數(shù)字電路實驗虛擬仿真教學系統(tǒng)

孫沫麗 李 倩 李偉光 郭 亮 張晏銘

（長春光華學院，吉林 長春 130000）

《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[1]。目前，電子技術型人才稀缺，技能要求嚴格，在這方面加強學生的動手能力及認知水平刻不容緩。傳統(tǒng)的實驗過程需要在實驗教師的帶領下，在規(guī)定好的時間、地點，按照規(guī)定的內(nèi)容和流程進行實驗，導致學生的學習時間不能夠靈活掌控[2]。另外，實驗手段單一，實驗現(xiàn)象展示不夠形象化，學生被以“填鴨式”的方法接受電路原理并重現(xiàn)過程，書寫千篇一律的實驗報告，學生學習興趣低落，對知識和技能的理解不夠深入，學生的實踐能力也得不到有效的提升[3]。同時，實驗設備稀缺、老化、價格昂貴、設備更新?lián)Q代、安全事故等也是目前面臨的主要問題[4]。

隨著線上教學模式的不斷普及，《數(shù)字電路實驗》往往因為實驗設備的原因不能夠完成線上的實驗教學任務，或者退而求其次選擇二維的電學平臺作為實驗教學平臺。雖然電學類的二維虛擬仿真平臺相對成熟，比如protel、multisim、viewlogic 等[5]，但是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)術語或?qū)I(yè)技術的情況下上手困難，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，面向電學領域的三維虛擬仿真實驗平臺的構建研究勢在必行。

本文采用虛擬現(xiàn)實技術設計研發(fā)一套數(shù)字電路實驗虛擬仿真教學系統(tǒng)，切實解決實驗室設備短缺、設備老化、更新?lián)Q代等實際問題，緩解學生們課余時間想進行實驗與實驗設備、實驗場所緊缺的矛盾，同時為實驗室教師演示、講解實驗過程提供了便利，豐富了教學手段，提高了教師的教學效果。這種新的實驗平臺豐富了學生的感性認識，加深了學生對于知識的理解，大大提高了學生的學習效率和實踐動手能力，對真實場景的實驗模式是一個有效的補充。

目前，線上教學模式的改革正在如火如荼的探索當中，本課題的研究有助于高校實驗室線上教學模式的改革研究，在節(jié)約設備成本的同時，為網(wǎng)絡課程無法進行遠程實驗提供了新的解決方案[7]。

1 虛擬仿真教學系統(tǒng)的總體思路

系統(tǒng)設計思路有三個主要內(nèi)容：系統(tǒng)需求分析、技術可行性論證以及仿真內(nèi)容研究。需求分析主要從高校數(shù)字電路課程的教學需求以及實驗現(xiàn)狀暴露出的問題著手，切實解決學生與教師在實驗過程中出現(xiàn)的各種問題。技術可行性論證階段主要關注實驗模型的設計與制作流程，通過3DMAX 或者MAYA 模型設計軟件設計實驗模型，同時考察Unity3D 對于實現(xiàn)模型交互的技術可行性。仿真內(nèi)容研究階段主要關注需要仿真的數(shù)字電路實驗以及實驗用到的電子元器件，通過與數(shù)字電路課程教師溝通確定實驗內(nèi)容以及實驗細節(jié)，最后確定研發(fā)方案。

2 虛擬仿真教學系統(tǒng)的開發(fā)流程

圖1 總體設計思路

根據(jù)需要仿真的實驗內(nèi)容明確需要仿真的電子元器件，主要包括：實驗箱主體、LED 燈、各種開關、二極管以及導線等。由美工對相關的元器件進行原始資料的采集，根據(jù)實物清楚地認識需要建模的電子元器件的具體細節(jié)并利用三維建模軟件制作元件的模型。將模型制作完畢后，還要對模型貼圖進行渲染增強真實感，最終以FBX 的格式導出，只有該種格式才能被Unity 識別并進行后臺操作。在Unity 環(huán)境進行場景搭建，UI 交互界面搭建，對導入的模型進行分組，其中實驗箱作為父對象，連接到實驗箱的各種電子元器件作為子對象，使用C#對實驗箱體，電子元器件進行功能仿真，開發(fā)流程如圖2 所示。

圖2 開發(fā)流程

3 虛擬仿真教學系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

3.1 實驗箱主體功能實現(xiàn)

