虚拟仿真技术的基本步骤(6篇)

虚拟仿真技术的基本步骤篇1

【关键词】电工电子技术；Multisim；教学

随着现代计算机技术、虚拟仿真技术的迅速发展，对各行各业的进步产生了深远的影响，对教育领域的影响也越来越大。就电工电子技术课程而言，利用虚拟仿真软件来实验教学能有效的提高实验效率，在教学中得到了广泛的应用，取得了很好的教学效果。

一、基于仿真软件Multisim的实验教学的必要性

电工电子技术课程是一门理论联系实践紧密的课程，课程教学离不开实验。但是，往往实验设备和实验场地达不到要求，使得课程实验无法全部开出。而且目前来看，实验室传统仪器在实验教学中存在一些不足，主要表现在：

（1）功能相对单一。现代测控技术要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而更希望它们之问能够互通信息，实现信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估，得出准确判断。传统仪器在这方面显然存在严重不足，甚至不可能实现。

（2）利用率相对偏低。对复杂的被测系统，面对各厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多，这样的仪器不仅使用频率和利用率低，而且硬件存在冗余。

（3）操作复杂容易损坏。实验项目要求学生能举一反三，总结规律，在传统仪器中往往要重复测量，且调试过程中极易出现硬件损坏，造成人力、物质的浪费。

基于以上原因，仿真软件越来越多地在实验教学中得以应用。其中Multisim由于功能强大，交互性好得到广泛的应用。

二、Multisim软件应用于实验教学的优势

首先，Multisim本身具有优势。该软件不仅提供了电路的多种仿真分析方法，如交、直流扫描分析，参数扫描分析，交流频率特性分析，瞬态分析，等等，而且也提供了多种虚拟仪表和仪器，如：直流电压表、电流表、数字万用表、函数信号发生器、功率表、逻辑分析仪和逻辑转换仪等。实验过程中能观测到一些连续变化的波形和参数。它提供了模拟和数字电路的虚拟实验环境。软件具有和真实环境一样的可视化界面，含有丰富的电子元件模型，能根据用户需要自选扩充器件库，实验所得结果与实际调试结果十分接近。

其次，Multisim应用于实验教学的优势。利用Multisim软件进行电路的仿真测试，不仅可以提高实验效率，而且在教学中可以方便、直观的进行实验和演示各种电子电路的工作原理。比如，理论课教学中难以讲清的重点和难点问题，可以通过验证性虚拟实验来进行演示，提高课堂的生动性和趣味性。其二，利用该软件可以检查学生实验能力，比如，可以在仿真电路上进行故障的设置，让学生进行故障排除，借以锻炼学生的动手操作能力。再有，利用该软件可以进行实验。还有一个真实实验无法比拟的重要作用，就是可以进行破坏性实验，而不用担心造成危险和物资的浪费。

三、Multisim仿真软件在实验教学中的典型应用

目前，利用Multisim进行实验教学，比较典型的应用是与实物实验相结合。这样做的好处是可以大大节省电路的调试时间，同时可以用实物实验的结果来验证虚拟实验的正确性。应用的步骤是：

1.根据实验电路原理图创建虚拟实验电路

在Multisim界面上，根据实验内容从部件箱中选择所需元件，用鼠标拖放在软件工作区，将元件按实验电路的布局进行放置。从仪器架上将要用到的仪器拖放到工作区，用导线将仪器与电路相连，并对它们的参数进行合理的设置。

2.闭合仿真开关，进行仿真实验

闭合仿真开关，就可对电路进行仿真。双击所要观察的仿真仪器，即可观察电路某点的波形或参数。如测量结果达不到实验要求或者实验目的，可以通过进一步的调整电路的参数进行调试，直至达到实验要求。

3.根据虚拟实验电路的参数搭接实物电路，进行调整测试

由于已经有了虚拟实验的结果作为支撑，实物实验电路元件的相关参数以虚拟实验电路的元件参数为准。学生可以比较迅速的完成实物实验。并将实验结果与虚拟实验结果进行比较，加强对实验的理性认识。

4.按照实验要求，完成实验报告

根据实验要求，对实验步骤、实验结果、实验数据等进行梳理、总结、分析，写出实验报告。

四、基于Multisim仿真软件的实验教学所需的主要保障条件

1.编写实物实验与虚拟实验相结合的实验教材

与传统的实物实验一样，利用Multisim软件进行虚拟实验也应该具有实验目的、实验原理、实验步骤等基本要求，因此要想很好的发挥虚拟实验的教学功能，也必须要有合适的教材。教材内容应该是虚拟实验与实物实验相结合，既充分发挥虚拟实验和实物实验各自的优势，又能使得两种实验的实验结果相互支撑，提高实验结果的可信度。

2.适当增加学习Multisim软件使用的学时

学会并熟练操作Multisim软件需要一定的时间，这就要求在电工电子技术实验课程中增加额外的学时。

3.实验室配备必要的电脑

使用软件进行实验，需要实验室配备必要的电脑。比较流行的配备方式是构建一体化实验室。该实验室在每个实验台上都配备一台电脑，学员在实验台位上既能做实物实验也能做虚拟实验，实现虚拟实验和实物实验的统一。另外就是建设EDA实验室，学员在该实验室完成虚拟实验后再进行实物实验。

参考文献

[1]王艳新.电工电子技术教学改革的研究与实践[J].教育研究，2007（1）：33-35.

