基于虛擬仿真技術(shù)的“數(shù)字電路實驗”教學系統(tǒng)設計

孫沫麗，惲鴻峰，楊曉輝

(長春光華學院，吉林 長春 130000)

0 引言

虛擬仿真技術(shù)是一種采用虛擬系統(tǒng)模仿真實系統(tǒng)的技術(shù)[1]。虛擬仿真是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)[2]。此種虛擬世界由計算機生成，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互[3]。其是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，提供用戶一個與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化。具有沉浸感的虛擬仿真實驗則是依托虛擬仿真技術(shù)發(fā)展起來的創(chuàng)新型實踐教學模式，是對實踐教學環(huán)節(jié)的進一步改革。實驗者在這種虛擬實驗環(huán)境下進行學習和訓練，如同在真實的環(huán)境中一樣按照設定的步驟進行實驗操作，這種實驗模式取得的效果遠遠優(yōu)于真實環(huán)境，提高了學生的學習效率和實踐動手能力[4]。

1 研究現(xiàn)狀

目前，電學類的二維虛擬仿真軟件相對成熟，比如Protel，Multisim，Viewlogic等[5]。但二維仿真軟件大多只注重電子元器件符號的連接，相當于將書本上的電路圖搬移到電腦上，仍然不夠真實。初學者在不懂專業(yè)術(shù)語或?qū)I(yè)技術(shù)的情況下操作困難，大大降低了學習者對仿真實驗的學習興趣[6]。為了提升虛擬實驗的沉浸感和交互性，面向電學領(lǐng)域的三維虛擬仿真實驗系統(tǒng)的研究勢在必行[7]。

2 “數(shù)字電路實驗”教學系統(tǒng)的總體設計方案

2.1 “數(shù)字電路實驗”仿真對象的選擇

數(shù)字電路實驗是理工類高校必不可少的電子類基礎課程，在各大高校的實驗教學中占有重要地位[8]。數(shù)字電路涉及的主要內(nèi)容包括邏輯代數(shù)、邏輯門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路以及半導體存儲器等。實驗過程中所需要的電子元器件包括：邏輯與或非門電路、全加器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器以及譯碼器等。因此，需要根據(jù)實驗內(nèi)容對以上的元器件進行建模和功能仿真。

2.2 總體設計方案

數(shù)字電路虛擬仿真教學系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示。在程序框架總體設計階段，系統(tǒng)對電子元件進行接口定義，其主要目的是優(yōu)化元器件的程序結(jié)構(gòu)，提高程序的開發(fā)效率。在程序模塊詳細設計階段，導線的外觀及連接方式的設計采用貝塞爾曲線算法，并根據(jù)連接點實時動態(tài)的繪制導線；電子元件連接以后，電路的仿真算法采用無向圖的遞歸算法進行模擬。

圖1 總體設計方案

2.3 設計流程

本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D模型設計與制作技術(shù)、Unity游戲引擎結(jié)合數(shù)字電路的基本原理，設計數(shù)字電路虛擬仿真教學系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實設備如VR的配套設備或終端電腦作為操作媒介，通過3D模型制作技術(shù)對數(shù)字電路的實驗箱、電子元器件等進行模型的設計與制作。本系統(tǒng)使用Unity引擎技術(shù)實現(xiàn)實驗場景的搭建、模型的功能和交互，把數(shù)字電路的邏輯引入相應的模型，采用編程技術(shù)實現(xiàn)模型的內(nèi)部邏輯、UI交互，為實驗者提供友好、逼真的交互界面，達到高度仿真的目的。

設計流程為：首先，根據(jù)實驗需求搜集電子元器件的素材和實驗內(nèi)容劃分實驗的模塊。作者根據(jù)“數(shù)字電路”課程的內(nèi)容，把虛擬仿真系統(tǒng)初步劃分為4個仿真模塊，分別是組合邏輯電路設計、數(shù)據(jù)選擇器、簡單時序電路以及計數(shù)器。其次，明確電子元器件的外觀設計方案、內(nèi)部構(gòu)造參數(shù)和外形圖片，了解不同電子元器件及芯片的工作原理，并清楚實驗流程。搜集素材，了解電子元器件的具體細節(jié)并利用三維建模軟件3DMAX制作模型。對模型進行貼圖渲染增強其真實感，并以FBX的格式導出。再次，將模型文件以資源包的形式導入Unity，其中導入資源的文件結(jié)構(gòu)應以實驗箱作為文件的根結(jié)點，文件的內(nèi)部包含總開關(guān)、LED燈組、開關(guān)組、顯像管、芯片及芯片底座等模型。最后，對程序進行總體架構(gòu)設計以及程序模塊的詳細設計。界面設計了一個主頁面，內(nèi)部包含4個實驗模塊的選項供實驗者進行選擇。當實驗者選取某個實驗選項則進入相應的實驗場景時，通過UI界面的交互對不同的元器件進行選擇并搭建實驗，測試實驗結(jié)果并驗證實驗的正確性。