根據(jù)實驗內(nèi)容，目前實驗箱的主體功能主要分成四個區(qū)域：總開關區(qū)、插槽區(qū)、LED 現(xiàn)實燈區(qū)以及狀態(tài)開關組區(qū)，每個區(qū)域都是一個類?？傞_關區(qū)主要負責總電源的導通與截止。插槽區(qū)根據(jù)引腳數(shù)不同設計不同的子類，包括14 引腳、16 引腳以及20 引腳。插槽區(qū)的父類主要檢測插槽的導線連接狀態(tài)。LED 顯示燈主要負責端子的連接狀態(tài)檢測，信號燈的亮與滅功能實現(xiàn)等。開關組包括12 個狀態(tài)開關，主要檢測端子的連接狀態(tài)，導通與截止功能實現(xiàn)等。

3.2 芯片功能設計

本系統(tǒng)初步設計了五種芯片，型號分別為74LS00、74LS04、74LS28、74LS86、74LS153，芯片根據(jù)型號不同，又分為14 引腳、16 引腳以及20 引腳。根據(jù)芯片的特點，設計一個父類對芯片的共性進行管理，不同芯片由引腳數(shù)以及型號進行區(qū)分，分成指定型號的子類。子類主要負責仿真芯片的內(nèi)部邏輯以及引腳的狀態(tài)切換。以74LS00 為例，在繼承芯片父類的前提下，由于其內(nèi)部包含四個異或門，引腳的含義為：1,2,4,5,12,13 引腳為輸入端，3,6,8,11 為輸出端7 為地端，14 引腳為電源VCC 端，由芯片子類檢查端口的連接情況，并根據(jù)異或門的邏輯決定輸出端的狀態(tài)。芯片操作過程如圖3 所示。

圖3 芯片操作與展示

3.3 導線連接方案設計

導線主要起到連接電子元器件的作用，電子元器件通過導線的連接最終實現(xiàn)了電路圖的連接過程。由于導線具有連接的不確定性且錯綜復雜，導線的模型不能通過固定形狀進行表示，因此本系統(tǒng)采用貝塞爾曲線表示導線的形狀，根據(jù)導線的走向，由程序自動繪制貝塞爾曲線進行線路的連接。導線的連接端子由模型設計師設計完成。導線的連接方案是通過UI 界面選擇“使用導線”，鼠標變換成連接端子的形狀表示連接開始，鼠標接近實驗箱的端子會自動吸附，當松開鼠標及完成導線一段的連接，進入導線另一端的連接過程。當導線兩端連接完畢以后鼠標恢復正常狀態(tài)，再次點擊導線的某個端子可以實現(xiàn)導線的摘除以及再連接。導線類除了實現(xiàn)貝塞爾曲線繪制以外，還包含導線端子連接狀態(tài)的檢測與電流導通仿真，電流導通算法采用數(shù)據(jù)結(jié)構中的連通圖遞歸算法，當導線連接電源以及燈泡等元器件時，打開電源及實現(xiàn)電流導通，導通過程如圖4 所示。

圖4 導線的連接與電路導通

4 數(shù)字電路實驗檢驗系統(tǒng)

選取組合電路實驗中的某個實驗對數(shù)字電路虛擬仿真系統(tǒng)進行檢驗，根據(jù)實驗要求進行電路設計，得出電路公式并繪制電路圖，確定需要的芯片，根據(jù)題意，只要選擇一片74LS00 即可滿足實驗要求，根據(jù)引腳的含義通過導線進行連接，輸入端為A,B,C，輸出端為Y，下圖中根據(jù)A,B,C 的組合輸出Y 的值，經(jīng)虛擬仿真教學系統(tǒng)進行測試，結(jié)果完全滿足實驗要求。

5 結(jié)論

數(shù)字電路虛 擬仿真教學系統(tǒng)采用建模技術、Unity技術、仿真技術等，構建了數(shù)字電路實驗的虛擬仿真的實驗環(huán)境。有效解決了高校師生數(shù)字電路課程實驗設備短缺、實驗機會較少、實驗操作不便等實際問題，隨著信息技術的快速發(fā)展，線上教學模式已經(jīng)逐漸普及到各大高等院校的教學手段中，使得在線教育成為必然的趨勢。對于量大面廣的數(shù)字電路實驗課程，開發(fā)基于Unity 技術的虛擬仿真教學系統(tǒng)對保證、提高線上、線下數(shù)字電路實驗教學，實現(xiàn)教育現(xiàn)代化具有重要意義。