基于VR技术的电子实验仿真平台探索与设计

杨鹏飞

摘要：该文主要探究了基于VR技术的电子实验仿真平台技术，提出了实现电子仿真平台的设计方案，包括操作界面的设计、虚拟元件模型开发、扩散信号的算法实现、实现运行功能设计等，通过对设计方法分析，能够帮助相关人员加深理解。

关键词：VR技术；电子平台；网络端口

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）31-0240-02

基于VR技术下的电子实验仿真平台可以应用于学校教学中。学校利用VR技术可以更好地开展教学任务，能够给教师和学生提供一个不受时间和地点约束的虚拟实验室，这不仅增加了实验的灵活性，提高学生的学习质量，还解决了学校实验场所建设问题，因此，电子实验仿真平台对于学校教学有着重要的意义。

1 VR技术下的电子仿真实验平台概括

1.1 VR技术下的电子实验仿真平台的发展现状

在我国，电子实验仿真平台还处于开发阶段，并没有大量的投入使用。因为高校在VR技术研究方面还存在着许多待解决的问题，所以大多数的实验只能在单机状态下运行，不能实时联网，这样会减少学生的实验真实操作感。同时，电子实验仿真平台的容量不够，无法承载过多的实验课程，导致了许多应用难题，仍旧需要大量的开发研究工作。这些难题主要表现在四个方面：

第一，目前设备的硬件使用效果还有待提高。VR技术需要通过专门的硬件才能够使用，像是VR眼镜、VR头盔等。现如今，这些硬件不能满足使用者的需求，VR设备的虚拟现实场景切换速度无法和人的五官感知能力、大脑运算能力相比较，会给使用者带来延迟的感受，更重要的是，相关硬件设备的价格也非常高昂，一个VR主机加上头盔显示器需要花费上万元，这无论对高校还是学生来说都是一种负担。

第二，软件实用性差。因为硬件使用效果的不理想，所以VR技术电子仿真平台的效果也存在一些实用性问题，问题主要表现在缺乏新型传感技术、缺乏有效物理建模方法、无法做到图像高速处理、AI技术不成熟、3D建模技术不完善等。而投入资金大，使用效果差的现状也导致高校在进行研发VR技术软件时举棋不定。

第三，应用领域有限。当前，VR技术主要应用于高校科研和电子竞技产业，在基础教育和商业领域的应用不足，整体社会对于在VR技术和电子仿真平台的认知还有待提高，希望平台未来能够在教育、民用领域等行业发挥重要作用。

第四，使用效果不理想。许多VR技术电子仿真平台重点研究使用者的视觉技术，而对于听觉和触觉研究较少，嗅觉和味觉的设备技术还处于科研方面，没有正式投入使用。此外，电子仿真平台在语音识别、人际交互等多方面也存在着不足。

1.2 VR技术下的电子实验仿真平台建立意义

VR技术是指虚拟现实技术，这项技术能够通过最新的计算机技术和传感技术创造出一种新的人机交换手段。现阶段的VR技术主要应用于网络竞技和教育产业，因为它能够全方位调动使用者的视觉、听觉、触觉等感官来实现将虚拟概念变为强烈的自身主观感受，因此出现多种了VR游戏和VR教育软件。电子实验仿真平台利用VR技术，是能够在教育领域发挥平台虚拟架构的作用，这种作用包括创建学习的新环境、综合运用使用者感官、支持语言学习、支持特殊教育这四个方面。VR技术下的电子仿真实验室作为新型的教学方法，对传统的教学实现起到非常好的辅助作用，受到广大的教师和学生的喜爱。电子仿真平台主要有以下两个优点：

第一，实验教学可以强化学生的动手操作能力，学生通过实验课堂能够加深知识理解，因此，实验教学具有很重要的作用。由于传统的教学观念制约，导致许多实验课程都受到学时限制，并且缺乏知识的创新与和运用。面对这种问题，高校可以利用VR技术开发的实验仿真平台弥补传统教学实验的不足，给学生创造出不受时间和空间限制的虚拟环境，极大地丰富了实验的灵活性。学生也能在平臺中充分发挥个人想象能力，进行创造性的实验。学校通过将VR技术的电子仿真平台和传统的实验教学结合在一起，可以灵活的开展教学任务，提高现代实验教学品质。

第二，降低科研成本。很多学校缺乏经费，无法一次性购买多种试验设备，从而缺乏试验设备，不能满足教学实验需求，导致很多实验无法开展。此外，随着扩招，高校学生的规模不断扩大，不断增长的学生规模和实验资源短缺的矛盾日益凸显出来。在现代化的高校中，专业实验活动耗资巨大，实验设备的采购成本非常高，学校不断引进新的设备就会导致资金的压力，因此，高校迫切需要降低实验成本，来解决实验资金问题。针对这些问题，高校可以运用VR技术电子仿真平台，来减少实验器材的购买数量，缓解资金紧张问题，同时也可以解决实验设备和学生数量的矛盾。

