VC人机接口设备开关部件仿真设计与实现

摘要本文先简要介绍了仿真的基本理论，现状及发展前景，然后说明本毕业设计的研究目的和意义。开关类部件的仿真是为了在虚拟的接口实验平台上，以计算机软件模拟实际环境进行科学实验。本设计中主要研究的是机械类开关，包括单刀单掷开关和单刀双掷开关及键盘开关。详细分析了这些开关的机械物理特性，特别是开关在开、合过程中的瞬态响应特点。利用MFC类库和Visual C++提供的高度可视的应用程序开发工具对开关类部件进行模拟仿真设计：首先由虚拟实验平台统一设计的器件基类，派生出对应的开关器件类，通过重载基类中的一些虚函数，仿真实现开关的相应功能特性，包括对输入输出信号的响应及鼠标响应模拟开关动作，不同的执行动作，会使开关有不同的状态，同时也会改变管脚信息。再将器件类封装成DLL模块，以便在实验时，通过特定的接口调用这些器件功能。根据开关的种类将每个种类写成独立的DLL模块。对于单刀单掷开关和单刀双掷开关，经测试，基本达到设计目标，但对于键盘类开关，由于某些技术上和知识上的不足，在本设计中没有成功设计出相应的DLL模块，有待以后改进。最后对设计研究工作进行了总结，指出了研究上的不足及改进方向，说明了在本次设计中的收获。关键词： 开关的种类；开关的特点；时间响应；仿真实现1 引言计算机仿真就是建立系统数学模型，并利用该模型在计算机上运行，进行系统科学实验研究的全过程。随着计算机技术的飞速发展，使得仿真技术的应用领域不断扩大。早期局限在国防科技和军工部门(如航天，航空，核能等)，而如今深入到科学研究，工程设计，辅助决策，系统优化等各个方面，使人们的许多传统观念和方法产生了重大变革。1.1 设计背景随着信息技术在教育领域的广泛应用，虚拟实验正日益成为广大教师的计算机辅助教学手段。虚拟实验平台正是应这个大需求而诞生。并且随着信息技术的发展，以纯软件的形式模拟仿真硬件接口实验平台的逻辑功能，用于接口教学。在与硬件接口实验平台的实验步骤一致的情况下，连接线路，用汇编语言或者C语言等编写程序，再运行程序观看结果。计算机仿真无硬件平台、器件的开销和磨损；也无实验环境的时间限制。让使用者更直观的更形象的演示实验过程和结果，更好的理解电路运行原理。为了增强虚拟实验平台的功能，首先由虚拟实验平台统一设计的器件基类，派生出对应的开关器件类，通过重载基类中的一些虚函数，仿真实现开关的相应功能特性。再将器件类封装成DLL模块，以便在实验时，通过特定的接口调用这些器件功能。1.2 计算机仿真1.2.1 计算机仿真的发展计算机仿真就是建立系统数学模型，并利用该模型在计算机上运行，进行系统科学实验研究的全过程。 自50年代初, 美国人Aaron借助大型的电子管计算机，并利用最小二乘法进行滤波器这样的线性网络设计以来， 仿真技术的发展已近半个世纪。 计算机仿真应用早期局限在国防科技和军工部门(如航天，航空，核能等)， 而如今深入到科学研究，工程设计，辅助决策，系统优化等各个方面， 使人们的许多传统观念和方法产生了重大变革。计算机仿真技术被称为继科学理论和实验研究后的第三种认识和改造世界的工具，计算机技术的发展，计算数学的成熟，使计算机仿真技术成为一种工程领域必不可少的重要设计手段，它的应用可以大大地缩短产品的开发周期和降低产品开发的成本，从而提高产品的竞争力。 传统的设计方法往往是通过反复的试制样品(物理成型)和实验来分析该系统是否达到设计要求， 因此在设计过程中大量的人力和物力投入在样品的试制和试验上。 随着计算机仿真技术的发展，在工程系统的设计开发中， 大量地采用了数字成型的方法， 即通过建立系统的数字模型， 通过计算机仿真使得大量的产品设计的问题的发现和解决在物理成型之前就得到处理，从而极大地减少反复物理成型的人力和物力的投入， 使我们可以在最短的时间以最低的成本将新产品投放到市场， 是我们在竞争日益激烈的市场上占的先机。 正是由于计算机仿真技术的这种优越性，在国外， 计算机仿真技术已经充分地被各大公司应用到产品的设计， 开发和改进中。早期的计算机仿真技术需要仿真人员自己推导系统的数学模型，应用编程语言将数学模型转化成为计算机能够直接运算的程序。应用此法设计仿真程序，不仅要求仿真人员须精通所采用的计算机语言，还使他们将大量的时间和精力耗费在程序的编写和调试上，而不能致力于对系统模型和仿真方法的研究。为了使仿真人员摆脱复杂的程序设计，从20世纪60~70年代， 就有人发展了面向仿真问题的仿真专用语言。它采用简单的方式(即仿真人员熟悉的描述问题的方式)来表达仿真中常用的算法或控制流程。早期的仿真语言有CSMP，CSSL，DSL，MIMC等，应用十分广泛。20世纪80年代美国一家软件公司推出一种面向科学和工程计算的语言。