基于虚拟仿真技术的“数字电路实验”教学系统设计

孙沫丽，恽鸿峰，杨晓辉

(长春光华学院，吉林 长春 130000)

0 引言

虚拟仿真技术是一种采用虚拟系统模仿真实系统的技术[1]。虚拟仿真是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统[2]。此种虚拟世界由计算机生成，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互[3]。其是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，提供用户一个与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。具有沉浸感的虚拟仿真实验则是依托虚拟仿真技术发展起来的创新型实践教学模式，是对实践教学环节的进一步改革。实验者在这种虚拟实验环境下进行学习和训练，如同在真实的环境中一样按照设定的步骤进行实验操作，这种实验模式取得的效果远远优于真实环境，提高了学生的学习效率和实践动手能力[4]。

1 研究现状

目前，电学类的二维虚拟仿真软件相对成熟，比如Protel，Multisim，Viewlogic等[5]。但二维仿真软件大多只注重电子元器件符号的连接，相当于将书本上的电路图搬移到电脑上，仍然不够真实。初学者在不懂专业术语或专业技术的情况下操作困难，大大降低了学习者对仿真实验的学习兴趣[6]。为了提升虚拟实验的沉浸感和交互性，面向电学领域的三维虚拟仿真实验系统的研究势在必行[7]。

2 “数字电路实验”教学系统的总体设计方案

2.1 “数字电路实验”仿真对象的选择

数字电路实验是理工类高校必不可少的电子类基础课程，在各大高校的实验教学中占有重要地位[8]。数字电路涉及的主要内容包括逻辑代数、逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路以及半导体存储器等。实验过程中所需要的电子元器件包括：逻辑与或非门电路、全加器、计数器、数据选择器以及译码器等。因此，需要根据实验内容对以上的元器件进行建模和功能仿真。

2.2 总体设计方案

数字电路虚拟仿真教学系统的总体设计方案如图1所示。在程序框架总体设计阶段，系统对电子元件进行接口定义，其主要目的是优化元器件的程序结构，提高程序的开发效率。在程序模块详细设计阶段，导线的外观及连接方式的设计采用贝塞尔曲线算法，并根据连接点实时动态的绘制导线；电子元件连接以后，电路的仿真算法采用无向图的递归算法进行模拟。

图1 总体设计方案

2.3 设计流程

本系统采用虚拟现实技术、3D模型设计与制作技术、Unity游戏引擎结合数字电路的基本原理，设计数字电路虚拟仿真教学系统。本系统采用虚拟现实设备如VR的配套设备或终端电脑作为操作媒介，通过3D模型制作技术对数字电路的实验箱、电子元器件等进行模型的设计与制作。本系统使用Unity引擎技术实现实验场景的搭建、模型的功能和交互，把数字电路的逻辑引入相应的模型，采用编程技术实现模型的内部逻辑、UI交互，为实验者提供友好、逼真的交互界面，达到高度仿真的目的。

设计流程为：首先，根据实验需求搜集电子元器件的素材和实验内容划分实验的模块。作者根据“数字电路”课程的内容，把虚拟仿真系统初步划分为4个仿真模块，分别是组合逻辑电路设计、数据选择器、简单时序电路以及计数器。其次，明确电子元器件的外观设计方案、内部构造参数和外形图片，了解不同电子元器件及芯片的工作原理，并清楚实验流程。搜集素材，了解电子元器件的具体细节并利用三维建模软件3DMAX制作模型。对模型进行贴图渲染增强其真实感，并以FBX的格式导出。再次，将模型文件以资源包的形式导入Unity，其中导入资源的文件结构应以实验箱作为文件的根结点，文件的内部包含总开关、LED灯组、开关组、显像管、芯片及芯片底座等模型。最后，对程序进行总体架构设计以及程序模块的详细设计。界面设计了一个主页面，内部包含4个实验模块的选项供实验者进行选择。当实验者选取某个实验选项则进入相应的实验场景时，通过UI界面的交互对不同的元器件进行选择并搭建实验，测试实验结果并验证实验的正确性。

3 关键技术的解决方案

在系统开发过程中，除了模型的设计与制作，对导入模型的功能设计与仿真也是非常重要的环节。除了程序的框架设计以及功能的详细设计与开发以外，本系统的设计仍包含以下关键技术：芯片仿真模块的设计、导线的连接方案设计与电流导通算法的实现等。

3.1 芯片模块的设计与仿真

芯片的外观基本没有太大区别，只有引脚数和型号有所不同。因此，可以为芯片设计一个统一的父类，根据芯片的不同型号设计相应的子类。根据实验内容对实验芯片的要求，系统至少需要包含以下几种芯片：74LS00，74LS04，74LS28，74LS86，74LS153芯片等。由于芯片的内部逻辑结构不同，所以对应的引脚数以及引脚的含义也不同。以74LS00为例，其芯片内部共包含4个逻辑异或门；其引脚的含义定义为：1，2，4，5，12，13引脚为输入端，3，6，8，11为输出端，引脚7为地端，引脚14为电源VCC端。芯片类具有引脚连接状态监测的功能，能时刻检查各引脚的连接状态并进行相应的逻辑输出。

3.2 导线的连接方案设计与电流导通算法的实现

导线的作用是连接相应的电子元器件，让设计的电路图在虚拟实验环境中实现并导通电路。由于实验者对导线的操作具有随机性、连接的不确定性等因素，所以导线不能采用固定的模型表示。本系统通过程序设计的绘图功能对导线进行实时的绘制，实验者在操作导线的过程中，导线的走向会进行动态更新，达到模拟真实导线的效果。本系统采用贝塞尔曲线对导线的走向进行模拟。导线的连接端子采用预先设计好的端子模型，一根导线包含两个连接端子，并由端子直接插入插槽，一个插槽可以堆叠连接多条导线的端子。当导线通过端子连接后，如果两个端子间电压不相等则启动电流导通算法。为了高度仿真电流，让导线呈现电路的导通效果，系统采用有向图递归算法对电流导通过程进行仿真。导线的设计及连接电路的过程，如图2所示。

图2 导线的设计与连接

4 “数字电路实验”教学系统的测试

以组合逻辑电路设计内容为例，作者根据例题的题意计算出输入与输出的公式，并进行电路的设计。系统根据设计电路的需求，确定芯片采用一片74LS00即可满足设计要求。图3左半部分展示了组合逻辑电路设计的例题以及电路的设计结构。芯片的内部结构以及输入与输出的关系结构，如图3所示。笔者采用虚拟仿真教学系统对该电路进行连接并测试，选取开关组的3个开关作为输入端A，B，C，选取L0显示灯作为输出端。根据逻辑电路图，采用导线对芯片、开关以及输出端L0进行连接。当A，B，C端按照图中的组合进行状态切换时，输出端L0的状态与预先设计的结果一致。

图3 实验测试与仿真结果

5 结语

基于虚拟仿真技术的“数字电路实验”教学系统的设计改变了传统的实践教学教学模式，无论在数字电路实验领域还是在其他电学的实验领域都具有非常广阔的应用前景。