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1、前言 .2第一章 研究背景和意义 .31.1 关于虚拟实验室 .31.1.1 虚拟实验出现的背景 .31.1.2 虚拟实验室的构成 .51.1.3 虚拟实验室关键技术 .61.2 开发微机原理虚拟实验平台的意义 .7第二章 8255 并行接口实验介绍 .82.1 8255 小键盘实验 .82.2 8255 开关状态实验 .8第三章 开发工具与开发环境 .83.1 VRML 介绍 .83.1.1 VRML 语言发展史 .93.1.2 VRML 的工作原理 .103.1.3 VRML 的应用 .113.1.4 VRML 语法结构简介 .123.2 VRMLPad 简介 .163.3 Cortona
2、 VRML Client 简介 .19第四章 详细设计 .204.1 设计思想 .204.2 模块设计 .2224.2.1 外观设计 .224.2.2 按钮功能实现 .234.2.2 连线功能 实现 .264.3 整体设计 .294.3.1 8255 小键盘实验仿真 .304.3.2 8255 开关状态实验仿真 .30第五章 设计总结 .30参考文献 .30致谢 .30前言虚拟现实(VR-Virtual Reality)是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实的最大特点是：用户可以用自然的方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除
3、了亲身经历，就只能间接了解环境的3模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个仿真的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。虚拟现实技术可以广泛应用于各个领域。这些领域包括仿真建模、计算机辅助设计与制造、可视化计算、遥控机器人、计算机艺术、先期技术与概念演示、教育与培训、数据和模型可视化、娱乐和艺术、设计与规划及远程操作等。虽然虚拟现实技术使用户接触到的只是一个虚拟的环境，但这个虚拟环境所体现出来的各项特征和现实环境的各项特征基本上是一致的，这样，即使用户并没有进入到真实的场景中，他也能身临其境地感受
4、所模拟的现实场景。正是由于虚拟现实技术所特有的虚拟及仿真特性，使得人们在需要进行一些高成本、高难度、高危险的实验时，能够采用虚拟现实技术来进行虚拟仿真，这样无疑能够降低实验的难度和成本，大大提高人们实践活动的效率。虚拟实验室正是虚拟现实技术在教育及科研领域的一项重要应用，以Internet为传播途径的网络虚拟试验室实现了对传统实验室的有力补充，是对传统实验室的时间上拓展和空间上的延伸。网络虚拟实验是指用户在远程通过Internet访问特定网站，在一定的虚拟环境下（即用虚拟设备替代实际设备，用仿真实验替代真实实验），按一定步骤完成实验及相关参数选择和设定，最终获得实验结果。实验结果包括通过虚拟仪
5、器或虚拟对象体现出来的实验过程，各个过程变量历4史曲线和历史数据等。而网络虚拟实验室则是提供网络虚拟实验的场所。本文介绍了当前进行虚拟现实应用开发所要用到的关键技术，对其进行比较，并且着重介绍了使用VRML（虚拟现实建模语言）来开发微机原理实验8255并行接口实验的虚拟实验平台的全过程。第一章 研究背景和意义1.1 关于虚拟实验室网络虚拟实验可以为学生提供一些在现实中无法体验的情景，可以帮助学生就一些需要进行实验而缺少实验条件和实验环境的研究性学习内容提供帮助。网络虚拟实验是在 Web 中创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可
6、以进行虚拟的实验。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的智能化特征，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。通过网络虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象。它不仅仅能够提高远程教育的教学效果，更加重要的是对一些缺乏实5验条件的学生，通过网络同样能够“身临其境”的观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。1.1.1虚拟实验出现的背景人类社会发展的历程其实也就