虚拟仿真技术的基本步骤篇2

“桥梁施工技术”是路桥专业学习中的一门重要专业课程，在以往的教学中，因为受到教学条件和教学资源的限制，传统教学方法不能够满足这门课程的教学需求。这门课程的特点是实践性强，需在教学期间设置实训课程，加强对学生实践及创新能力的训练。但是，由于场地、设备有限，校内难以提供学生综合实践的场所，随着信息技术教学手段的发展，虚拟仿真为教学双方提供了很好的平台，突破了时空界限，实现了虚实结合、相互补充。虚拟仿真具有模拟性、低能耗、低投入、易共享等特点，能有效弥补传统教学的不足，使教学内容更加丰富完整，大大方便了学生的学习交流，也激发了学生主动学习的热情，提高了学生学习的兴趣。

1虚拟仿真教学软件的开发思路

在进行“桥梁施工技术”虚拟仿真实训软件的开发中，我们必须弥补传统教学方法的不足，最大限度地发挥虚拟仿真的优势，这样才能最大限度地提高教学质量和教学效果，激发学生的学习兴趣，所以，在进行“桥梁施工技术”虚拟仿真软件的开发中，我们要弥补传统教学资源和教学场地的不足，掌握相关实训技能。为解决教学资源的限制造成日常教学中无法进行计划内的实践教学这一问题，开发该软件旨在提供一个虚拟教学平台，从而摆脱资源、时间、空间的限制，便于学生学习和使用。

“桥梁施工技术”是一门实践性比较强的专业课程，虚拟仿真教学要与传统实践环节相结合，提供基于信息技术的新型实践环境。虚拟仿真课程体系主要包括演示性和人机交互式两种类型。

第一，演示性教学。按照课程学习大纲的要求，制作相应的工程图片、文字、动画和施工视频，方便学生进行学习，同时，了解和掌握相关桥梁施工技术的操作步骤。

第二，人机交互教学。开发相关的人机交互模拟软件程序，满足学生模拟实际情况的需求，给他们提供动手操作的机会，最后由系统记录其操作并自动生成成绩考核；教师可以根据课程教学的需要，给学生指定实训题目，由学生自行设计，最后提交电子成果。

我们通过基于虚拟平台系统的建设，为学生们提供一种基于信息技术的新型实践环境。在这种虚拟仿真的教学中，学生可以不用四处走访工地，更加安全地了解更多各类工程的实例，增加对桥梁工程施工的认识，虚拟仿真课程实训可以更贴近实际工作环境，使得教学实践?c社会需求更加一致，避免教学与社会需求脱节。

2虚拟仿真教学的开发过程

2.1实训内容虚拟化

按照高职院校学生就业岗位的职业技能要求，通过虚拟仿真技术实现仿真实训教学，建设虚拟化、立体化、结构化展示专业机具设备及工程案例、工程项目施工流程工艺，实现学生游走在三维的虚拟空间中，通过趣味性的操作技能，让教学知识点深入浅出地被学生掌握，更好地培养学生的职业能力，增强岗位核心竞争力。

2.2教学方式多样化

虚拟仿真教学打破了现实空间、时间、环境、资金等客观因素的限制，为教师提供了课程设置、任务设置、考核方式设置等多种功能，使教师能够轻松安排教学中所需的课程、任务和考核评价，并可以将施工企业的新材料、新技能、新工艺等知识及时录入系统，使教学内容始终保持与企业同步。同时，通过系统的任务设置、自动考核、数据自动分析等功能，让教师在第一时间得到学生技能掌握情况的信息反馈，更好地调整教学重点与教学方式，提升教师实践教学效率。

2.3实训建设专项化

通过虚拟仿真和最先进的计算机软件技术建设桥梁施工的虚拟仿真教学资源，让每个课程都能够实现实践操作。同时，信息化实践教学课程的率先开展，实现了课程创新并完成了认证注册，有效提升了专业课程的质量。

3桥梁施工虚拟仿真教学的具体开发过程

第一，通过问卷调查，询问已毕业踏上工作岗位的学生桥梁传统教学中有哪些优缺点，从而确定虚拟仿真实训教学需要重点关注哪些知识和能力，梳理出典型的工作任务，归纳出典型的实训项目，确定相应的资源模块。

