孫沫麗 李 倩 李偉光 郭 亮 張晏銘

（長春光華學(xué)院，吉林 長春 130000）

《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)》是理工類高校必不可少的電子類基礎(chǔ)課程[1]。目前，電子技術(shù)型人才稀缺，技能要求嚴(yán)格，在這方面加強(qiáng)學(xué)生的動手能力及認(rèn)知水平刻不容緩。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程需要在實(shí)驗(yàn)教師的帶領(lǐng)下，在規(guī)定好的時間、地點(diǎn)，按照規(guī)定的內(nèi)容和流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)時間不能夠靈活掌控[2]。另外，實(shí)驗(yàn)手段單一，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示不夠形象化，學(xué)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(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低落，對知識和技能的理解不夠深入，學(xué)生的實(shí)踐能力也得不到有效的提升[3]。同時，實(shí)驗(yàn)設(shè)備稀缺、老化、價(jià)格昂貴、設(shè)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(xué)模式的不斷普及，《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)》往往因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備的原因不能夠完成線上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，或者退而求其次選擇二維的電學(xué)平臺作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。雖然電學(xué)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(dāng)于將書本上的電路圖搬移到電腦上，仍然不夠真實(shí)，初學(xué)者在不懂專業(yè)術(shù)語或?qū)I(yè)技術(shù)的情況下上手困難，大大降低了學(xué)習(xí)者對仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣[6]。為了提升虛擬實(shí)驗(yàn)的沉浸感和交互性，面向電學(xué)領(lǐng)域的三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建研究勢在必行。

本文采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)一套數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，切實(shí)解決實(shí)驗(yàn)室設(shè)備短缺、設(shè)備老化、更新?lián)Q代等實(shí)際問題，緩解學(xué)生們課余時間想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場所緊缺的矛盾，同時為實(shí)驗(yàn)室教師演示、講解實(shí)驗(yàn)過程提供了便利，豐富了教學(xué)手段，提高了教師的教學(xué)效果。這種新的實(shí)驗(yàn)平臺豐富了學(xué)生的感性認(rèn)識，加深了學(xué)生對于知識的理解，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)踐動手能力，對真實(shí)場景的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞且粋€有效的補(bǔ)充。

目前，線上教學(xué)模式的改革正在如火如荼的探索當(dāng)中，本課題的研究有助于高校實(shí)驗(yàn)室線上教學(xué)模式的改革研究，在節(jié)約設(shè)備成本的同時，為網(wǎng)絡(luò)課程無法進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)提供了新的解決方案[7]。

1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的總體思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路有三個主要內(nèi)容：系統(tǒng)需求分析、技術(shù)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(xué)需求以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀暴露出的問題著手，切實(shí)解決學(xué)生與教師在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種問題。技術(shù)可行性論證階段主要關(guān)注實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作流程，通過3DMAX 或者M(jìn)AYA 模型設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，同時考察Unity3D 對于實(shí)現(xiàn)模型交互的技術(shù)可行性。仿真內(nèi)容研究階段主要關(guān)注需要仿真的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，最后確定研發(fā)方案。

2 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)流程

圖1 總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)需要仿真的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容明確需要仿真的電子元器件，主要包括：實(shí)驗(yàn)箱主體、LED 燈、各種開關(guān)、二極管以及導(dǎo)線等。由美工對相關(guān)的元器件進(jìn)行原始資料的采集，根據(jù)實(shí)物清楚地認(rèn)識需要建模的電子元器件的具體細(xì)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(jìn)行渲染增強(qiáng)真實(shí)感，最終以FBX 的格式導(dǎo)出，只有該種格式才能被Unity 識別并進(jìn)行后臺操作。在Unity 環(huán)境進(jìn)行場景搭建，UI 交互界面搭建，對導(dǎo)入的模型進(jìn)行分組，其中實(shí)驗(yàn)箱作為父對象，連接到實(shí)驗(yàn)箱的各種電子元器件作為子對象，使用C#對實(shí)驗(yàn)箱體，電子元器件進(jìn)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(xué)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)箱主體功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，目前實(shí)驗(yàn)箱的主體功能主要分成四個區(qū)域：總開關(guān)區(qū)、插槽區(qū)、LED 現(xiàn)實(shí)燈區(qū)以及狀態(tài)開關(guān)組區(qū)，每個區(qū)域都是一個類?？傞_關(guān)區(qū)主要負(fù)責(zé)總電源的導(dǎo)通與截止。插槽區(qū)根據(jù)引腳數(shù)不同設(shè)計(jì)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(dǎo)線連接狀態(tài)。LED 顯示燈主要負(fù)責(zé)端子的連接狀態(tài)檢測，信號燈的亮與滅功能實(shí)現(xiàn)等。開關(guān)組包括12 個狀態(tài)開關(guān)，主要檢測端子的連接狀態(tài)，導(dǎo)通與截止功能實(shí)現(xiàn)等。

3.2 芯片功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)一個父類對芯片的共性進(jìn)行管理，不同芯片由引腳數(shù)以及型號進(jìn)行區(qū)分，分成指定型號的子類。子類主要負(fù)責(zé)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(dǎo)線連接方案設(shè)計(jì)

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

圖4 導(dǎo)線的連接與電路導(dǎo)通

4 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)

選取組合電路實(shí)驗(yàn)中的某個實(shí)驗(yàn)對數(shù)字電路虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)要求，根據(jù)引腳的含義通過導(dǎo)線進(jìn)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(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。

5 結(jié)論

數(shù)字電路虛 擬仿真教學(xué)系統(tǒng)采用建模技術(shù)、Unity技術(shù)、仿真技術(shù)等，構(gòu)建了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。有效解決了高校師生數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺、實(shí)驗(yàn)機(jī)會較少、實(shí)驗(yàn)操作不便等實(shí)際問題，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，線上教學(xué)模式已經(jīng)逐漸普及到各大高等院校的教學(xué)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(shí)驗(yàn)課程，開發(fā)基于Unity 技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)對保證、提高線上、線下數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化具有重要意義。