3 關(guān)鍵技術(shù)的解決方案

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，除了模型的設計與制作，對導入模型的功能設計與仿真也是非常重要的環(huán)節(jié)。除了程序的框架設計以及功能的詳細設計與開發(fā)以外，本系統(tǒng)的設計仍包含以下關(guān)鍵技術(shù)：芯片仿真模塊的設計、導線的連接方案設計與電流導通算法的實現(xiàn)等。

3.1 芯片模塊的設計與仿真

芯片的外觀基本沒有太大區(qū)別，只有引腳數(shù)和型號有所不同。因此，可以為芯片設計一個統(tǒng)一的父類，根據(jù)芯片的不同型號設計相應的子類。根據(jù)實驗內(nèi)容對實驗芯片的要求，系統(tǒng)至少需要包含以下幾種芯片：74LS00，74LS04，74LS28，74LS86，74LS153芯片等。由于芯片的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)不同，所以對應的引腳數(shù)以及引腳的含義也不同。以74LS00為例，其芯片內(nèi)部共包含4個邏輯異或門；其引腳的含義定義為：1，2，4，5，12，13引腳為輸入端，3，6，8，11為輸出端，引腳7為地端，引腳14為電源VCC端。芯片類具有引腳連接狀態(tài)監(jiān)測的功能，能時刻檢查各引腳的連接狀態(tài)并進行相應的邏輯輸出。

3.2 導線的連接方案設計與電流導通算法的實現(xiàn)

導線的作用是連接相應的電子元器件，讓設計的電路圖在虛擬實驗環(huán)境中實現(xiàn)并導通電路。由于實驗者對導線的操作具有隨機性、連接的不確定性等因素，所以導線不能采用固定的模型表示。本系統(tǒng)通過程序設計的繪圖功能對導線進行實時的繪制，實驗者在操作導線的過程中，導線的走向會進行動態(tài)更新，達到模擬真實導線的效果。本系統(tǒng)采用貝塞爾曲線對導線的走向進行模擬。導線的連接端子采用預先設計好的端子模型，一根導線包含兩個連接端子，并由端子直接插入插槽，一個插槽可以堆疊連接多條導線的端子。當導線通過端子連接后，如果兩個端子間電壓不相等則啟動電流導通算法。為了高度仿真電流，讓導線呈現(xiàn)電路的導通效果，系統(tǒng)采用有向圖遞歸算法對電流導通過程進行仿真。導線的設計及連接電路的過程，如圖2所示。

圖2 導線的設計與連接

4 “數(shù)字電路實驗”教學系統(tǒng)的測試

以組合邏輯電路設計內(nèi)容為例，作者根據(jù)例題的題意計算出輸入與輸出的公式，并進行電路的設計。系統(tǒng)根據(jù)設計電路的需求，確定芯片采用一片74LS00即可滿足設計要求。圖3左半部分展示了組合邏輯電路設計的例題以及電路的設計結(jié)構(gòu)。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及輸入與輸出的關(guān)系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。筆者采用虛擬仿真教學系統(tǒng)對該電路進行連接并測試，選取開關(guān)組的3個開關(guān)作為輸入端A，B，C，選取L0顯示燈作為輸出端。根據(jù)邏輯電路圖，采用導線對芯片、開關(guān)以及輸出端L0進行連接。當A，B，C端按照圖中的組合進行狀態(tài)切換時，輸出端L0的狀態(tài)與預先設計的結(jié)果一致。

圖3 實驗測試與仿真結(jié)果

5 結(jié)語

基于虛擬仿真技術(shù)的“數(shù)字電路實驗”教學系統(tǒng)的設計改變了傳統(tǒng)的實踐教學教學模式，無論在數(shù)字電路實驗領(lǐng)域還是在其他電學的實驗領(lǐng)域都具有非常廣闊的應用前景。