張琦

（贛南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，江西贛州 341000）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涵蓋了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)等多門(mén)學(xué)科，是當(dāng)前最為先進(jìn)的一門(mén)科學(xué)技術(shù)。該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中能使人們沉浸其中，且人們的感受同現(xiàn)實(shí)相似，該技術(shù)的應(yīng)用是依托于虛擬現(xiàn)實(shí)，而虛擬實(shí)驗(yàn)室則是在此基礎(chǔ)上開(kāi)展的一種創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｍl(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步較晚。隨著我國(guó)對(duì)該技術(shù)的重視程度增加，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了適用于工業(yè)和機(jī)械等多個(gè)部門(mén)的虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)這些技術(shù)的應(yīng)用，我國(guó)軍事模擬和商業(yè)宣傳等得到了較大發(fā)展。

該文借助建模工具3ds MAX 建立了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室三維元素，為實(shí)驗(yàn)室的桌椅和試驗(yàn)箱等的搭配提供了可能，將用戶交互技術(shù)加入其中，使用戶能對(duì)這些虛擬事物進(jìn)行實(shí)際操作

1 數(shù)字電路三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 開(kāi)發(fā)流程

一套完整的虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)需要對(duì)以下四個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，包括外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路原理和仿真現(xiàn)象。對(duì)于整個(gè)建模過(guò)程，從初建模型到程序控制，中間的每一步都需要精心設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是靜態(tài)建模和組裝交互控制。靜態(tài)建模主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)容進(jìn)行靜態(tài)模型設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合交互控制方式添加自定義組件，保證實(shí)驗(yàn)室使用過(guò)程中的真實(shí)性，同時(shí)為元素交互等奠定基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)字電路三維虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)字電路的邏輯思維，其在日常生活中的應(yīng)用是比較普遍的一種現(xiàn)象，同時(shí)其涉及的各種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為繁多，加上實(shí)驗(yàn)的輸出和電路輸入之間存在的各種邏輯代數(shù)關(guān)系，使得每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的邏輯關(guān)系較為復(fù)雜。該次實(shí)驗(yàn)選取交通燈工作狀態(tài)控制電路、水泵啟?？刂齐娐?、 模十一加法計(jì)算器、 燈光控制邏輯電路、序列信號(hào)發(fā)生器、光控路燈開(kāi)關(guān)控制電路、叮咚門(mén)鈴電路、水龍頭控制電路、雙向移位寄存器和節(jié)日彩燈控制電路始終常見(jiàn)的綜合性實(shí)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)邏輯參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)3D 虛擬實(shí)驗(yàn)室的邏輯思維進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的模型構(gòu)建

2.1 環(huán)境搭建

選擇良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有激發(fā)效果，在每一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，除了具備實(shí)驗(yàn)所需要的各種電子元器件之外，還需要環(huán)境烘托來(lái)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)氛圍，像燈管和桌椅等。在開(kāi)展建模工作前，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量，包括實(shí)驗(yàn)室的所有物品的尺寸和比例，然后通過(guò)數(shù)據(jù)查詢獲得對(duì)應(yīng)的資料，并通過(guò)二維軟件將其設(shè)計(jì)完成，并通過(guò)3ds Max軟件對(duì)其進(jìn)行模型的構(gòu)建，并保證模型的真實(shí)性。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的相似物品，其可以通過(guò)3D 軟件中的復(fù)制等功能進(jìn)行copy，這樣大大降低建模難度。由于虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的物品可以通過(guò)視角的轉(zhuǎn)換對(duì)其進(jìn)行全面的觀察，建模時(shí)需要對(duì)物品的所有界面進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱的建模工作