第二，经过比较，选定典型的施工图纸和桥梁专项施工方案，以此为基础建立虚拟仿真实训的分项项目任务。如图1所示。

第三，桥梁施工仿真教学系统根据行业典型案例，以虚拟仿真形式整体呈现涉及施工的所有知识点。避免传统教学中工程建造空间与时间问题，实现全面一体的课堂教学呈现。软件应遵循分项工程――施工流程――操作步骤的任务表达方式，进入单个任务模块进行学习操作时，操作任务本身需以某个案例工程为依托，结合标准的现场施工工艺流程，以具体化施工步骤的方式，通过调取系统为当前任务配置施工机具、材料的工具，最终完成该项施工操作任务体验。开发软件可以具备教学模式、学习模式、考核模式三种操作模式，教师可以进入“授课模式”进行教学，教学系统实操过程中有声音文字提示；学生可进入“学习模式”“考核模式”进行自主学习和参加考试。进入考核模式时，操作过程中无声音文字提示，并有完成操作计时的功能，同时，对学习考试结果进行分数统计及错题分析，以满足多样化教学应用的需求，如图2所示。

虚拟仿真技术的基本步骤篇3

关键词：3D实景漫游技术变电站培训3D实景漫游平台

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0126-01

1发展和现状

近些年来国内电力企业多利用变电站模拟仿真培训系统对变电站值班员进行培训。这种仿真培训系统的的应用，解决了因真实变电站现场设备不可随意操作带来的工作人员培训不便的难题。培训仿真系统以变电站为原型，测量变电站的各项场景数据和设备数据，通过几何建模和模型导入技术，利用造型软件（如3DSStudio，AutoCAD等）人工搭建3D模型，建立场景和仿真设备。营造出于与真实变电站主控室相似的环境，使受训人员尽可能达到类似于在变电站现场工作的感觉，但是这种仿真培训系统需要耗费大量人力和时间去测量现场、建立模型，工作量很大，成本也很高；另外还涉及到定位、数字化结构平面、转换现存CAD数据，对计算机的运行处理能力和存储能力要求较高；其中漫游场景是由人工建模而成，然后由计算机根据一定的光照模型绘制，色彩层次没有真实场景丰富，且带有明显的美工痕迹，不能逼真地再现真实场景，真实感不强。

基于以上情况，本文研究的变电站3D实景培训平台则是就是基于虚拟实景（境）技术的一种虚拟漫游技术，而这种技术又是通过基于图像的绘制技术设计和实现的（也称基于图像的虚拟场景漫游技术）。

2变电站3D实景培训平台的实现

2.13D实景漫游技术的原理

3D全景漫游技术的重要技术组成部分是基于静态图像的虚拟现实技术，原理是将相机环360°拍摄一组照片拼接成一个全景图像，并用一个专用的播放软件在互联网上显示，让使用者能用鼠标控制环视的方向，可左可右、可近可远观看物体或场景。3D全景技术是一种桌面虚拟现实技术，并不是真正意义上的3D图形技术。3D全景技术具有以下几个特点：一是实地拍摄，有照片级的真实感，是真实场景的3D展现；二是有一定的交互性，用户可以通过鼠标选择自己的视角，任意放大和缩小，如亲临现场般环视、俯瞰和仰视；三是不需要单独下载插件，一个小小的java程序，自动下载后就可以在网上观看全景照片，或者使用quicktime播放器直接观看。并且，全景图片文件采用先进的图像压缩与还原算法，文件较小，一般只有100～150k，利于网络传输。

3D实景漫游技术主要依靠Silverlight渲染技术实现3D实景漫游平台的构建。Silverlight渲染技术是近年来兴起的一种倍受关注的场景建模和绘制技术，也是目前虚拟场景漫游领域中的主流技术，原理是基于球形环境映射原理（SphericalEnvironmentMapping）。球形环境映射是模拟在球体表面产生环境映射的技术，通过对普通贴图的UV坐标进行调整计算来产生在球体表面应产生的扭曲。UV的计算利用球体表面的法线来计算。计算公式如下：u=Nx/2+0.5v=Ny/2+0.5。计算公式中的Nx和Ny是表面法线的x和y分量，除以2将区间限制在[-0.5，0.5]，+0.5将区间调整至UV坐标应在的[0，1]区间。在这个公式的计算下，当球体正中表面法线正对摄像机的地方，坐标不会有任何扭曲；周围点依次随着Nx和Ny分量的增大而产生扭曲。而球体背面的剔除面可以根据法线Z分量的正负来判断。因此这种技术实现主要通过将一张带有周围环境的贴图进行扭曲渲染，将其进行球形扭曲化以达到模拟现实的效果。基于该技术原理采用了微软推出的高级着色器语言（HighLevelShaderLanguage，简称HLSL），HLSL的主要作用为将一些复杂的图像处理，快速而又有效率地在显示卡上完成。

2.23D实景培训平台的构建

3D实景漫游平台系统由数据库、WebService服务、Web端及必要的辅助工具组成。数据库负责管理和保存数据；Web端用于系统展示。系统具有以下功能：变电站内3D实景漫游、设备台账信息管理、SVG一次接线图仿真、雷达地图、地图导航、指定巡检路线、场景设备定位、热点展示、模拟操作视频&动画观看、制度管理、资料上传&下载、在线测试等多项功能。

