CN108509045B - 基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统，所述系统包括硬件部分与软件部分，所述硬件部分包括PLC选择器件装置，肢体行为检测摄像头，PC主机，VR头盔。所述主机的信号输入端上分别连接有PLC选取器件装置与肢体动作检测摄像头，所述主机的信号输出端上接有VR头盔，所述软件模块包括3D模型引擎，数据互通程序，Matlab仿真技术平台，其中3D引擎中含有数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块的3D感官模型，通过数据互通程序辅助Matlab仿真技术平台与3D模型引擎，搭建技术仿真与3D感官仿真模型。其显著效果是：该仿真系统可在虚拟空间展示出如现实电路的仿真效果；使数字电子技术方向上的实践与设计开发仿真具有极大的经济性、开发性、实用性。

Description

基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统

技术领域

本发明涉及到数字电子技术仿真领域，具体地说，是一种基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统。

背景技术

数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用、逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、集成芯片各脚功能、555定时器等，随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理越来越普遍化。

目前，数字电子技术的教学实践以及数字电路的设计开发过程中常用到传统的如Matlab、Multisim等仿真软件，而由于传统仿真软件操作界面复杂，初学者对模拟仿真的模型与实际电路很难一一对应，建立模型过程较为困难，且建立的模型不具备器件的可视性，导致仿真并不具备太大实际意义。在教学实践或者设计开发过程中，如果直接进行实物搭建，观察运行现象及效果，会耗费大量材料与时间，且可能因为电路搭建错误损毁设备。

随着2016年“VR元年”的到来，人们发现VR现阶段技术已经能够达到，使用者在带上VR头盔与体感设备后，可以沉浸在一个由设备展示出来的虚拟空间中，而在这个虚拟空间中的所有动作，在视觉与触感上能感受到如同在现实空间中进行同样动作所产生的效果。由于VR技术所带有的，能将物理意义或功能意义上存在的任何事物或环境，展现出来的特性，VR技术被广泛应用在工业开发、高危生产、高危行业培训与仿真中。

对于数字电子技术方向而言，传统的仿真系统所带有的不可视、操作复杂、操作性较差等缺陷，如果与VR技术相结合，实现在VR技术所提供的虚拟操作空间中，进行如同在现实世界搭建电路并能观察现象的仿真系统，在教学实践或设计开发过程中，不但可以提高效率、降低成本还能消除因操作失误带来的风险。

发明内容

针对传统仿真系统的不足，本发明的目的是提供一种基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统，本系统基于现有的VR技术以及Matlab仿真技术平台，在使用者的操作下，可实现在系统提供的虚拟操作空间，搭建数字电路，且在视觉与实验效果上能达到与现实空间相同的感官效果，提高数字电子技术方向上教学实践与设计开发的效率、降低成本、消除因操作失误带来的风险。

具体技术方案如下：

本发明公开一种基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统，所述系统包括硬件部分与软件部分，所述硬件部分包括PLC选择器件装置，肢体行为检测摄像头，PC主机，VR头盔。所述主机的信号输入端上分别连接有PLC选取器件装置与肢体动作检测摄像头，所述主机的信号输出端上接有VR头盔，所述软件模块包括3D模型引擎，数据互通程序，Matlab仿真技术平台，其中3D引擎中含有数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块的3D感官模型，通过数据互通程序辅助Matlab仿真技术平台与3D模型引擎，搭建技术仿真与3D感官仿真模型。

在实际运用中，使用者戴上VR头盔，进入虚拟操作空间后，通过PLC上所连接的按键式脉冲触发器进行器件的选择，肢体检测摄像头监测使用者搭建电路的操作手势进行电路搭建，关键在于PC终端的数据互通程序，当PLC选择器件装置将器件选择信号传递回PC终端，或肢体行为检测摄像头将肢体行为信号传递回PC终端时，数据互通程序将传递回的操作信号实时传递到Matlab仿真技术平台中，辅助仿真技术平台完成技术仿真建模；并实时将仿真技术平台所搭建的技术仿真模型中使用的各个器件信息，与3D引擎中的数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块的3D感官模型对应，帮助3D引擎完成操作者所搭建电路的具体3D模型的构建，最后实时将3D引擎中的具体电路3D感官模型及操作现象输出。通过本系统，能够实现使用者所有操作均可视化，所有的电路搭建过程与最终效果，在视觉及技术分析上与现实空间完全相同，仿真过程不会产生任何耗材，即使操作失误也不会造成严重后果，技术仿真与实际电路搭建实时完成，在数字电子技术的教学实践与设计开发中，可达到低成本、高效率、无风险的效果。