2 实现电子仿真平台的方案

2.1 电子仿真平台的操作界面设计

在建构电子实验仿真平台时，可以使用可视化的Deliphi7编程语言来完成开发，在VR技术可已运行的情况下，实验平台能够出现放置实验的程序界面，同时，能够在1024*768分辨率甚至更高的显示屏上呈现完整画面。电子实验仿真平台主要由菜单栏、系统工具、实验操作区和信号传输模块构成。这几个模块的位置不同，在仿真平台的上方是菜单栏和系统工具，菜单栏主要包括文件状态、系统运行、平台信息等，系统工具主要包含电路图的修改和编辑功能，仿真平台的左边和右边是电源模块、波形模块和接地模块，可以用来各类信号的输出，仿真平台的下方是信息输入区域，包含电源开关和触碰键，主要用来控制实验中的电源信号开启和关闭。

研究人员通过对进行操作界面模拟实验，可以判定操作界面是否可以使用，主要有以下几个步骤：（1）将电子仿真平台的电源关闭，然后在菜单栏中选择对应的实验芯片，结果显示出来之后，在工具栏中选择实验所需工具，将芯片拖动到固定位置，接下来连接选定好的导线，通过在显示屏上筛选想要接入的导线，将其插入进到线孔，导线就能被线孔自动捕获，也能够在触摸板上对导线进行弯折处理，布置不同的转折点，能更加方便的导线布局。（2）在绘制好电路图之后，研究人员可以利用电子仿真实验平台的检验功能来测验电路图通电效果。（3）如果测验正确的话，将仿真平台的电源连接，那么，所绘制的电路就会工作，电子平台的也会显示出动态的电路工作模式，此时，操作人员可以在触控板上修改电路的具体数据，进行模拟实验操作。

2.2 虚拟元件模型开发

虚拟元件是电子仿真实验平台实验必不可少的部分，虚拟元件要具有物理属性和电气属性。在研究人员开发虚拟元件时，首先要设计整体模型，然后根据不同的虚拟元件，找出联系和差异，能够简化开发虚拟元件的过程。对于虚拟设备建构的具体方法如下：（1）将虚拟元件库命名为VEB，它是由n个独立的虚拟元件VE组成。模型结构为VEB=VEa（a∈R）。（2）虚拟元件VE具有端口具有端口属性，可以独立的和外界元素进行交换。（3）虚拟元件的端口有In，Out，其中In属于虚拟元件VE的输出端口，Out为输出端口。（4）Method是虚拟元件的集合，它能够对虚拟元件自身和外界产生定义作用。（5）Att是属性集合，它定义了虚拟元件的不同种类信息，例如名称、图形等。

2.3 扩散信号的算法实现

为了能让信号可以连接所有终端，电子仿真平台就要采用具体的信号扩散算法。因为信号能够单独传播，也可以进行多点传递，所以，在进行信号扩散的算法时，可以通过循环递归来实现。实验仿真平台的信号算法实现具体步骤如下：（1）要树立一个有源端的节点，然后查看此端源节点与其他节点之间是否通过后继节点进行内部直接连接，如果存在这种现象，且后继节点信号不同于当前节点，则需要将两个节点的信号调成一致，再通过导线相连接。（2）将信号状态扩散到其他四个相连接的节点，通过将两种连接方式相结合，信号就可以完成一次递归，然后将四个插孔节依次进行后继扫描，可以将信号持续传递下去，直到没有两个单独相连接的插孔为止。

2.4 运行功能设计

虚拟元件、节点安装完成后，需要对平台的运行功能进行设计，主要包括两个内容：

第一，要对独立程序进行仔细扫描。通过扫描能够使电子平台正确的反应信号变化情况，操作人员需要在程序不断运行的过程中，对不同处的节点进行扫描操作，能够有效的验证平台使用效果。扫描过程主要有以下几个步骤：（1）当按下触控点时，需要在电路高压点的情况下对触控板上所有插孔做出递归信号的传递，如果输出端变为高压，程序就需要输出led指示灯，然后红灯亮起。（2）当电路反应信号表现为输出模式，仿真平台达到虚拟现实的效果，才能正常运行，成为有意义的实验工具。（3）基本的扫描程序是依次将输入、输出程序同时进行扫描，首先，要扫描输出程序，通过将所有的平台信息和电子芯片信息都传送出去，然后在进行终端设备扫描。（4）将信号当前的状态显示为输出，当平台Delphi中的TRunThread的线性方式扫描功能子线程的这个类的来源变为TThread類，通过扫描这个类的Execute方法，可以实现仿真平台的正常运转。（5）在对子线程的时候进行扫描时，需要运用Synchronize的函数方程来完成行异步访问，能够使主线处理好信号的工作。

第二，动态编辑的功能。主要由以下几个步骤：（1）在独立扫描的子线程上进行唤醒操作，通过循环式扫描能够使方程完成信号在线状态。当关闭电源开关时，虚拟平台能够进入初始化界面，等待再次唤醒。（2）电路运行时，需要对所有节点进行初始化操作，对主板发出重绘的命令。（3）当运行信号变为无点时，就要对源节进行信号释放。

3 结束语

综上所述，电子仿真平台可以通过VR技术实现。在此基础上，通过研发新型传感技术、高速处理图像能够做到减少画面延时感、视化Deliphi7编程语言，同时，通过增加触控导线的转折点，能够使导线产生弯折效果，因此，高校应积极开发VR技术，提高实验仿真平台应用性。

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