基于VR技術(shù)的電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)探索與設(shè)計(jì)

楊鵬飛

摘要：該文主要探究了基于VR技術(shù)的電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)技術(shù)，提出了實(shí)現(xiàn)電子仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，包括操作界面的設(shè)計(jì)、虛擬元件模型開發(fā)、擴(kuò)散信號(hào)的算法實(shí)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)運(yùn)行功能設(shè)計(jì)等，通過對(duì)設(shè)計(jì)方法分析，能夠幫助相關(guān)人員加深理解。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；電子平臺(tái)；網(wǎng)絡(luò)端口

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）31-0240-02

基于VR技術(shù)下的電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)可以應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)中。學(xué)校利用VR技術(shù)可以更好地開展教學(xué)任務(wù)，能夠給教師和學(xué)生提供一個(gè)不受時(shí)間和地點(diǎn)約束的虛擬實(shí)驗(yàn)室，這不僅增加了實(shí)驗(yàn)的靈活性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，還解決了學(xué)校實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所建設(shè)問題，因此，電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)對(duì)于學(xué)校教學(xué)有著重要的意義。

1 VR技術(shù)下的電子仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概括

1.1 VR技術(shù)下的電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國，電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)還處于開發(fā)階段，并沒有大量的投入使用。因?yàn)楦咝Ｔ赩R技術(shù)研究方面還存在著許多待解決的問題，所以大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)只能在單機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行，不能實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，這樣會(huì)減少學(xué)生的實(shí)驗(yàn)真實(shí)操作感。同時(shí)，電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的容量不夠，無法承載過多的實(shí)驗(yàn)課程，導(dǎo)致了許多應(yīng)用難題，仍舊需要大量的開發(fā)研究工作。這些難題主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：

第一，目前設(shè)備的硬件使用效果還有待提高。VR技術(shù)需要通過專門的硬件才能夠使用，像是VR眼鏡、VR頭盔等?，F(xiàn)如今，這些硬件不能滿足使用者的需求，VR設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景切換速度無法和人的五官感知能力、大腦運(yùn)算能力相比較，會(huì)給使用者帶來延遲的感受，更重要的是，相關(guān)硬件設(shè)備的價(jià)格也非常高昂，一個(gè)VR主機(jī)加上頭盔顯示器需要花費(fèi)上萬元，這無論對(duì)高校還是學(xué)生來說都是一種負(fù)擔(dān)。

第二，軟件實(shí)用性差。因?yàn)橛布褂眯Ч牟焕硐耄訴R技術(shù)電子仿真平臺(tái)的效果也存在一些實(shí)用性問題，問題主要表現(xiàn)在缺乏新型傳感技術(shù)、缺乏有效物理建模方法、無法做到圖像高速處理、AI技術(shù)不成熟、3D建模技術(shù)不完善等。而投入資金大，使用效果差的現(xiàn)狀也導(dǎo)致高校在進(jìn)行研發(fā)VR技術(shù)軟件時(shí)舉棋不定。

第三，應(yīng)用領(lǐng)域有限。當(dāng)前，VR技術(shù)主要應(yīng)用于高?？蒲泻碗娮痈?jìng)技產(chǎn)業(yè)，在基礎(chǔ)教育和商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不足，整體社會(huì)對(duì)于在VR技術(shù)和電子仿真平臺(tái)的認(rèn)知還有待提高，希望平臺(tái)未來能夠在教育、民用領(lǐng)域等行業(yè)發(fā)揮重要作用。

第四，使用效果不理想。許多VR技術(shù)電子仿真平臺(tái)重點(diǎn)研究使用者的視覺技術(shù)，而對(duì)于聽覺和觸覺研究較少，嗅覺和味覺的設(shè)備技術(shù)還處于科研方面，沒有正式投入使用。此外，電子仿真平臺(tái)在語音識(shí)別、人際交互等多方面也存在著不足。

1.2 VR技術(shù)下的電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)建立意義

VR技術(shù)是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能夠通過最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)創(chuàng)造出一種新的人機(jī)交換手段。現(xiàn)階段的VR技術(shù)主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)競(jìng)技和教育產(chǎn)業(yè)，因?yàn)樗軌蛉轿徽{(diào)動(dòng)使用者的視覺、聽覺、觸覺等感官來實(shí)現(xiàn)將虛擬概念變?yōu)閺?qiáng)烈的自身主觀感受，因此出現(xiàn)多種了VR游戲和VR教育軟件。電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)利用VR技術(shù)，是能夠在教育領(lǐng)域發(fā)揮平臺(tái)虛擬架構(gòu)的作用，這種作用包括創(chuàng)建學(xué)習(xí)的新環(huán)境、綜合運(yùn)用使用者感官、支持語言學(xué)習(xí)、支持特殊教育這四個(gè)方面。VR技術(shù)下的電子仿真實(shí)驗(yàn)室作為新型的教學(xué)方法，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)現(xiàn)起到非常好的輔助作用，受到廣大的教師和學(xué)生的喜愛。電子仿真平臺(tái)主要有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