數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱在整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室中是中心組成，這一部分的模型構(gòu)建對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有決定性的影響。但由于數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱的種類(lèi)和元器件數(shù)量等較多，在進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)前需要對(duì)數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱的組成以及各個(gè)元器件的功能等進(jìn)行詳細(xì)的了解，同時(shí)對(duì)于不同的元器件進(jìn)行顏色渲染和形態(tài)模擬，像功能芯片，不同的形狀代表不同的芯片型號(hào)等，而實(shí)驗(yàn)箱的管腳則需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注，幫助學(xué)生降低虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用難度。另外則是實(shí)驗(yàn)箱中的中小部件，其在建模時(shí)材質(zhì)的選擇也非常重要，像二極管可以通過(guò)透明和半透明等材料來(lái)設(shè)定二極管的功能等。為了保證建模效果的真實(shí)性，在建模前可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)不同部件的材質(zhì)進(jìn)行合理的選擇，增強(qiáng)其真實(shí)感和存在感。

2.3 功能芯片建模

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)涉及的各種功能芯片類(lèi)型非常多，包括74LS04 反相器等，這些功能芯片在實(shí)驗(yàn)中會(huì)體現(xiàn)具體的功能，因此，建模過(guò)程中需要對(duì)這些功能芯片的內(nèi)部和外部構(gòu)造進(jìn)行真實(shí)的還原，提高實(shí)驗(yàn)的沉浸性等。對(duì)于建模過(guò)程中的芯片比例縮放，其可以通過(guò)端口的管腳簽注對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，通過(guò)長(zhǎng)期的使用，學(xué)生能夠根據(jù)不同模型的名字來(lái)識(shí)別不同的功能芯片。

3 數(shù)字電路3D 虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

3.1 邏輯抽象和功能開(kāi)發(fā)

在該次研究的系統(tǒng)中，其主要是由10 個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成的，同時(shí)也是根據(jù)組合邏輯電路進(jìn)行的設(shè)計(jì)工作，在進(jìn)行邏輯問(wèn)題的設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的功能需求選擇對(duì)應(yīng)的邏輯功能電路。以已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成的二水泵啟?？刂齐娐纷鳛檠芯繉?duì)象: 在進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先需要對(duì)已經(jīng)編寫(xiě)完成的控制腳本拖拽到對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)對(duì)象上，然后將實(shí)驗(yàn)箱的電源接通，在這一狀態(tài)下對(duì)電路的連接狀態(tài)進(jìn)行檢查，成功后連線腳本中的DrawLine 設(shè)定為true 狀態(tài)，而對(duì)于其中的變量isDraw，其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的輸出現(xiàn)象是判定狀態(tài)的先決條件。而在進(jìn)行水體控制腳本中，若將連線成功標(biāo)志設(shè)定為true 之后，需要對(duì)其布爾變量×1 進(jìn)行true 設(shè)定。在這一過(guò)程中，需要通過(guò)多個(gè)腳本對(duì)整個(gè)操作進(jìn)行控制，變量之間的相互控制功能，腳本中變量存在邏輯關(guān)系連接，不同位置處的水位傳感器被碰撞后觸發(fā)，然后根據(jù)輸入變量的不同由低到高對(duì)其進(jìn)行設(shè)定，在水面低于三個(gè)檢測(cè)元件時(shí)，傳感器給出的信號(hào)為高電平1，而在水面高于傳感器元件高度時(shí)，設(shè)定其輸出信號(hào)為0，對(duì)于輸出變量，將其設(shè)定為Ml 和Ms，根據(jù)數(shù)字電路的原理，其控制關(guān)系需要符合相關(guān)公式。

3.2 碰撞響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于unity3D 系統(tǒng)，其在對(duì)碰撞進(jìn)行檢測(cè)時(shí)總共包含3 種方法，而最為有效的檢測(cè)方法是對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的觸發(fā)器進(jìn)行碰撞，通過(guò)該方法的應(yīng)用能夠?qū)φ麄€(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有效的碰撞響應(yīng)檢測(cè)，且操作時(shí)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(cè)水位實(shí)驗(yàn)中，水位上升過(guò)程中和傳感器的碰撞，其觸發(fā)后的控制措施是對(duì)水體的速度變化情況進(jìn)行顯示，同時(shí)啟停兩個(gè)水泵的工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以借助于虛擬仿真軟件對(duì)整個(gè)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更好地掌握，在這一過(guò)程中能夠幫助學(xué)生對(duì)數(shù)字電路的邏輯思想以及邏輯代數(shù)知識(shí)等進(jìn)行更加深入的探索和了解。