار میکروکنترولر AVR استفاده شده است. بخش نرم‌افزاری در بخش نرم‌افزار، تمام حالت‌های خاص که کاربر با آن مواجه می‌شود در برنامه‌نویسی در نظر گرفته شده است. با این شبیه‌ساز جدید بیش از 10 آزمایش کاربردی با حداقل پیچیدگی اجرایی قابل انجام است. برنامه‌نویسی در محیط CODEVISION AVR و به زبان C انجام شده است. چهار برنامه متفاوت برای چهار میکروکنترولر روی برد نوشته شده که شامل 10 آزمایش مدار منطقی است. در این طرح به منظور اینکه کارآموز یا دانشجو در آزمایش بیشتر با مفاهیم و مطالب علمی مدارهای منطقی مواجه شود و از اتصالات زیاد که عموما وقت‌گیر و با اشکالات ناخواسته زیاد یا قطعی سیم‌ها توام است درگیر نباشد، از شبیه‌سازی با استفاده از تراشه‌های قابل‌برنامه‌ریزی (میکروکنترولر) استفاده شده است. آزمایش های انجام شده 10 آزمایش و مفهوم منطقی با استفاده از چهار میکروکنترولر ایجاد شده است. این آزمایش‌ها عبارتند از: آزمایش 1- آشنایی با دروازه‌های منطقی؛ آزمایش 2- گسترش دروازه‌های منطقی؛ آزمایش 3-رمز‌گشا-کد‌گشا‌(Decoder)؛ آزمایش 4-رمز‌گذار (Encoder) آزمایش 5-مالتی پلکسر‌(MUX)، آزمایش 6- مقایسه‌گر‌(Comparator) ، آزمایش 7- مدارهای محاسبه‌گر – جمع‌گر، آزمایش 8: فلپ فلاپ (FLIP-FLOP)، آزمایش 9- شمارنده‌(Counter)، آزمایش 10- شیفت رجیستر‌(Shift Register). در این 10 آزمایش اساسی‌ترین مفاهیم مدارهای منطقی مطرح شده است و کارآموز یا دانشجو می‌تواند به صورت عملی با کمترین خطای جانبی رفتار مدارهای منطقی را ببیند و درک کند. در صورت سفارش برای تغییرات یا گسترش در مفاهیم جدید یا چیدمان بلوک‌های منطقی، آمادگی کامل برای طرح جدید از طرف مجری طرح وجود دارد. این محصول جدید قابل‌استفاده برای تمام مراکز آموزشی، پژوهشی، آزمایشگاهی و دانشگاهی است که تولید انبوه آن قابل سفارش از طریق حوزه معاونت پژوهش و فناوری واحد سمنان است. مزیت‌های طرح قابلیت آشنایی و یادگیری بیشتر کارآموزان و دانشجویان با مفاهیم و مطالب مدارهای منطقی یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این شبیه‌ساز است و در حقیقت در این طرح برای اینکه کارآموزان یا دانشجویان با اتصالات زیاد که معمولا وقت‌گیر و درگیر با اشکالات ناخواسته زیاد یا قطعی سیم‌ها توام است، مواجه نباشند از شبیه‌سازی با استفاده از میکروکنترولر یا تراشه‌های قابل‌برنامه‌ریزی استفاده شده است. این قطعه شبیه‌سازی شده است، چون در غیر صورت باید این قطعات از بازار خریداری شوند، اما در این کار ما طرح را آماده کرده‌ایم و برنامه آن را نوشته و آن‌ را شبیه‌سازی کرده‌ایم. به طوری که ورودی و خروجی‌های دقیقا براساس ضوابط علمی و استاندارد کار می‌کنند و همانطور که قبلا اشاره کرده‌ام شبیه‌ساز مدارهای منطقی بدون استفاده از تراشه‌های جدا و با استفاده از تراشه‌های برنامه‌پذیر به صورت یکجا کار می‌کنند به طوری که دانشجو یا کارآموز با تعداد زیاد تراشه‌ها مواجه نمی‌شود و بهره‌وری یادگیری و انتقال مفاهیم افزایش می‌یابد. واقعیت این است که دراین طرح ما خیلی ادعا داریم و آزمایشگاه‌های معتبری را در دانشگاه آزاد و دولتی مورد مطالعه قرار داده‌ایم. چنین اقدامی در حوزه شبیه‌سازی، در سایر آزمایشگاه‌های کشور نداریم. این فعالیت ما هم در مباحث مهندسی و هم در مباحث علوم پزشکی قابل استفاده است؛ یعنی می‌توان از این طریق دستگاه‌های مختلف را شبیه‌سازی کرد؛ دستگاه‌های مختلفی که در زمینه آموزش و پژوهش کاربرد دارند. همچنین دراین طرح فعالیت‌های خدماتی هم پیش‌بینی شده است. مثلا در یک ارگان دولتی بنابر میزان مراجعه ارباب‌رجوع باید روندهای مختلف کاری انجام شود. خیلی وقت‌ها می‌توانیم به کمک این طرح- آن روندها را- شبیه‌سازی کنیم. بنابراین فرآیند درخواست تا در دریافت خدمت نهایی را شبیه‌سازی می‌کنیم و این نوعی فعالیت خدماتی است که از این طرح به دست می‌آید. البته کاری که ما انجام داده‌ایم بیشتر در حوزه آموزشی و پژوهشی است. بنابراین به جرات می‌توان گفت این طرح قابل تعمیم است به هرجایی که ما نیازمند شبیه‌سازی فرآیند هستیم. اقداماتی برای آینده این ایده نوین، قابلیت طراحی و اجرا برای هر طرح پیشنهادی دیگر آموزشی، اجرایی و خدماتی را دارد. هر فرآیندی یا پردازشی که برای نمایش آن یا آزمایش آن به دلیل: 1- نبود قطعات، 2-پیچیدگی اجرا و 3- کوچک‌سازی اندازه طرح و خلاصه‌سازی طرح، نیاز به شبیه‌سازی دارند که توسط مجری این دانشگاه قابل‌اجرا و تولید است. این طرح موفق قابل‌ارتقا برای هر سیمولاتور (شبیه‌ساز) کوچک و بزرگ جدید با کاربری‌های متفاوت هم هست. ذکر این نکته ضروری است که معمولا شبیه‌سازی‌ها، هزینه خسارت‌های احتمالی د‌ر طرح‌های عملی را تا پایین‌ترین سطح ممکن کاهش می‌دهند و پیش از آنکه یک دستگاه به صورت واقعی توسط افراد استفاده شود- با کمک شبیه‌سازها- آموزش‌های لازم هم به کاربران داده می‌شود تا در فضای واقعی بالاترین میزان بازدهی به دست آید. بنابراین ما هم در فرآیند کاری خودمان این سیاست را پیگیری می‌کنیم تا خدمت موثری در حال و آینده به جامعه علمی کشور ارائه کنیم. همکاری بیشتر با محققان ذکر این نکته هم ضروری است که این محصول جدید قابل‌استفاده برای تمام مراکز آموزشی، پژوهشی، آزمایشگاهی و دانشگاهی است. محققان و افرادی که علاقه‌مند به کسب اطلاعات بیشتر و یا ثبت سفارش دراین زمینه هستند می‌توانند با مراجعه به پایگاه اطلاع‌رسانی دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان به آدرس www.semnaniau.ac.ir با حوزه معاونت پژوهش و فناوری واحد سمنان ارتباط برقرار کنند تا برای همکاری‌های بعدی، هماهنگی‌های لازم صورت بگیرد.∎​