它以矩阵运算为基础，把计算、可视化及程序设计融合到了一个交互的工作环境中，可以实现工程计算，算法研究，建模和仿真，数据分析及可视化，科学和工程绘图，应用程序开发等功能。这些通用的计算机仿真软件系统的主要特点是:1.2.2 计算机仿真的现状基本实现了上层电路层，基本实现四个常用的大规模集成接口器件的内部逻辑；能够灵活设置电路图，并仿真正确及错误的结果；已经实现IA32CPU（从INTEL 8086到PIII）的代码，还未进行器件类封装；容易实现的表现用器件或外设还不足，如开关、LED、示波器等；对器件逻辑功能的延时处理考虑得还不周全。尽管这对普通实验演示影响不大。1.3 设计目的及意义本设计的目的是利用Visual C++环境以纯软件的形式模拟硬件接口实验平台的逻辑功能，简单的仿真实现人机交互设备—开关类部件，增强虚拟实验平台的功能，用于接口教学。另外，通过本次设计开发对仿真理论的发展及主要内容有了基本的认识与了解。通过对仿真系统的设计与实现，熟悉了Visual C++的MFC开发模式流程，掌握了仿真技术的思想，完成了开关设备的仿真实现。1.4 预期成果开发设计一种模拟仿真的软件，使其能够在虚拟环境下模拟实验接口电路中开关的控制功能。弥补虚拟实验平台在外设方面的不足，增加开关类部件的模拟仿真实现功能，使原有的实验平台功能更强大，让使用者更直观的更形象的演示实验过程和结果，更好的理解电路运行原理。2 设计知识介绍2.2 虚拟实验平台计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，为虚拟实验的发展奠定了坚实的基础。虚拟实验就是在通用计算机上加载相应的软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台专用的传统试验设备一样。在虚拟实验系统中，软件是整个系统的关键，任何以个使用者都可以通过软件的相关设置来达到要实现实验的效果。虚拟实验就是利用外部输入(如鼠标的点击、拖动和键盘的敲击等)，将计算机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程，组装成一个完整的实验环境，同时在这个环境中完成实验操作，包括实验器材的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析。它包含了虚拟仿真技术、计算机技术、实验技术、网络技术与专业等多方面理论知识。2.2 基类和派生类类是进行面向对象程序设计的基础。它能够定义数据和对数据的操作，并通过不同的访问权限，将类的接口和内部的实现分开，支持信息的封装和隐藏。面向对象程序设计的其它重要特征还包括：继承和多态。支持程序代码的复用是面向对象程序设计的主要目标之一，而支持程序代码复用的最重要的方法之一就是继承。继承能够从一个类派生出另一个类，前者称之为基类或父类，后者称之为派生类或子类。派生类能够继承基类的功能，也能改变或增加它的功能。在面向对象的程序设计中，多态的功能强大，但也较难掌握。它允许指向基类对象的指针指向派生类的对象。基类和派生类中可有名字和参数完全相同的函数，但他们的功能并不相同。当程序运行时，如果用基类指针调用成员函数，能够根据该指针所指向的对象的类型自行确定是调用基类的成员函数还是调用派生类的成员函数。如果没有多态的功能，我们就不得不用条件语句，确定是调用哪一个类的成员函数。代码复用是C++最重要的性能之一，它是通过类继承机制来实现的。通过类继承，我们可以复用基类的代码，并可以在继承类中增加新代码或者覆盖基类的成员函数，为基类成员函数赋予新的意义，实现最大限度的代码复用。3 开关类部件的仿真方案设计3.1 开发工具的选择根据不同的工程选择不同的开发工具，可以有效地提高工作效率。不同的开发工具各有各的优点同时又各有各的不足，在开发中要扬长避短。Visual C++自诞生以来，一直是Windows环境下最主要的应用开发系统之一。Visual C++不仅是C++语言的集成开发环境，而且与Win32紧密相连，利用Visual C++开发系统，可以完成各种各样的应用程序开发，从底层软件直到上层直接面向用户的软件。而且，Visual C++强大的调试功能也为大型复杂软件的开发提供了有效的排错手段。随着多媒体技术和图形图象技术的不断发展，可视化（Visual）技术得到广泛的重视，越来越多的计算机专业人员都开始研究并应用可视化技术。Visual C++是一个很好的可视化编程工具，使用Visual C++环境来开发基于Windows的应用程序大大缩短了开发时间，而且它的界面更友好，便于程序员操作。

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