基于电路仿真的数字电路3D虚拟实验室的设计

摘要

虚拟现实技术作为一种新型的手段和资源在各个领域如建筑、化学、医学上发挥着举足轻重的作用。近年来将虚拟技术引进电子实验室构建具有现场沉浸感、交互性强的3D环境成为高等教育一个靓点。论文基于虚拟现实技术进行探索，以数字电路实验为主体进行设计，通过对虚拟数电实验箱、典型芯片及真实场景功能结构的模拟仿真，使学生自主选择实验时间和地点，强化创新能力和逻辑思维，开启生动逼真、交互性强、高效性的教学模式。
　　论文基于虚拟仪器、虚拟实验和虚拟现实技术现状，给出数字电路3D虚拟实验的架构设计、技术路线和解决方案，利用建模工具3dsMax和现场沉浸感强的游戏引擎Unity3D创建了数字电路3D可交互虚拟实验平台，搭建出平台的静态模型框架、动态交互控制模块、以及实验操作反馈机制。具体以数字电路的中组合逻辑电路和时序逻辑电路为模拟对象，用3dsMax搭建虚拟仪器和虚拟环境模型，包括:数电实验箱、各种逻辑功能芯片、实验桌椅、信号灯、发光二极管、导线和实验环境等。在unity中采用开发语言C#编写实验操作者电路连线输入和实验输出效果之间错综复杂的逻辑控制关系，直观地实现数字电路实验虚拟仿真。其中虚拟实验的功能设计模块包括按下电源开关的总体控制、操作单击各个虚拟仪器碰撞体响应控制、与或非芯片逻辑功能模拟、电路连线次序控制、文本输出和提示控制、实验界面跳转控制、实验重新开始复位控制及实验操作者视角控制等各个部分，以三维立体的视角再现数字电路实验场景。
　　该实验室具有良好的三维交互性、可操作性、功能完善、场景逼真生动，激发学生创造性和想象力，在教学领域具有潜在的应用价值和开发价值。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 虚拟现实技术

1．1．1 虚拟现实技术研究背景

1．1．2 虚拟现实技术仿真领域应用现状

1．2 电学仿真

1．2．1 电学仿真的特点

1．2．2 电学仿真培训系统的意义

1．3 虚拟电学仿真的发展现状

1．3．1 二维虚拟电学仿真系统的发展现状

1．3．2 三维虚拟电学仿真系统的发展现状

1．4 教学中电学实验存在的不足及解决方式

1．4．1 教学中电学实验存在的不足

1．4．2 论文主要内容及创新点

1．5 小结

2 数字电路三维虚拟仿真实验室总体设计方案

2．1 数字电路三维虚拟实验仿真对象的选择

2．2 数字电路虚拟实验室开发流程

2．3 数字电路三维虚拟实验室结构框架设计

2．4 数字电路三维虚拟实验室功能设计

2．4．1 核心功能设计

2．4．2 辅助功能设计

2．5 数字电路三维虚拟仿真实验室开发平台技术讨论

2．5．1 数字电路虚拟仿真实验室实现的技术选择

2．5．2 数字电路虚拟仿真实验室的实现方法和技术路线

2．6 系统开发工具

2．7 小结

3 数字电路虚拟实验室模型的构建

3．1 模型创建技术与原则

3．2 虚拟实验室仪器模型的层次控制

3．3 数字电路虚拟实验室的模型构建

3．3．1 实验环境的搭建

3．3．2 数电实验箱建模

3．3．3 功能芯片建模

3．3．4 电路导线建模

3．3．5 效果输出部分建模

3．5 虚拟实验室模型烘焙及导出

3．5．1 材质和贴图烘焙

3．5．2 模型导出

3．6 小结

4 数字电路虚拟实验室的功能实现

4．1 数字电路虚拟实验室新模式构建

4．1．1 逻辑抽象及功能开发

4．2 场景视角控制的实现

4．3 碰撞晌应的实现

4．4 界面跳转的实现

4．5 数字电路实验功能的具体实现

4．5．1 实验主界面设计

4．5．2 子场景中的开关控制

4．5．3 电路连线控制

4．5．4 输出现象控制

4．6 小结

5 数字电路虚拟实验室测试和评价

5．1 系统测试

5．2 传播

5．2 评价

结论

参考文献

附录

致谢