更进一步的技术方案是，在所诉的肢体行为检测摄像头中，设置对操作者肢体行为，如连接器件、删除已有器件、开启线路运行的操作手势识别，便于操作者对搭建中的电路进行操作，实现本系统操作的灵活性。

再近一步的技术方案是，所诉3D引擎中的数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块的3D感官模型，均是由基于Tilt Brush、3ds Max、MaYa、Blender、AutoCAD、Unity3D中的至少一种软件所构建的。

根据上述基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统的电路结构，本发明还表述一种基于该系统的操作方法，按照以下步骤进行：

步骤1：系统初始化；

步骤2：所述显示设备，进入虚拟操作空间初始化；

步骤3：所述PLC选择器件装置，用户在虚拟操作空间按下PLC上的按键脉冲触发器，进入数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材某一板块的具体器件选择，并将可选择器件的3D模型展示在现实设备上，在通过PLC上按键脉冲触发器确定现实界面中具体器件的选择；

步骤4：所述肢体行为检测摄像头，检测用户肢体行为所对应虚拟操作空间的操作，本操作阶段包括连接器件、删除已有器件、开启线路运行等，将数据反馈回主机，显示设备实时展示操作效果；

步骤5：所述数据互通程序，将PLC选择器件装置与肢体行为检测摄像头所传回的数据，传递至仿真技术平台，用于自动搭建技术仿真模型，将搭建的技术仿真模型实时更新到3D引擎中，使器件3D模型及现象模型自动搭建完成，再将搭建好的3D模型及现象输出到VR头盔即显示设备上；

步骤6：所述VR头盔，实时更新由用户操作所导致的操作现象数据，显示出其搭建的3D模型；

步骤7：所述肢体行为监测摄像头，检测到用户表示本次操作结束的肢体行为时，回到步骤1。

本发明的显著效果是，使数字电子技术方向上的实践与开发成本大大降低，且因为本发明3D引擎中电路无固定模型，现象及3D电路模型的展示均通过各个小版块的模型与Matlab仿真技术平台所搭建模型实时传递的技术仿真模型数据自动搭建生成，具有极大的灵活性、经济性、开发性，能通过VR设备在虚拟操作空间达到如实际操作过程与现象完全相同的效果。

附图说明

图1是本发明的软硬件流程框图；

图2是本发明的操作方法步骤图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统，该系统包括硬件部分与软件部分，其中硬件部分包括VR头盔，PLC选择器件装置，肢体行为检测摄像头，PC终端处理器。PLC选择器件装置与肢体行为检测摄像头识别使用者在虚拟操作空间中的操作，将信号传输到PC终端处理后，信号输出到VR头盔。软件系统包括：3D模型引擎，数据互通程序，Matlab仿真技术平台，其中3D引擎中只包含有数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块的3D感官模型，当信号传输到PC终端后，通过数据互通程序传输到Matlab仿真技术平台自动建模，并实时通过数据互通程序将Matlab所建模型器件与3D引擎中的数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块的3D感官模型模型对应，通过3D模型引擎建立出使用者所搭建电路的具体3D模型，并实时将3D模型及操作现象信号输出。

所述VR头盔向操作者提供数字电子技术实践操作场景即虚拟操作空间，并实时展示操作者搭建的具体电路与操作现象，操作者在虚拟操作空间通过PLC选取器件装置以及肢体动作检测摄像头的辅助搭建电路，其在系统初始化时开始运作，进入虚拟操作空间后，使用者按下PLC按键式脉冲触发器选择模型时，将选择信号传递回PC终端处理器；肢体动作检测摄像头检测到使用者搭建模型肢体行为，并将肢体动作信号传递回PC终端处理；数据互通程序实时将传递回的信号数据，互通到Matlab仿真技术平台中，Matlab仿真技术平台根据数据中使用者选择的器件与搭建电路操作，自动构建出电路技术仿真模型；数据互通程序实时将Matlab中电路技术仿真模型与3D引擎中各小版块3D感官模型对应，自动构建出3D感官模型，并通过数据互通程序实时将3D感官模型数据输出到VR头盔即显示设备中。因为本发明3D引擎中电路无固定模型，现象及3D电路模型的展示均通过各个小版块的模型与Matlab仿真技术平台所搭建模型数据互通后自动搭建生成，具有极大的灵活性、经济性、开发性，能通过VR设备在虚拟操作空间达到如实际操作过程与现象完全相同的效果。