3D实景漫游平台的构建大致可分为以下几个步骤。

（1）搭建数据库。可新购或使用原有数据服务器）上搭建一个3D实景漫游平台的数据库用于数据的存储和管理。

（2）构架Webservice服务。在服务器（与数据库同一服务器）上构建Webservice服务，为未来可能的数据的采集与通讯提供服务。

（3）构架Web程序。在服务器（与数据库、WCF服务在同一服务器）上构架Web程序，为系统和模块的人机界面和数据展示提供服务。

（4）展示插件代码的内嵌。将3D实景漫游平台的展示插件嵌入到需用于展示的门户网站的网页中，通过点击门户网站的特定模块进行展示。

（5）场景和设备信息采集。由工程人员前往变电站现场使用单反相机、鱼眼镜头及其它必要配件等设备对现场场景、设备进行取景拍摄，并保证拍摄的图片清晰美观利用合图工具将图片合成实景漫游图并上传由工程人员对所拍摄的图片进行必要的美工处理后，利用合图工具将拍摄回来一个场景的6张照片合并为一张全景图，然后通过Web端将图片上传至数据库中。

（6）Web端配置。经过上述七个步骤的操作，实现了3D实景漫游平台的构建。当用户通过浏览器打开指定的网址时，平台会利用Silverlight渲染技术将第6步骤合成的全景图经过球形渲染展现给用户，使用户可以通过鼠标操作或以自动巡游模式实现在变电站内360度全方位的虚拟实景漫游体验。

3结语

本文深入介绍了3D实景漫游技术的发展历史和原理，并以广东电网公司汕尾供电局变电站3D实景培训平台的开发和实践经验为例，详细描述了变电站3D实景漫游平台构建的具体实践方法和步骤。变电站3D实景培训平台的建设和应用有助于提高变电站培训工作的质量和效率，同时降低供电局和变电站的培训成本，具有很好的推广意义和市场前景。

参考文献

虚拟仿真技术的基本步骤篇4

【关键词】OGRE引擎；虚拟场景；场景漫游；人机交互

1.引言

虚拟现实技术主要应用与场景仿真及漫游领域，通过人机交互功能可以为用户提供身临其境的交互体验。场景漫游系统是虚拟现实技术应用的主要形式，主要采用基于三维图形引擎的开发平台，避免了直接基于图形API开发的复杂性。OGRE引擎就是为设计和实现虚拟场景漫游系统打造的大型三维图形引擎。OGRE可以通过构建场景及其设施设备的三维模型，同时支持人机交互功能，可以很好的再现真实场景，它将现实世界的人物、场景的纹理和特性表现得淋漓尽致。OGRE引擎可以应用于虚拟场景漫游系统，比如城市规划与设计、三维游戏、虚拟广告系统、虚拟娱乐等。

2.虚拟现实技术

2.1虚拟现实

虚拟现实及其技术的应用范围较广，包含工业制造自动化、军事演练仿真、大型3D游戏等领域。虚拟现实技术通过对现实世界的场景、人物、花草树木进行三维建模，重新构造虚拟场景，通过人机交互功能可以为用户提供良好的视觉交互体验。虚拟现实技术的主体特征如图1所示。

2.2OGRE简介

OGRE是一种面向对象的三维图形引擎。由于OGRE引擎支持C++语言开发，而且操作灵活、功能齐全，因此可以方便开发者快速构建虚拟场景交互系统，同时OGRE支持更高层次的图形、图像API，屏蔽了对底层图形库API的直接调用，提供一致的面向现实世界的操作接口，适应性更强。

3.基于OGRE引擎的虚拟场景漫游系统设计过程

3.1构建场景结构

构建大型虚拟场景漫游系统最基本的内容就是要完成三维场景结构的建模。通常，虚拟场景漫游系统是对现实世界人物活动的再造，因此对人物、场景的仿真要求较高。如果场景中的各种人物、物体胡乱堆砌，杂乱无章，或者场景元素较少、单调，这样的场景注定是失败的。OGRE引擎不仅提供了三维场景模型管理功能，而且提供了面向对象的场景实例管理和访问功能。场景中的实体主要描述如下：

（1）Entitiy：表示场景元素对应的模型的场景实例；

（2）Light：表示场景元素灯光对应的模型的场景实例；

（3）Camera：表示场景元素摄像机对应的模型的场景实例；

（4）SeeneNode：表示场景元素中抽象场景节点管理单位。

OGRE引擎根据SceneNode节点来划分场景空间层次组织结构，从而实现对整个场景系统的结构化管理，对应的场景结构图如图2所示。

3.2检测碰撞

在场景漫游系统中，碰撞检测是一项很重要的内容，直接影响到场景交互体验的真实感。碰撞检测功能主要完成场景中人物与场景、场景元素与元素、人物与人物之间的空间位置重合检测，防止发生不符合现实世界规律的情况发生。举例来说，人物在场景中行走不能穿墙而过，人物不应该漂浮在空中。那么当系统检测中元素重合的情况，就要做出碰撞反应，比如人物碰墙后应该停止行走，直到人物选择新的方向。应用碰撞检测可以避免人物穿墙而过、人物身体重复等不符合现实的情况。OGRE引擎全面支持碰撞检测模块，比如AABB包围盒。

