拟电路仿真实验系统的设计--中国期刊网

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拟电路仿真实验系统的设计

发表时间：2021/3/26 来源：《中国科技信息》2021年3月作者：付世龙蒲鑫张杰李宇奇

[导读] 电路理论是现代电气工程与电子科学技术的重要理论基础之一。各类电气类高等学校将电工电子实验作为专业基础实验。硬件连接是电工电子实验教学中最重要的组成部分。

长春工程学院电气与信息工程学院长春付世龙蒲鑫张杰李宇奇 130012

摘要：电路理论是现代电气工程与电子科学技术的重要理论基础之一。各类电气类高等学校将电工电子实验作为专业基础实验。硬件连接是电工电子实验教学中最重要的组成部分。如何生动的让学生理解电路的结构是所有教育工作者共同面临的问题。本实验是在传统实验教学模式基础上引入的虚拟仿真实验，它克服了传统实验教学条件短缺,实验效率偏低等弊端。本项目得益于计算机技术的完善和虚拟现实技术的成熟，虚拟仿真系统也日益完善并在各类应用上有了新的可能。项目通过对虚拟电路仿真系统的研究，以达到使用者能够通过虚拟仿真实验理解硬件电路的目的，并通过师生线上交流完成互动教学的目标。
关键词：虚拟现实；硬件电路；仿真系统
        引言：虚拟仿真也就是虚拟现实，它被称为VR或灵境技术。它是一种将真实系统转换为模拟系统的技术。虚拟模拟实际上是一个计算机系统，可以通过计算机感受真实世界。这里的虚拟世界是由计算机生成的，并且可以再现真实世界或虚构世界，并且用户可以通过各种感测渠道（例如视觉，听觉和触觉）自然地与虚拟世界互动。通过仿真的方式，创建了一个实时反映真实对象的变化和交互的三维虚拟世界，并给用户提供了一个三维界面，允许用户观察并体验虚拟世界，从而允许用户直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。VR技术是各种高级集成的结晶，例如计算机技术，计算机图形学，计算机视觉，模拟技术，微电子技术，多媒体技术，信息技术，立体声显示技术和语音识别，且其逼真度和实时交互为系统仿真技术提供了强大的支持。本文深入研究了虚拟电路仿真系统的设计，同时仔细研究了其在现代教育中的应用。
        1.项目背景
        电工电子实验是全国高等学校中电类专业必修的实验课程，学生可以通过进行电路实验更好的理解电器元件的工作原理并为以后走向工作岗位打下良好基础。但是在现实的实验中存在几点不可控的因素。第一点，在一些电气专业的实验中经常会用到220V，380v以至于更高的超越人体能接受最高电压的输入电压，实验过程中具有非常高的危险性，学生们在第一次操作时如果对于实验流程不熟悉，进行了错误操作，很有可能对人身安全造成威胁。第二点，如果有操作不当可能会使实验器材烧毁，造成财产损失，如果我们的学生可以提前在我们建立的虚拟系统中反复进行过实验的话，就可以避免上述现象的发生。其次，有许多电路实验在实际操作过程中对人力物力和场地的要求非常高，想要进行一次实验非常困难，那我们就可以用模拟电路来代替实际硬件电路做到去繁化简，再结合我们的虚拟操作系统，学生们就可以很方便的完成一个电路实验。
        2.项目的研究和应用
        项目的主要研究方向为虚拟仿真系统的设计与互动平台的搭建。学生可以通过在线网站进行各种电工电子实验，充分理解电路结构的同时，能极大地保护学生人身安全以及避免操作失误造成的经济损失。在线上平台可以实时与教师互动，教师可以实时观看学生的实验进展状态，并且给学生做出指导和评分。
        系统设计主要包括：
        2.1实验系统登陆界面
管理员登录：管理员主要为系统用户帐户和实验学生组提供导入/导出，添加，减少，删除和检查功能，维护参与实验的角色和相应的特权，还可以进行在线用户数量统计和其他项目。
        教务人员登录：教务人员需要根据学校的教学计划和课程大纲进行课程计划，开课计划，可以查看、增加、删除、修改和发布开课审核的通知，以及相应信息的发布与维护，同时可以查询每学期的开课情况。
        教师登录：教师根据课程计划安排实验，检查学生的实验进度，批改实验结果和实验报告，并计算和发布实验结果和成绩。
        学生登录：学生可以根据老师的要求预览并运行虚拟实验，并可以提交实验报告。在实验过程中，您可以向老师寻求指导，回答问题，评估实验的有效性并提供反馈。
        2.2实验系统的模块内容
        电路设计系统：
       （1）基础性实验模块
        包括基础的电路模块：电源输入，导线，电容电阻，晶体二极管，基本的放大电路和一些常见的集成电路等。