本例中，优选所诉肢体行为检测摄像头采用OPTART-HR摄像头。

本例中，优选所述PLC器件选择装置采用SIMATIC S7-200连接按键式脉冲触发器。

本例中，优选所述3D引擎为基于Unity 3D的3D引擎。

本例中，优选所诉数据互通程序为基于Orwell Dev-C++编程软件编写的后台应用程序。

本例中，优选所诉VR头盔采用Oculus Rift。

结合上诉基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统软硬件流程，本发明还表述一种基于该系统的操作方法，按照以下步骤进行：

步骤1：系统初始化；

步骤2：所述显示设备，进入虚拟操作空间初始化；

步骤3：所述PLC选择器件装置，用户在虚拟操作空间按下PLC上的按键脉冲触发器，进入数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材某一板块的具体器件选择，并将可选择器件的3D模型展示在现实设备上，在通过PLC上按键脉冲触发器确定现实界面中具体器件的选择；

步骤4：所述肢体行为检测摄像头，检测用户肢体行为所对应虚拟操作空间的操作，本操作阶段包括连接器件、删除已有器件、开启线路运行等，将数据反馈回主机，显示设备实时展示操作效果；

步骤5：所述数据互通程序，将PLC选择器件装置与肢体行为检测摄像头所传回的数据，传递至仿真技术平台，用于自动搭建技术仿真模型；将搭建的技术仿真模型实时更新到3D引擎中，使器件3D模型及现象模型自动搭建完成，再将搭建好的3D模型及现象输出到VR头盔即显示设备上；

步骤6：所述VR头盔，实时更新由用户操作所导致的操作现象数据，显示出其搭建的3D模型；

步骤7：所述肢体行为监测摄像头，检测到用户表示本次操作结束的肢体行为时，回到步骤1。

本发明通过基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统，使数字电子技术方向上的实践与开发成本大大降低，且因为本发明3D引擎中电路无固定模型，现象及3D电路模型的展示均通过各个小版块的模型与Matlab仿真平台所搭建模型对应后自动搭建生成，具有极大的灵活性、经济性、开发性，能通过VR设备在虚拟操作空间达到如实际操作过程与现象完全相同的效果。

Claims (9)

1.一种基于虚拟现实的数字电子技术仿真系统，其特征在于，该系统包含：

PLC选取器件装置，其当使用者进入虚拟操作空间后，可看到PLC上连接的按键式脉冲触发器，使用者通过按下不同按键触发器进入不同的数字电子技术器材模块选择界面，并将信号传递到PC终端；

肢体动作检测摄像头，其通过对人体肢体动作的识别，对应虚拟空间的操作，将信号传递到PC终端；

3D模型引擎模块，其使用3D构图软件，搭建数字电子技术中使用的芯片、电力电子器件、耗材各个小版块的3D感官模型，构建出的数字电子技术小版块的3D感官模型，通过Matlab数据互通后自动搭建成使用者所构建的3D感官模型，用于使用者所搭建数字电子技术电路的显示，并编制建立数字电子技术实践操作场景及虚拟操作空间；

数据互通程序，其在系统初始化时开始运作，进入虚拟操作空间后，使用者按下PLC按键式脉冲触发器选择模型时，将选择信号传递回PC终端处理器，肢体动作检测摄像头检测到使用者搭建模型肢体行为，并将肢体动作信号传递回PC终端处理；数据互通程序实时将传递回的信号处理后的数据，互通到Matlab仿真技术平台中，根据数据中使用者选择的器件与搭建电路操作，自动构建出电路技术仿真模型；数据互通程序实时将Matlab中电路技术仿真模型与3D引擎中各小版块3D感官模型对应，自动构建出3D感官模型，并通过数据互通程序实时将搭建成的3D感官模型数据输出到VR头盔中；