4.虚拟场景漫游系统设计

4.1场景与设备建模

不同的场景仿真对应的场景是不一样的，要根据实际情况来完成场景建模的工作。比如在进行煤矿巷道场景漫游系统中，首先要完成煤矿巷道场景网格模型。通常，OGRE引擎支持自动建模功能，但是这只针对简单模型，通常主要手工建模的方法，一般主要应用大型三维建模工具（3DsMax或Maya）来设计主场景MESH模型。一般来说，多边形数目越多，模型细节度就高，但是通常会降低渲染的效率。OGRE引擎全面支持MESH网格模型。

4.2开发环境配置

目前，大部分的用户都选择WINDOWS操作系统，应用较为广泛，本系统也主要采用基于WINDOWS平台的OGRE图形引擎平台。在使用OGRE引擎来构建虚拟场景漫游系统之前，首先构建对应的场景模型，其次是要配置好相应的开发环境。OGRE除了本身的功能组件以外，还需要额外的库作为支撑环境。在WINDOWS操作系统环境下，OGRE引擎需要下面的组件：（1）STLport；（2）DireetXSDK。

4.3漫游系统设计

在实现虚拟场景漫游系统过程中，主要包括两个主要的步骤：构建虚拟场景元素及其模型、设计漫游引擎。其中，构建虚拟场景元素及其模型是基础，主要完成的工作是设计三维MESH模型，同时制作动画文件、多媒体文件、声乐文件、纹理图像等资源，然后进行资源整合，形成最终的场景数据库系统。设计漫游引擎的主要目的是实现三维虚拟场景的实时交互和渲染工作，它主要依赖于OGRE引擎提供的人机交互模块。处理过程如下：用户操作鼠标、键盘来驱动人物角色的行走、方向，场景中的人物就会移动起来，OGRE引擎负责场景渲染更新并同步输出到显示屏，这样用户就可以看到实时交互画面。OGRE引擎只需要根据用户的操作调入场景元素及其模型数据到内存，并输出到显示设备显示出来。需要说明的是，虚拟场景漫游系统主要包括两大控制模块：三维图形渲染、交互控制。对应的虚拟场景漫游系统总体框架图如图3所示。

4.4人机交互

虚拟场景漫游系统的交互性主要表现为场景漫游，主要包括两个方面的内容：

（1）用户通过鼠标、键盘来操作虚拟场景中的人物角色，对应的场景实体对象的动作（语言、肢体动作、行走方向等）变化可以立即反馈给用户，从而相应用户的操作。

（2）当场景中虚拟摄像机方向、角度发生改变时，系统会生成最新的视觉方面并显示出来。

5.结语

随着虚拟现实技术的快速发展，虚拟现实技术在各行各业中得到广泛的应用，人们对视觉仿真的实时性、视觉提出了更高的要求，相信在未来虚拟现实技术毕竟发挥更大的作用。本文以OGRE引擎为主线介绍了基于OGRE引擎的虚拟场景漫游系统的设计思路、关键技术、设计过程，充分阐述了OGRE引擎用于开发虚拟场景漫游系统的基本步骤和过程，大大提高了虚拟场景漫游系统的制作效率，具有良好的实用参考价值。

参考文献

[1]明芳，李峻林.基于OSG的虚拟场景漫游技术研究[J].计算机与数字工程，2011（03）.

[2]何丽.三维虚拟场景漫游技术研究与实现[J].福建电脑，2011（05）.

[3]李一华.基于OpenGL的虚拟场景生成技术[J].舰船电子工程，2010（04）.

[4]朱晓钟，李骏仁.基于虚拟现实的运动场虚拟场景设计[J].科技创新导报，2010（11）.

[5]徐敏.可漫游的虚拟场景的建模与实现方法[J].科技信息，2010（29）.

作者简介：

虚拟仿真技术的基本步骤篇5

0引言

由于在汽车工业的快速发展过程中，需要安装在汽车上的电子设备不继增加，因此点对点连接这些汽车电子设备的专用电子线路迅速膨胀，连接起来更加复杂和繁琐。为进一步提高系统的可靠性和故障诊断能力，将连接线路进行简化，使数据资源在各电控单元之间进行共享更加方便，汽车网络总线技术就是有效解决这个问题的方法[1-2]。

在车载网络通信中，由于CAN总线具有布线简单、典型的总线型结构、能够有效地节约布线和维护成本、性能稳定可靠、实时性与抗干扰能力强、传输的距离远等一系列优点，因此在现代工业控制中应用广泛。由于CAN总线通信网络的设计有很多参数需要设置，而CAN总线工作性能直接受到这些参数设定的影响，但是在没有辅助工具帮助的情况下，参数的有效设定只能凭汽车工程师的经验和不断地尝试摸索。因此，需要有合适的工具和可行的方法对CAN总线网络进行有效的仿真和评估，从而提高汽车工程师设计CAN总线网络以及在评估CAN总线网络性能方面的效率[4]。

