admin 管理员组文章数量: 1086019
2024年3月14日发(作者：shell脚本注释快捷键)
电子技术与软件工程
Electronic Technology & Software Engineering
电子技术
Electronic Technology
基于WebGL的电路实验仿真系统研发
魏红君
1
(1.河北工程大学河北省邯郸市 056000
阎俊
1
谢薇
2
2.河北建筑工程学院河北省张家口市 075000 )
摘要：本
文阐述了基于
WebGL
技术的电路实验仿真系统的设计研发，解决了线下实验教学的时空受限问题，降低了教学成本，提高
了教学效率，效果显著。
关键词
：
WebGL
;仿真系统；在线教学；电路实验
1
引言
电路实验是一门基础性实验课程，尤其对于理工类专业非常重
要。该课程实践性非常强，通过培养学生的动手能力，巩固理论知
识提高工程技能。在教学过程中要求学生始终在电路实验操作台上
进行实际电路的搭接和测试。这样的教学模式会遇到诸如教学活动
受时空限制过大、实验室资源不足、实验经费匮乏等问题，导致实
验效果差，达不到理想的教学目标。因此，研发一套基于
Web
的
电路实验仿真系统意义重大。通过该系统，师生可以通过浏览器，
在形象逼真的虚拟环境下开展在线教学，突破了时空限制，降低了
教学成本，激发了学生的学习兴趣，提高了教师的教学热情。
2
仿真技术概述
仿真
仿真技术最早出现于19世纪40年代，在计算机领域直到19
图1:
WebGL
应用架构
2
.
1
世纪80年代中后期虚拟仿真一词才被正式提出，也正是计算机技
术的发展，大大促进/仿真技术的进步。现代的虚拟仿真就是利用
计算机技术、信息处理技术、人机交互技术等为人类提供直观的、
真切的数据计算与信息处理平台。通过虚拟仿真过程，人类可以将
模型原始数据转化为更具应用价值的、更具实用意义的信息，从而
进一步挖掘知识、创造智慧，为人类认识客观规律、改造客观世界
提供重要的决策参考和行动指南。
实现仿真的要素包括三个：模型、方法和工具。
(
1
) 模型，模型就是高度抽象的现实对象。它是实现仿真的
首要要素，模型质量的好坏直接决定着仿真结果的质量好坏，甚至
决定着仿真工作的成败。根据不同的应用场景或价值目标，可以建
立客观事物的数学模型、物理模型、结构模型等等，计算机仿真的
目的一般是为了评估系统行为或活动特征，因而数学模型仿真更为
广泛。
(
2
)
在网页环境下绘制图形的技术标准和协议。网页开发人员可以利用
网页编程语言
JavaScript
结合
OpenGL
图形库为
HTML
5
Canvas
提
图2:电路实验仿真系统组件语义分析
供二维或三维图形参数，在浏览器下利用底层图形硬件加速功能进
方法，方法就是根据模型的属性特征、行为规律等进行
仿真实验时采取的方式、手段、途径等。仿真方法的优劣决定着仿
行渲染，速度快、无需第三方插件即可实现复杂的场景渲染和数据
真结果质量的优劣，科学合理的仿真方法能够保证实现模型构建时
的价值目标，仿真结果能够高度接近真实事物的行为特征或运动规
律，保证仿真结论的客观性、真实性、权威性。
(3)
的可视化，解决了浏览器传统插件机制带来的诸多问题，实现了模
式的标准化、环境的统一化，系统的跨平台等。
WebGL
的这种突
出优势为本应用的实现提供了技术保障。另外，它也是一个开源标
准
工具，广泛地讲仿真工具包括实现仿真时所使用的人力、
，所有开发者均可免费使用，降低了开发成本，其生成的图像
物料等。仿真工具的优劣决定着仿真效率的高低，也决定着仿真体
质量也非常高、交互性好，为本系统的用户友好性提供了保障。
验的好坏。物料角度来说，计算机实现的仿真，其工具包括硬件设
WebGL
应用架构如图1所示。
备和软件程序。硬件性能高，例如计算速度快、精度高，存储容量
大、数据吞吐率高等，不但可以加快仿真结果的形成节约时间，也
能改善仿真过程的交互体验，让人类可以充分参与到仿真过程中。
仿真软件也决定着仿真过程的效率和仿真结果的质量，其中包括，
仿真算法、仿真语言、仿真程序及仿真软件工具库等。
2. 2
WebGL
WebGL
3电路实验仿真系统
1 1仿真框架
为了更接近真实实验环境，尽量还原实际实验场景，首先对电
路实验课程的教学大纲、实验内容、实验特点进行了研究，对实际
实验场景、实验设备、实验器件进行了分析，最终确定以基于语义
的组件化的方式建立实验仿真模型。在电路实验场景中，需要组件
化的语义对象很多，包括：三相交流电路、测量仪表组、直流电路
全称为
Web
Graphics
Library
，即网页图形库。是一种
71
电子技术
Electronic Technology
电子技术与软件工程
Electronic Technology & Software Engineering
一层的封装，提供了丰富的功能，使用方式简单便捷，学习成本低，
其在系统中的应用解决了使用原生
WebGL
开发难度大、开发效率
低的问题。该框架使用
JavaScript
语言编写，浏览器兼容性好，支
电工技术仿真实验系统
浏览器端
厂
数
据
库
管
理
登
录
页
面
选
磲
管
理
操
作
演
示
仿
真
过
程
控
制
实
验
评
测
成
缵
査
询
工
实
验
数
据
分
析
工
作