第一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手操作能力，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課堂能夠加深知識(shí)理解，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很重要的作用。由于傳統(tǒng)的教學(xué)觀念制約，導(dǎo)致許多實(shí)驗(yàn)課程都受到學(xué)時(shí)限制，并且缺乏知識(shí)的創(chuàng)新與和運(yùn)用。面對(duì)這種問題，高?？梢岳肰R技術(shù)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足，給學(xué)生創(chuàng)造出不受時(shí)間和空間限制的虛擬環(huán)境，極大地豐富了實(shí)驗(yàn)的靈活性。學(xué)生也能在平臺(tái)中充分發(fā)揮個(gè)人想象能力，進(jìn)行創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)。學(xué)校通過將VR技術(shù)的電子仿真平臺(tái)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合在一起，可以靈活的開展教學(xué)任務(wù)，提高現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)品質(zhì)。

第二，降低科研成本。很多學(xué)校缺乏經(jīng)費(fèi)，無法一次性購買多種試驗(yàn)設(shè)備，從而缺乏試驗(yàn)設(shè)備，不能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)無法開展。此外，隨著擴(kuò)招，高校學(xué)生的規(guī)模不斷擴(kuò)大，不斷增長的學(xué)生規(guī)模和實(shí)驗(yàn)資源短缺的矛盾日益凸顯出來。在現(xiàn)代化的高校中，專業(yè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)耗資巨大，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的采購成本非常高，學(xué)校不斷引進(jìn)新的設(shè)備就會(huì)導(dǎo)致資金的壓力，因此，高校迫切需要降低實(shí)驗(yàn)成本，來解決實(shí)驗(yàn)資金問題。針對(duì)這些問題，高?？梢赃\(yùn)用VR技術(shù)電子仿真平臺(tái)，來減少實(shí)驗(yàn)器材的購買數(shù)量，緩解資金緊張問題，同時(shí)也可以解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備和學(xué)生數(shù)量的矛盾。

2 實(shí)現(xiàn)電子仿真平臺(tái)的方案

2.1 電子仿真平臺(tái)的操作界面設(shè)計(jì)

在建構(gòu)電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)時(shí)，可以使用可視化的Deliphi7編程語言來完成開發(fā)，在VR技術(shù)可已運(yùn)行的情況下，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠出現(xiàn)放置實(shí)驗(yàn)的程序界面，同時(shí)，能夠在1024*768分辨率甚至更高的顯示屏上呈現(xiàn)完整畫面。電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)主要由菜單欄、系統(tǒng)工具、實(shí)驗(yàn)操作區(qū)和信號(hào)傳輸模塊構(gòu)成。這幾個(gè)模塊的位置不同，在仿真平臺(tái)的上方是菜單欄和系統(tǒng)工具，菜單欄主要包括文件狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行、平臺(tái)信息等，系統(tǒng)工具主要包含電路圖的修改和編輯功能，仿真平臺(tái)的左邊和右邊是電源模塊、波形模塊和接地模塊，可以用來各類信號(hào)的輸出，仿真平臺(tái)的下方是信息輸入?yún)^(qū)域，包含電源開關(guān)和觸碰鍵，主要用來控制實(shí)驗(yàn)中的電源信號(hào)開啟和關(guān)閉。

研究人員通過對(duì)進(jìn)行操作界面模擬實(shí)驗(yàn)，可以判定操作界面是否可以使用，主要有以下幾個(gè)步驟：（1）將電子仿真平臺(tái)的電源關(guān)閉，然后在菜單欄中選擇對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)芯片，結(jié)果顯示出來之后，在工具欄中選擇實(shí)驗(yàn)所需工具，將芯片拖動(dòng)到固定位置，接下來連接選定好的導(dǎo)線，通過在顯示屏上篩選想要接入的導(dǎo)線，將其插入進(jìn)到線孔，導(dǎo)線就能被線孔自動(dòng)捕獲，也能夠在觸摸板上對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行彎折處理，布置不同的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，能更加方便的導(dǎo)線布局。（2）在繪制好電路圖之后，研究人員可以利用電子仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的檢驗(yàn)功能來測(cè)驗(yàn)電路圖通電效果。（3）如果測(cè)驗(yàn)正確的話，將仿真平臺(tái)的電源連接，那么，所繪制的電路就會(huì)工作，電子平臺(tái)的也會(huì)顯示出動(dòng)態(tài)的電路工作模式，此時(shí)，操作人員可以在觸控板上修改電路的具體數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作。

2.2 虛擬元件模型開發(fā)

