基于Unity技術的數字電路虛擬仿真教學系統

孫沫麗　李偉光　李倩等

關鍵詞：Unity;虛擬仿真；數字電路

中圖法分類號：TP391 文獻標識碼：A

1引言

數字電路在各大高校的實踐教學中占有重要地位。目前，電子技術型人才稀缺，技能要求嚴格，在這方面提高學生的動手能力及認知水平刻不容緩。傳統的實驗需要在實驗教師的帶領下，在規定好的時間、地點，按照規定的內容和流程進行實驗，導致學生的學習時間不能被靈活掌控。另外，實驗手段單一，實驗現象展示不夠形象化，學生被以“填鴨式”的方法接收電路原理并重現過程，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提升。同時，實驗設備稀缺、老化、價格昂貴，設備更新換代，安全事故等也是目前面臨的主要問題。

目前，電學類的二維虛擬仿真軟件相對成熟，如protel，multisim.viewlogic等。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計算機上，仍然不夠真實，初學者在不懂專業術語或專業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。為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室的研究勢在必行。

本文研究的目的是采用Unity技術設計研發一套數字電路虛擬仿真教學系統，切實解決實驗室設備短缺、設備老化、更新換代等實際問題，緩解學生課余時間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。

2虛擬仿真教學系統的設計

2.1采用的技術

采用虛擬現實技術、3D模型設計與制作技術、Unity游戲引擎結合數字電路的基本原理，設計研發出數字電路虛擬仿真教學系統。總體來講，即采用虛擬現實設備，如以VR配套設備或者終端計算機作為操作媒介，采用3D模型制作技術對數字電路的實驗箱、電子元器件等進行模型的設計與制作，使用Unity引擎技術實現實驗場景的搭建，即把數字電路的邏輯引入相應的模型，用程序實現模型的內部邏輯、UI交互，為實驗者提供友好、逼真的交互界面，達到高度仿真的目的。

2.2總體設計思路

本系統從需求分析、技術可行性和仿真內容3個方面進行分析，設計思路框圖如圖1所示。

3虛擬仿真教學系統主要功能的實現

3.1三維模型的構建

根據虛擬仿真教學系統的設計要求，三維模型的設計內容主要包括實驗箱、導線端子插槽、芯片插槽、LED燈、輸入開關、芯片、數碼管、總開關和電源指示燈、導線等。采用3DMAX建模軟件進行模型的設計，在建模過程中，結構的整體部分根據前視圖來制作，細節部分根據實物進行調節。根據實驗設備的特點，在模型設計過程中對活動關節的部件進行分離設計并組合，以方便后續程序控制部件的關節活動。不同的模型根據系統的不同要求進行設計，比如芯片插槽是一個黑色塑料零件，用于插入芯片，上面帶有芯片引腳的插口，將芯片放上去時芯片的引腳就正好落人對應的插口中。這個插口與導線端子的插口不同，比較小。芯片插槽側面有用于識別芯片安裝方向的小缺口，與芯片上的小缺口對應，在導人模型時注意方向。芯片插槽設計如圖2所示。

3.2虛擬仿真教學系統核心功能的實現

3.2.1系統功能總體設計

虛擬仿真教學系統主要劃分為4個仿真模塊，分別是：組合邏輯電路設計、數據選擇器、簡單時序電路以及計數器模塊。根據4個仿真模塊的實驗需求，需要仿真的模型主要包含實驗箱，芯片、電源、開關以及LED燈等。使用Unity導人模型并進行實驗場景的搭建，通過程序實現各個模型的交互功能并進行測試。系統功能總體設計如圖3所示。

3.2.2實驗箱功能設計

實驗箱是所有數字電路實驗的主要操作對象，其內部結構復雜，需要仿真的功能包括電源、時序電路輸入、芯片插槽、LED燈、開關組等。通過Unity導人實驗箱模型，為仿真模型建立對應的類并實現其交互功能，以芯片插槽為例，芯片插槽根據芯片的引腳數，設計為14引腳、16引腳以及20引腳3種，設計的類根據不同的引腳創建不同的插槽對象。類的功能包括對輸入和輸出引腳的定義，以及電源引腳的定義等。

3.2.3芯片功能的設計

芯片是數字電路實驗的主要操作對象，芯片的選擇根據實驗需求決定。比如，要實現組合邏輯實驗中的與非門仿真實驗，則需要74LSOO與非門，一個芯片包含4個與非門。為仿真模型建立對應的類并實現其交互功能。不同的芯片，內部邏輯結構不同，首先根據引腳數和芯片的型號確定芯片的類對象，并實現芯片的邏輯功能。不同的引腳代表不同的功能，比如芯片74LSO0，內部包含4個與非門，其中1，2，4，5，12，13引腳為輸入端，3，6，8，11引腳為輸出端，7為地端，14引腳為電源VCC端，芯片類內部實現的功能是檢測各個端子的連接情況，并進行與非的邏輯轉換并輸出，對芯片進行仿真。

3.2.4導線的連接方案設計

導線的連接是數字電路虛擬仿真的關鍵環節。導線設計、連接方案以及連接算法是本文的研究重點。導線采用貝塞爾曲線進行設計，通過鼠標設計連接錨點，當錨點碰撞到實驗箱上面的插槽端口將進行自動吸附，單擊鼠標左鍵確認是否連接某個端子。需要設計導線的類，功能包括連接導線，刪除指定導線，堆疊連接導線，導通電流算法等。導通電流的算法主要采用數據結構中圖的遞歸算法實現電流導通功能。

4虛擬仿真教學系統的實踐

以組合邏輯電路實驗的實踐過程為例，對圖4中指定的實驗內容進行實踐和仿真，根據電路的相應結果測試仿真教學系統的結果如圖4所示，根據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，根據題意，只要選擇一片74LSOO即可滿足實驗要求，根據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，根據A，B，C的組合輸出Y的值，經虛擬仿真教學系統進行測試，結果完全滿足實驗要求。

5結束語

數字電路虛擬仿真教學系統采用建模技術、Unity技術、仿真技術等，構建了數字電路實驗虛擬仿真的實驗環境，有效解決了高校師生“數字電路”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展，線上教學模式已經逐漸普及到各大高等院校中，使得在線教育成為必然的趨勢。對于量大面廣的“數字電路”實驗課程，開發基于Unity技術的虛擬仿真教學系統對提高線上、線下“數字電路”實驗教學，實現教育現代化具有重要意義。

作者簡介：

孫沫麗（1980—），碩士，副教授，研究方向：計算機科學與技術。