1CAN总线协议分析

为了能实现对CAN总线网络的仿真，非常有必要对CAN总线通讯协议进行深入研究。须建立起任意两个或多个CAN设备之间的兼容性，这是CAN总线通讯协议定义的目的。

CAN总线具有以下特性[5]：①报文的优先权；②保证延迟时间；③设置灵活；④系统内数据的一致性（SystemWideDataConsistency）；⑤多主机（对等）；⑥错误检测和错误标定；⑦当总线处于空闲时，能够自动将破坏的报文重新传输；⑧能够将网络节点的永久性错误和暂时性错误区分开，并且可以将CAN的错误节点自动关闭。

CAN的ISO/OSI参考模型的分层结构如图1所示[6]。

从其参考模型的分层结构可以看出，CAN通讯协议的结构划分为两层：数据链路层（DataLinkLayer）与物理层（PhysicalLayer）。在CAN中，为了解决不同通信节点之间进行消息传输时的电气属性，物理层为所有通信节点共享使用。

2嵌入式硬件仿真环境SkyEye的结构

利用仿真软件来对嵌入式系统的各种硬件进行模拟，开发人员不需要利用开发板，直接在仿真环境中运行嵌入式系统，实现嵌入式软件的开发、调试、运行，能够大大提高开发速度并降低开发成本。SkyEye是一个开源软件项目，中文名字为“天目”[7]，能够在通用的Windows操作系统和Linux操作平台上对目前主流的嵌入式开发板及外部设备进行软件仿真，实现一个可扩展的硬件模拟框架，使系统软件能够在仿真平台上运行。SkyEye软件的核心在于目标模拟模块，操作系统与系统软件在SkyEye仿真环境中运行时可以使人根本意识不到是在一个计算机的虚拟系统上运行。SkyEye目前在教学、科研等众多领域都得到了广泛应用。

目前SkyEye的最新版本已经完全和原先的GDB/ARMulator分离，并对原先的GDB/ARMulator进行了全面的扩充和改变[8]。总体上分为四个模块仓库：①体系结构模块仓库（ArchitectureModuleRepository）；②外设模块仓库（DeviceModuleRepository）；③接口模块仓库（InterfaceModuleRepository）；④功能模块仓库（FunctionModuleRepository）。

SkyEye仿真环境结构如图2所示[9]。

3软件仿真平台的构建和实现

为了实现对CAN总线通讯协议进行仿真，我们需要在不具备硬件环境的条件下来构建软件仿真平台。通过这个软件仿真平台，能够一目了然地观察到CAN总线的数据正常发送、接收、处理和总线的仲裁，以及错误节点的故障界定等运行过程。SkyEye仿真平台还可以运行自定义的CAN总线应用层协议[10]。

构建软件仿真实验平台的主要步骤为：第一步，在电脑的操作系统里安装虚拟计算机软件VMwareWorkstation；第二步，打开虚拟计算机软件VMwareWorkstation，将红帽子YlmfLinuxY1.5系统直接安装在虚拟环境中；第三步，打开Linux操作系统，在Linux环境中将SkyEye仿真软件进行安装。程序采用MicrosoftVC实现，采用的实验环境为DellInspiron15R-5537笔记本，2.30GHz主频，内存4GB，100Mbps的网络带宽[2]。

仿真CAN总线发送和接收数据的具体实验步骤如下。

⑴用超级用户登录红帽子Linux系统。

⑵打开一个终端。

⑶切换到/dev/shm/目录：cd/dev/shm/。

⑷创建目录can_vbus：mkdircan_vbus。

⑸更改目录can_vbus的访问权限为0666：chmod0666can_vbus。

⑹切换到用户根目录：cd/home/lh1111/。

⑺进入CAN目录：cdCAN/。

⑻进入Sja1000-vcan目录：cdSja1000-vcan。

⑼进入vcanbus目录：cdvcanbus。

⑽运行vcanbus程序：./vcanbus。

⑾打开另外一个终端。

⑿切换到用户根目录：cd/home/lh1111/。

⒀进入asp目录：cdasp。

⒁因为SkyEye已经被安装在/bin目录下，所以运行SkyEye的命令为：skyeye-easp-cskyeye.conf（-e选项表示要执行的目标文件，-c选项表示配置文件），这时可以在终端上看到显示信息（该窗口表示的是发送节点）如图3所示。