虛擬元件是電子仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)必不可少的部分，虛擬元件要具有物理屬性和電氣屬性。在研究人員開發(fā)虛擬元件時(shí)，首先要設(shè)計(jì)整體模型，然后根據(jù)不同的虛擬元件，找出聯(lián)系和差異，能夠簡化開發(fā)虛擬元件的過程。對(duì)于虛擬設(shè)備建構(gòu)的具體方法如下：（1）將虛擬元件庫命名為VEB，它是由n個(gè)獨(dú)立的虛擬元件VE組成。模型結(jié)構(gòu)為VEB=VEa（a∈R）。（2）虛擬元件VE具有端口具有端口屬性，可以獨(dú)立的和外界元素進(jìn)行交換。（3）虛擬元件的端口有In，Out，其中In屬于虛擬元件VE的輸出端口，Out為輸出端口。（4）Method是虛擬元件的集合，它能夠?qū)μ摂M元件自身和外界產(chǎn)生定義作用。（5）Att是屬性集合，它定義了虛擬元件的不同種類信息，例如名稱、圖形等。

2.3 擴(kuò)散信號(hào)的算法實(shí)現(xiàn)

為了能讓信號(hào)可以連接所有終端，電子仿真平臺(tái)就要采用具體的信號(hào)擴(kuò)散算法。因?yàn)樾盘?hào)能夠單獨(dú)傳播，也可以進(jìn)行多點(diǎn)傳遞，所以，在進(jìn)行信號(hào)擴(kuò)散的算法時(shí)，可以通過循環(huán)遞歸來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的信號(hào)算法實(shí)現(xiàn)具體步驟如下：（1）要樹立一個(gè)有源端的節(jié)點(diǎn)，然后查看此端源節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間是否通過后繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部直接連接，如果存在這種現(xiàn)象，且后繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)不同于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，則需要將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)調(diào)成一致，再通過導(dǎo)線相連接。（2）將信號(hào)狀態(tài)擴(kuò)散到其他四個(gè)相連接的節(jié)點(diǎn)，通過將兩種連接方式相結(jié)合，信號(hào)就可以完成一次遞歸，然后將四個(gè)插孔節(jié)依次進(jìn)行后繼掃描，可以將信號(hào)持續(xù)傳遞下去，直到?jīng)]有兩個(gè)單獨(dú)相連接的插孔為止。

2.4 運(yùn)行功能設(shè)計(jì)

虛擬元件、節(jié)點(diǎn)安裝完成后，需要對(duì)平臺(tái)的運(yùn)行功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)內(nèi)容：

第一，要對(duì)獨(dú)立程序進(jìn)行仔細(xì)掃描。通過掃描能夠使電子平臺(tái)正確的反應(yīng)信號(hào)變化情況，操作人員需要在程序不斷運(yùn)行的過程中，對(duì)不同處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描操作，能夠有效的驗(yàn)證平臺(tái)使用效果。掃描過程主要有以下幾個(gè)步驟：（1）當(dāng)按下觸控點(diǎn)時(shí)，需要在電路高壓點(diǎn)的情況下對(duì)觸控板上所有插孔做出遞歸信號(hào)的傳遞，如果輸出端變?yōu)楦邏?，程序就需要輸出led指示燈，然后紅燈亮起。（2）當(dāng)電路反應(yīng)信號(hào)表現(xiàn)為輸出模式，仿真平臺(tái)達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果，才能正常運(yùn)行，成為有意義的實(shí)驗(yàn)工具。（3）基本的掃描程序是依次將輸入、輸出程序同時(shí)進(jìn)行掃描，首先，要掃描輸出程序，通過將所有的平臺(tái)信息和電子芯片信息都傳送出去，然后在進(jìn)行終端設(shè)備掃描。（4）將信號(hào)當(dāng)前的狀態(tài)顯示為輸出，當(dāng)平臺(tái)Delphi中的TRunThread的線性方式掃描功能子線程的這個(gè)類的來源變?yōu)門Thread類，通過掃描這個(gè)類的Execute方法，可以實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）在對(duì)子線程的時(shí)候進(jìn)行掃描時(shí)，需要運(yùn)用Synchronize的函數(shù)方程來完成行異步訪問，能夠使主線處理好信號(hào)的工作。

第二，動(dòng)態(tài)編輯的功能。主要由以下幾個(gè)步驟：（1）在獨(dú)立掃描的子線程上進(jìn)行喚醒操作，通過循環(huán)式掃描能夠使方程完成信號(hào)在線狀態(tài)。當(dāng)關(guān)閉電源開關(guān)時(shí)，虛擬平臺(tái)能夠進(jìn)入初始化界面，等待再次喚醒。（2）電路運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化操作，對(duì)主板發(fā)出重繪的命令。（3）當(dāng)運(yùn)行信號(hào)變?yōu)闊o點(diǎn)時(shí)，就要對(duì)源節(jié)進(jìn)行信號(hào)釋放。

3 結(jié)束語

綜上所述，電子仿真平臺(tái)可以通過VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，通過研發(fā)新型傳感技術(shù)、高速處理圖像能夠做到減少畫面延時(shí)感、視化Deliphi7編程語言，同時(shí)，通過增加觸控導(dǎo)線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，能夠使導(dǎo)線產(chǎn)生彎折效果，因此，高校應(yīng)積極開發(fā)VR技術(shù)，提高實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)應(yīng)用性。

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