业
文
件
存
储
服务器端
持面向对象的开发，支持模型数据的导出、矩阵数据的自动生成，
材质、灯光、着色器等的参数化创建等，为系统的快速开发和部署
提供了保障。
4应用实现
电路实验主要面向大学本科理工类专业学生，是配合电路基础
类课程教学的实践环节。传统的教学过程是学生对实验内容提前进
行书面预习，然后集中到实验室，先由实验教师讲解、演示实验过
程，说明实验注意事项，再由学生完成实验操作、提交实验数据和
实验报告。这种过程有几个显然的弊端：
(
1
)
掌握不牢固；
(
2
)
成本高；
(3)
性高。
本文的研发解决了以上问题，可以跨时空、低成本、高效率、
逼真直观地展开电路实验教学。部分应用实现如图4所示。
5结束语
基于
WebGL
设计开发的电路实验仿真系统弥补了传统实验模
式的许多不足，为跨时空、低成本、高效率地开展实验教学提供了
一个强有力的工具和平台。有助于学生便捷直观地进行实验学习，
提高实践能力，激发学习兴趣；有助于教师降低实验教学成本，提
高实验教学效率、保证实验教学质量。仿真实验教学必将成为实验
教学技术新的研究热点和发展方向。
参考文献
[1
]Zhu
F
,
L
i
S
,
Wang
1
e-Based
materials
in
预习内容的形式不直观，无法动手实践进行体会，知识
实验场地、实验设备要求足够多，时空依赖性高、实验
实验性质本身决定了实验过程中设备、器件损坏的可能
系
统
参
数
设
霄
用
户
管
理
实
验
内
容
管
理
服
务
器
备
份
图3:电路实验仿真系统功能模块
图4:直流电路实验仿真组件渲染效果
单元、
RC
选频网络
、一
Lap
1
ace
-
Be
1
1rami
shape
space
.
Computer
Graphics
10. 1111/
cgf
. 12457]
2017.
Safe
Forum
, 2015, 34 (1): 36-46. [
doi
:
阶二阶电路、谐振电路等等，这些组件的
[2]
Filho
C
M,Terra
M
H
and
Wolf
D
F
.
组合构成了实验系统，如图
2
所示。
仿真框架的构建，以实际实验台实验模组为基本语义单位，这
样既可以向上聚合成为整体的实验场景，也可以向下分解为更小的
器件级实验语义单位，从而构成三层语义模型，为系统的实现提供
灵活多变、高度适应的组织形式。
3. 2糢块功能
电路实验仿真系统是基于
B
/
S
模式的，分为浏览器端和服务器
端，浏览器端负责界面呈现、图形渲染、数据交互等工作，服务器
端负责数据分析计算、文件管理、用户管理等工作，系统总体功能
模块如图3所示。
按照教学内容及职责的不同，结合实际应用情况简化管理、使
用和学习成本，系统将用户分为学生、教师两种角色。教师在该系
统中负责实验内容组织、实验数据管理、实验作业批改、实验成绩
评价、用户账户管理等工作，学生主要进行实验指导内容学习浏览、
仿真过程交互、实验数据记录、实验内容测评等操作。
3. 3构件开发
电路实验仿真系统采用基础构件加语义组件的模式进行开发，
涉及到的开发环节多、技术难度大，系统容错性、稳定性要求高，
因此，选择一个合适的开发工具十分重要。本文在设计和实现中采
用基于
WebGL
的
Threejs
框架进行开发。该框架是
WebGL
的更高
optimization
of
highway
traffic
with
robust
model
predictive
control-ba
sed
cooperative
adaptive
cruise
control
.
IEEE
Transact
ions
on
Intelligent
Transportation
Systems
, 18(11): 3193-3203 [
DOI
:
10.1109/
TITS
. 2017. 2679098]
[3]
[4]
[5]
郭燕秋，朱远征，程平，曲松，熊非，张淑平等.虚拟仿真技
李明旭，翟东海等.不规则像素簇显著性检测算法⑴.中国
罗凯辉.基于
WebGL
与增强现实技术的教学辅助系统的设计与
术的应用进展[
J
].科技创新与应用，2020,（1): 149-151.
图象图形学报，2020, (9): 1837-1847.
实现[
D
].北京：北京邮电大学，2018.
[
6
] (美
）Kouichi
Matsuda
等著，谢光蟲译.
WebGL
编程指南[
D
】.
北京：电子工业出版社，2014.
作者简介
魏红君（ 1976-),男，河北省邯郸市人。大学本科学历，讲师。
研究方向为人机交互、数据可视化等。
阎俊（1980-),女，河北省邯郸市人，大学衣科学历，实验师，
研究方向为电子技术、电路实验教学等。
谢薇（1991-)，女，河北省邯郸市人。研究生，学生，研究方向
为建筑仿真、图形渲染等。
72
版权声明：本文标题：基于WebGL的电路实验仿真系统研发 内容由网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：http://www.roclinux.cn/b/1710376604a570282.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。
发表评论