VR头盔，其作为显示设备向用户展示三维虚拟操作空间，并将数据互通程序输出的3D感官模型即使用者在虚拟操作空间中构建的电路展示出来。

2.根据权利要求1所述的数字电子技术仿真系统，其特征在于：所述PLC选取器件装置基于PLC，并采用按键式脉冲触发器识别使用者选择。

3.根据权利要求1所述的数字电子技术仿真系统，其特征在于：所述肢体动作检测摄像头是对数字电子技术实践与设计开发过程中，搭建电路时连接器件、删除已有器件、开启路线运行、关闭路线运行的基本操作手势进行肢体动作检测。

4.根据权利要求1所述的数字电子技术仿真系统，其特征在于：所述3D模型引擎模块中模型为数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块器件的3D模型，并非完整电路模型；在使用者操作过程中，3D引擎运行方式为，通过数据互通程序传递来的Matlab仿真技术平台上的电路技术仿真模型数据，对应3D引擎中构造好的小版块器件3D模型，自动为使用者搭建3D电路模型；3D模型为基于Tilt Brush、3ds Max、MaYa、Blender、AutoCAD、Unity 3D中的至少一种软件所建立的数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块3D模型。

5.根据权利要求1所述的数字电子技术仿真系统，其特征在于：所述数据互通程序通过编程语言编写，其能实现将使用者在PLC上选择的模块信息，以及摄像头检测到的使用者肢体操作手势信息，传递至Matlab仿真技术平台使之自动搭建使用者所搭建的电路技术仿真模型，并实时将Matlab仿真技术平台上所搭建电路技术仿真模型数据，传递至3D引擎中，与各小版块3D感官模型对应搭建使用者所搭建电路的3D感官模型，实时将所搭建电路的3D感官模型输出到VR头盔即显示设备上。

6.根据权利要求1所述的数字电子技术仿真系统，其特征在于：所述的VR头盔为三维显示设备，所述的三维显示设备需向用户展示数字电子技术操作空间，并能实时展示用户所搭建的数字电子技术电路模型。

7.根据权利要求4所述的数字电子技术仿真系统，其特征在于：所述数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块器件模型由3D制作软件制作，所述3D引擎构建操作者所搭建电路模型，其通过Matlab仿真技术平台所构建的电路技术模型数据，与3D引擎中通过3D软件制作的数字电子技术芯片、电力电子器件、耗材各小版块器件模型对应后，自动搭建为完整电路3D模型。

8.根据权利要求5所述的数字电子技术仿真系统，其特征在于：所述数据互通程序处理中心为Matlab仿真技术平台，Matlab仿真技术平台根据数据互通程序所传回的器件选择与肢体行为操作手势信息，自动搭建数字电子技术电路技术仿真模型，在Matlab仿真技术平台搭建电路技术仿真模型过程中，实时将Matlab处理后搭建的电路技术仿真模型与3D引擎中器件3D感官模型对应，搭建使用者所搭建的完整电路3D感官模型。

9.一种如权利要求1所述的数字电子技术仿真系统，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：系统初始化；

步骤2：所述显示设备，进入虚拟操作空间初始化；

步骤3：所述PLC选取器件装置，用户在虚拟操作空间按下PLC上的按键脉冲触发器，进入数字电子技术芯片、电力电子器件和耗材中某一版块的具体器件选择，并将可选择器件的3D模型展示在显示设备上，再通过PLC上按键脉冲触发器确定显示界面中具体器件的选择；

步骤4：所述肢体动作检测摄像头，检测用户肢体行为所对应虚拟操作空间的操作，本操作阶段包括连接器件、删除已有器件、开启线路运行、结束路线运行，将数据反馈回主机，显示设备实时展示操作效果；

步骤5：所述数据互通程序，将PLC选取器件装置与肢体动作检测摄像头所传回的数据，传递至仿真技术平台，用于自动搭建电路技术仿真模型，将搭建的电路技术仿真模型实时更新到3D引擎中，使电路3D模型及现象模型自动组合搭建完成；再将组合搭建好的电路3D模型及现象输出到VR头盔即显示设备上；

步骤6：所述VR头盔，实时更新由用户操作所导致的操作现象数据，显示出其搭建的3D模型；

步骤7：所述肢体动作检测摄像头，检测到用户表示本次操作结束的肢体行为时，回到步骤1。

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