按上述步骤所设计的仿真方案，我们可以利用SkyEye软件仿真平台较为真实地模拟出汽车类CAN网络应用程序开发的环境和过程。

4实验结果分析

四种传输速率下的测试平均时间如图5所示。从图5可以直观地看出：它是一个从高到低的平均传输时间，考虑系统负载方面，负载越大，则系统运行越慢。最左边的矩形表示：在200ms的传输速度下，相比其他三种传输速度下的延迟时间要高得多，系统的负载是最高的，也就是说系统的反应时间就越长。当传输速率达到500ms以后，传输延迟时间开始趋于平均，这说明系统的负载（即运行负荷）没有那么大了。从以上仿真实验可以看出，通过SkyEye硬件模拟平台对CAN通讯协议进行仿真，我们所设计的CAN节点不但在节点间的数据通信上是正确的，而且CAN通信网络也能达到较高的传输速率。实验结果表明，所设计的仿真方案是有效和可行的。

5在计算机实践课教学中的应用

目前各高校在计算机实践课教学，特别是实验室建设方面都有很大投入，但是由于各种原因，比如学生人数多、实验室教学任务繁重，而有些实验需要移除计算机还原卡等保护工具，从而导致实验室维护起来困难。在实际的计算机实践课教学过程中，造成了部分实验由于缺少实验环境而无法按要求实现，这是影响教学质量提高的一个瓶颈。因此创建可行的实验环境就显得尤其重要。仿真环境的构建，即利用虚拟机技术就可以很好地解决这个问题。通过安装虚拟机软件，在原有的计算机硬件设备配置不变的前提下，构建SkyEye软件仿真平台，虚拟计算机、网络设备等，可以轻松地构建虚拟的计算机网络实验环境。目前虚拟机技术在我校实验室中得到了推广应用，在“操作系统”和“计算机网络”课程的教学过程中，使用虚拟机技术构建仿真实验环境进行实践课的教学，取得了较好的教学效果，有助于教学质量的提高。

虚拟仿真技术的基本步骤篇6

关键词计算机仿真技术网络技术医学机能实验应用

一、计算机仿真技术和网络技术相结合是实现医学机能实验的关键技术

与传统医学机能实验手段相比，利用计算机仿真技术和网络技术相结合的医学机能虚拟实验具有实验内容的丰富性、实验过程的完整性和实验结果的及时性、直观性。由于模拟仿真医学机能实验无需相关实验器具，无需实验准备即可引导学生理解实验的操作步骤以及实验效果，可以作为机能学实验教学的一个有益补充。对教师而言起到辅助教学的作用，对学生而言，则起到对所学知识的理解和强化作用。

（一）计算机仿真技术的发展为医学机能仿真实验提供了必要的技术条件

（1）仿真技术：仿真就是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。我们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助我们对现实中的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。

（2）传统的仿真方法：是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。

（3）计算机仿真技术：即是利用计算机进行仿真实验，也称为仿真机。从70年代末起，应用大规模集成电路计算机的发展，各种专用和通用仿真机得到极大普及和推广。随着计算机技术的迅猛发展，人们在综合集成数字仿真和模拟仿真的优势的基础上，设计出在更高层次上的数字模拟混合仿真机，在一些特定的仿真领域内，这种智能仿真计算机机和高层次的数字模拟仿真机都取得令人鼓舞的成果。

（4）计算机仿真系统构成：为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配有控制和显示设备。

（5）医学机能虚拟实验（仿真系统）：随着现代医学的不断发展，对医学工作者提出了更高的要求，即不但要掌握人类已知医学领域的医学知识，也要具备解决未知医学问题的能力，即创新能力和科学实验的能力，而实验学科在医学学生能力培养中起着至关重要的作用。现代机能实验学把生理学、病理生理学和药理学实验有机的融合在一起，成为一门独立实验学科。医学机能实验课程以活体为主要实验对象，以正常生理功能——疾病生理——药物作用为主线，把机体的不同功能变化通过实验设计有机的联系起来。医学机能实验中，部分实验具有操作难度大、实验具有一定危险性，实验成本高等问题。譬如：医学机能学中研究药物对动物记忆的影响、安定的抗惊厥作用、杜冷丁的镇痛作用、神经体液因素及药物对心血管活动的影响、药物急性毒性实验、药物半衰期的测定等实验就存在一定的危险性，实验操作难度大等问题。我们利用计算机仿真技术，则可以在很大程度上解决目前医学机能实验中所面临的这些困难，并取得良好的教学实验效果。由于模拟仿真实验无需相关实验器具，无需复杂的实验准备即可引导学生理解实验的操作步骤以及实验效果，因此医学机能虚拟实验与传统医学机能实验有机整合，既丰富了实验教学手段，又提升了教学质量，有助于培养学生的实践操作能力、创新精神和科研兴趣。

（二）网络技术的飞速发展为计算机仿真技术在医学机能中的应用提供了广阔前景

（1）网络技术：网络技术是从上世纪六十年代末美国国防部远景研究规划局为军事实验用而建立的网络，名为ARPANET，八十年代初期ARPA和美国国防部通信局研制成功用于异构网络的TCP/IP协议（网际传输控制协议），并投入使用；1986年在美国国会科学基金会的支持下，用通信线路把分布在各地的一些超级计算机连接起来，以NFSNET接替ARPANET；进而又经历十几年的发展形成Internet（互联网）。其应用范围也由最早的军事、国防机构，拓展到科研教育机构，进而迅速覆盖了全球的各个领域。网络把分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作，使我们能够透明地使用资源并按需获取信息。网络可以构造全球性和区域性的网络，有广域网、城际网、企业内部局域网等。网络的根本特征就是实现资源共享，消除信息孤岛。

