基于仿真技術的數字電路3D虛擬實驗室設計

張琦

（贛南師范大學物理與電子信息學院，江西贛州 341000）

虛擬現實技術涵蓋了計算機仿真技術和人機接口技術等多門學科，是當前最為先進的一門科學技術。該技術在應用過程中能使人們沉浸其中，且人們的感受同現實相似，該技術的應用是依托于虛擬現實，而虛擬實驗室則是在此基礎上開展的一種創新型實驗模式。同發達國家相比，我國的虛擬現實技術起步較晚。隨著我國對該技術的重視程度增加，虛擬現實技術得到了快速發展。目前，我國已經開發出了適用于工業和機械等多個部門的虛擬仿真技術，通過這些技術的應用，我國軍事模擬和商業宣傳等得到了較大發展。

該文借助建模工具3ds MAX 建立了數字電路實驗室三維元素，為實驗室的桌椅和試驗箱等的搭配提供了可能，將用戶交互技術加入其中，使用戶能對這些虛擬事物進行實際操作

1 數字電路三維虛擬仿真實驗室的總體設計方案

1.1 開發流程

一套完整的虛擬實驗室設計需要對以下四個方面內容進行重點設計，包括外形、內部結構、電路原理和仿真現象。對于整個建模過程，從初建模型到程序控制，中間的每一步都需要精心設計，最關鍵的環節是靜態建模和組裝交互控制。靜態建模主要是對實驗室的內容進行靜態模型設計，同時結合交互控制方式添加自定義組件，保證實驗室使用過程中的真實性，同時為元素交互等奠定基礎。

1.2 數字電路三維虛擬實驗室結構框架設計

對于數字電路的邏輯思維，其在日常生活中的應用是比較普遍的一種現象，同時其涉及的各種實驗內容較為繁多，加上實驗的輸出和電路輸入之間存在的各種邏輯代數關系，使得每個仿真實驗的邏輯關系較為復雜。該次實驗選取交通燈工作狀態控制電路、水泵啟停控制電路、 模十一加法計算器、 燈光控制邏輯電路、序列信號發生器、光控路燈開關控制電路、叮咚門鈴電路、水龍頭控制電路、雙向移位寄存器和節日彩燈控制電路始終常見的綜合性實驗作為設計邏輯參考標準，對3D 虛擬實驗室的邏輯思維進行設計。

2 數字電路虛擬實驗室的模型構建

2.1 環境搭建

選擇良好的實驗環境，對學生的學習興趣具有激發效果，在每一個虛擬實驗環境下，除了具備實驗所需要的各種電子元器件之外，還需要環境烘托來增強實驗氛圍，像燈管和桌椅等。在開展建模工作前，需要對實驗室的環境參數進行詳細的測量，包括實驗室的所有物品的尺寸和比例，然后通過數據查詢獲得對應的資料，并通過二維軟件將其設計完成，并通過3ds Max軟件對其進行模型的構建，并保證模型的真實性。而對于實驗室中的相似物品，其可以通過3D 軟件中的復制等功能進行copy，這樣大大降低建模難度。由于虛擬實驗室內的物品可以通過視角的轉換對其進行全面的觀察，建模時需要對物品的所有界面進行詳細的參數設計。

2.2 數電實驗箱的建模工作

數電實驗箱在整個虛擬實驗室中是中心組成，這一部分的模型構建對整個實驗系統具有決定性的影響。但由于數電實驗箱的種類和元器件數量等較多，在進行虛擬設計前需要對數電實驗箱的組成以及各個元器件的功能等進行詳細的了解，同時對于不同的元器件進行顏色渲染和形態模擬，像功能芯片，不同的形狀代表不同的芯片型號等，而實驗箱的管腳則需要對其進行標注，幫助學生降低虛擬實驗室的使用難度。另外則是實驗箱中的中小部件，其在建模時材質的選擇也非常重要，像二極管可以通過透明和半透明等材料來設定二極管的功能等。為了保證建模效果的真實性，在建模前可以根據實際需求對不同部件的材質進行合理的選擇，增強其真實感和存在感。

2.3 功能芯片建模

數字電路實驗涉及的各種功能芯片類型非常多，包括74LS04 反相器等，這些功能芯片在實驗中會體現具體的功能，因此，建模過程中需要對這些功能芯片的內部和外部構造進行真實的還原，提高實驗的沉浸性等。對于建模過程中的芯片比例縮放，其可以通過端口的管腳簽注對其進行區分，通過長期的使用，學生能夠根據不同模型的名字來識別不同的功能芯片。

3 數字電路3D 虛擬實驗室的功能實現設計

3.1 邏輯抽象和功能開發

在該次研究的系統中，其主要是由10 個綜合性實驗設計完成的，同時也是根據組合邏輯電路進行的設計工作，在進行邏輯問題的設計時，需要根據實際的功能需求選擇對應的邏輯功能電路。以已經開發完成的二水泵啟停控制電路作為研究對象: 在進行功能開發和設計的過程中，首先需要對已經編寫完成的控制腳本拖拽到對應的開關對象上，然后將實驗箱的電源接通，在這一狀態下對電路的連接狀態進行檢查，成功后連線腳本中的DrawLine 設定為true 狀態，而對于其中的變量isDraw，其在實驗過程中的輸出現象是判定狀態的先決條件。而在進行水體控制腳本中，若將連線成功標志設定為true 之后，需要對其布爾變量×1 進行true 設定。在這一過程中，需要通過多個腳本對整個操作進行控制，變量之間的相互控制功能，腳本中變量存在邏輯關系連接，不同位置處的水位傳感器被碰撞后觸發，然后根據輸入變量的不同由低到高對其進行設定，在水面低于三個檢測元件時，傳感器給出的信號為高電平1，而在水面高于傳感器元件高度時，設定其輸出信號為0，對于輸出變量，將其設定為Ml 和Ms，根據數字電路的原理，其控制關系需要符合相關公式。

3.2 碰撞響應的實現

對于unity3D 系統，其在對碰撞進行檢測時總共包含3 種方法，而最為有效的檢測方法是對實驗室中的觸發器進行碰撞，通過該方法的應用能夠對整個虛擬實驗室進行有效的碰撞響應檢測，且操作時僅需要將腳本掛載到需要碰撞的模型上面。像在傳感器檢測水位實驗中，水位上升過程中和傳感器的碰撞，其觸發后的控制措施是對水體的速度變化情況進行顯示，同時啟停兩個水泵的工作狀態。

4 結語

對于數字電路實驗教學，可以借助于虛擬仿真軟件對整個教學內容進行更好地掌握，在這一過程中能夠幫助學生對數字電路的邏輯思想以及邏輯代數知識等進行更加深入的探索和了解。