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       （2）设计性实验模块
        学生可以在所提供的基本的电路之上进行电路的改造，从而模拟出积分器，微分器，乘法器，加法减法器，可以设计具有其他功能的电路图，比如延时电路，滤波电路，反馈电路，电压比较器等等。
       （3）创新性实验模块
        在这里我们会提供给学生一些电路方程，学生可以自己设计、搭建电路并进行模拟实验，达到预习、学习、复习的目的。
        2.3实施方法
        虚拟实验室采用B/S架构，用户在PC端无需安装其他软件、组件、插件即可浏览网页，支持主流Windows系统。
       （1）用户端：用户需要访问网络并通过浏览器登录网络实验室。用户终端包括各个领域的用户信息管理模块和实验模块。每个实验都是一个单独的插件，并且不同的实验以树形结构排列在用户终端左侧区域中。如果需要添加实验或课程，只需修改树结构并将新的实验插件部署到指定的模块即可。
       （2）服务器端：服务器端由数据库服务器，Web服务器和计算服务器三台独立的服务器组成。数据库服务器主要管理用户个人信息，还存储实验数据。 Web服务器主要托管网站资源，包括界面，图片和实验性插件。计算服务器用于接收来自实验性插件的请求。收到计算服务器请求后，计算服务器将执行负载平衡，并将其他计算服务器请求转发到计算群集中的其他计算节点。
       （3）计算集群：计算集群包含多个计算节点，每个计算点的作用与计算原理是相同的，他们用来分担用户的模拟请求。当计算节点收到请求时，它首先分析用户请求的类型。当用户请求进行模拟时，计算节点会从请求中提取实验场景，以方便传输和解析。
        本系统需要两方面技术：标准化模型准备技术，主要的建模工作都在3DMAX中完成，电路元器件的模型尺寸要单位统一，大小合理；模型制作要简洁明朗，用简模而不是精模，并依据简模原则优化元器件模型。虚拟环境制作技术，选择一款满足：虚拟现实环境IE内嵌、Flash文件嵌入、数据库连接这三种技术的可视化软件平台，并选择一个比较成熟的三维互动虚拟平台，将常见的虚拟现实互动功能全部进行打包处理，同时，这个软件平台要提供比较强大的二次开发接口，比如Activex 插件方式与基于脚本方式等。
        3.项目优势
        形式新颖：本项目将采用全新的虚拟现实交互方式代替实际的实验操作，减少了危险性与误差性。
        操作方便：该系统打破了传统硬件实验的时间和地点的限制，可以随时进行与停止，学生只需要登陆网站便可进行电路实验的操作。
        可产业化：可以以本项目设计的系统为基础，建立其他学科的虚拟实验系统，并将其投入到实际教学中去，做到产业化。
        结语
        作为虚拟现实技术在教学上的使用，虚拟电路仿真系统无论作为教学辅助或是科学技术发展均有其特殊的作用。且在国际上也早有相应的研究，技术的相对成熟，保证了其使用的稳定性。对于个人来说，凭借虚拟电路仿真系统，可以独立完成各类电工电子实验。在教学辅助的应用，不仅节省了教师与学生的时间与经济负担，大幅度提高了教学效率。伴随着当今社会的进步和科技的发展，未来可能会有更多种作用。
参考文献
[1]吴迪，那振宇，谭克俊，李涛，基于Unity3D的电路原理虚拟实验室设计[J].电气电子教学学报.2020,42(02).
[2]崔金实,张卓，基于虚拟仿真的线上实验课教学研究——以数字电路与逻辑设计实验课为例[J].长春工程学院学报(社会科学版).2020,21(02).
[3]孙洪阳，基于Unity3D的电子电路虚拟实验室设计. 西北师范大学,2020.
作者简介：付世龙（2000-），男，汉族，吉林省洮南市人，本科在读，电子信息工程专业。
通信作者：蒲鑫（1978-），女，汉族，吉林长春人，工学博士，副教授。研究方向：数字图像处理与虚拟现实。
基金资助：长春工程学院大学生创新创业项目“虚拟电路仿真系统的设计”（项目编号：202011437155）
教育部产学合作协同育人项目“基于混沌序列的图像加密虚拟仿真实验方案”，（项目编号：201902056015）