（2）网络的关键技术：网络结点、宽带网络系统、资源管理和任务调度工具、应用层的可视化工具。网络结点是网络计算资源的提供者，包括高端服务器、集群系统、MPP系统大型存储设备、数据库等。宽带网络系统是在网络计算环境中，提供高性能通信的必要手段。资源管理和任务调度工具用来解决资源的描述、组织和管理等关键问题。任务调度工具根据当前系统的负载情况，对系统内的任务进行动态调度，提高系统的运行效率。网络计算主要是科学计算，它往往伴随着海量数据。如果把计算结果转换成直观的图形信息，就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难。这需要开发能在网络计算中传输和读取，并提供友好用户界面的可视化工具。

（3）网络技术在医学机能虚拟实验中的运用：实验设备功能雷同的实验室，造成了实验场地、仪器设备、实验技术人员等教学资源的极大浪费。而通过网络技术将医学机能虚拟实验机联网组成医学机能虚拟实验室，既实现医学机能信息资源的共享，同时也大大降低了实验成本。教师利用网络技术可以方便地为一个班或几个班的学生演示和操作医学机能实验，大大提高了教学效率，而学生同样可以利用网络中的医学机能虚拟实验机跟随教师的演示进行实验操作，对提升学习效果也有一定的帮助。

二、计算机仿真技术和网络技术在医学机能虚拟实验中的应用

（1）医学机能虚拟实验系统是采用计算机虚拟仿真与网络技术相结合，运用服务器和客户端的构架模式，涵盖了目前大部分医学机能学实验而建立的模拟仿真系统。包括生理实验项目、药理实验项目、病理实验项目、人体实验项目以及综合实验项目等。随着医学机能仿真技术的发展，利用计算机技术和网络技术也便于对医学机能虚拟系统进行扩充和升级，这样可确保医学机能虚拟实验系统的长期生命力。

（2）医学机能虚拟实验均应包括该机能实验的总体介绍、原理、相关实验录像、模拟实验过程、仿真实验操作等部分。全方位介绍了整个实验，既注重整体，也着眼于细节，便于学生对实验操作的充分理解和掌握。譬如利用血压波形的核心模拟算法，对每一个波形的模拟都如此逼真，比如血压模拟，不仅模拟出每个血压波形的细节：收缩期、舒张期、心房波等，而且连二级呼吸波也进行了逼真的模拟。并且将刺激强度与反应的关系，刺激频率与反应关系等实验波形和肌肉收缩图形同步反映。为学生进一步理解和掌握书本知识提供有益的帮助，大大提高学生的实践操作能力。

（3）由于采用客户/服务器的体系结构，并通过网络将医学机能虚拟实验机连接在一起组成医学机能实验室，并在校园网范围内进行教学和实验，既方便教师教学，又方便学生的实验操作，最大限度地合理使用学校有限的教学资源。以我校的实际应用为例：首先我们将医学机能虚拟实验系统安装到教室里的教学用机上，教师可以在进行医学机能学方面教学时，通过学校的校园网络在任何一间教室都能很方便地使用医学机能虚拟实验中的资源和信息，极大地提升了医学机能学的教学效果，也充分激发了学生的学习积极性。同时我们在学校计算机机房内集中安装组成医学机能虚拟实验室，学生可以在教师的指导下进行医学机能虚拟实验操作，通过虚拟实验，将一些平时不具备实际操作条件的医学机能实验过程完整地展示给学生，不仅能加深学生对医学机能学知识的认识和掌握，更能在一定程度上提高学生的实践操作能力。

三、医学机能虚拟实验在卫生职业学校实验教学中的前景展望

（1）由于医学机能虚拟实验无需实验动物，无需实验准备即可帮助学生理解实验的操作步骤以及实验效果，可以作为医学机能学实验教学的一个有益补充。对教师而言起到辅助教学的作用，对学生而言，则起到加强知识的理解和强化作用。

（2）通过医学机能虚拟实验系统对医学机能学的背景知识、实验设备的用途、原理和操作进行大量的介绍，既开阔了学生的视野，又为学生进行探索性实验以及自主性设计实验提供了新的科学指导。

（3）医学机能虚拟实验还可以对相关医学知识进行模拟介绍，譬如信号采集的原理和性能指标，传感器原理及各种传感器介绍，试验试剂的配置，手术器械的介绍等。极大地丰富了学生的知识面，对他们今后的学习工作都起到很好的帮助作用。这也是我们传统医学机能实验由于受实验场地、实验仪器、实验经费等的局限所不能实现的。

参考文献：

[1]赫培峰等.《计算机仿真技术》.机械工业出版社