7、是人类向未知世界进行探索的过程，在这个探索过程中，不断实践是最直接，也是最有效率的手段。当人们在实践中遇到一些之前从来没有遇到过的问题，或者要验证某种新的理论时，通过做实验来获得答案无疑是最为直观的选择。通常人们会针对某个具体问题来设计对应的实验，这些实验能够很好地体现出问题的关键点，人们通过对实验过程，实验现象及实验结果的分析来得出问题的大致解决方案或者是理论的实践结果。实验实际上就是把实际问题进行模型化，精简化的一种手段。不管是哪个学科，在哪个时代，实验总是解决问题，创新理论的重要依据，正是由于人类不断地进行探索，不断地进行各种实验，才发展到今天的现代化社会。到了现代，随着社会科学越来越快
8、的发展，人们所要面对的各种问题也越来越复杂，难度也越来越大，通过传统的模型实验来解决问题的方法已经很难满足要求，甚至是根本不能解决问题，如一些大规模，高难度的问题研究对象，采用传统的模型实验根本体现不出问题的实质，或者难于进行直接实验模拟。像在工程结构分析中有时需要进行建筑物及构筑物抗地震能力的分析，桥梁受到汽车高速碰撞的检验分析等。又如在高速荷载作用下，结构反应很快，人们在模拟实验中只能观察到最终结果，而不能观察试验的全过程。这些问题都是不6能直接通过实验来分析，或者难以进行实验观测的事例。在当今社会各个学科领域中，这些问题还不是最重要的，类似的问题以及更重要的问题还有很多很多，如航空航天、
9、原子反应堆等，这些都是属于造价昂贵、建设周期长、危险性大、难以实现实际系统实验的领域。面对这些复杂的技术问题时，如果仍然采用传统的实验方法来研究，显然不能达到解决问题的目的，长此以往，积累的问题越来越多，势必影响到科学技术发展的整体进程，进而影响到整个社会的发展，所以必须要找到一种全新的技术手段来进行问题研究。好在 20 世纪中期出现的计算机技术发展越来越快，其硬件体系、软件体系以及计算机网络系统日益完善，计算机的应用领域也深入到各个学科中，计算机高精度，高速度的数据处理能力为人们解决了很多棘手的问题。特别是在虚拟仿真领域，依托当今较为完备的计算机软硬件体系，人们可以通过计算机虚拟仿真来完成一
10、些高难度的实验，研究一个已经存在，或者正在研究设计中的系统。在进行计算机虚拟仿真时，首先人们需要把研究对象的各项关键参数输入计算机中，运用专门的虚拟仿真软件系统在计算机内建立起真实系统的计算机仿真数学模型，然后利用模型代替真实系统在计算机上进行实验和研究。由于采用了虚拟的计算机模型来替代现实系统，而不涉及对真实系统的操作修改，所以虚拟仿真实验系统具有经济、可靠、实用、安全、灵活和可以多次重复使用的特点，现在已经成为对各种复杂系统（工程的、非工程的）进行分析、设计、实验、评估7的重要手段，而且随着计算机科学的迅速发展，虚拟实验体系的技术手段、应用范围也越来越广阔。由于虚拟实验系统不需要采用真实的
11、实验仪器，能够节约大量的实验成本，因此现在除了那些高科技领域采用虚拟实验系统外，普通学科领域也开始采用虚拟实验系统来将其各种实验进行虚拟化，这样既能节约投资，又能方便管理。但是最开始的虚拟实验体系都是单机版的，许多科研单位、学校等都建立起专门的实验机房作为虚拟实验室。要进行虚拟实验只能在安装了虚拟实验系统的 PC 上进行，必须进到专门建立的实验机房里去上机，这无疑在时间、空间上对实验者制造了障碍。特别是在学校，像一些较为基础的实验，需要做这些实验的学生人数较多，机房配备的 PC 数量很难完全满足全部学生的上机要求，这个问题更是突出。因此必须解决好这个限制虚拟实验发展的问题。随着 Web 技术的
12、发展，人们开始考虑利用 Internet 全球互通的优势来解除虚拟实验室在时间、空间上对实验者的种种限制。具体的做法就是建立网络虚拟实验室，通过在网络上建立起专门的网站，将虚拟实验系统搬到网站上去，这样实验者只需要使用一台连接了网络的电脑，就能连到虚拟实验网站进行各种实验了。这也是我们这次设计开发所要研究的对象。1.1.2虚拟实验室的构成网络为虚拟实验室的实现提供了一种基础平台，基于 WEB 的浏览8器/服务器（B/S）计算模式也是实现网上虚拟实验室的一种基本模式（如图 1.1 所示） 。图 1.1 虚拟实验室的组成虚拟实验室主要有以下几个部分组成：1) 服务器：用于处理大量模拟操作数据。2)
13、 数据库：用于存储模拟资料初始条件和边界条件以及实验结果。3) 虚拟设备：具有计算机接口，能够进行实验仿真的虚拟实验设备。4) 客户终端：安装实验处理客户端软件（或者支持 Java、VRML 等脚本的浏览器插件）的联网 PC 机，用于数据处理、分析、存储并使之可视化。服务器端通过软件技术仿真各种实验环境，接收来自客户端的实验操作请求，根据客户端对虚拟实验设备不同的实验参数设置，调整服务器数据库虚拟设备客户终端 1网络客户终端 2客户终端 n9仪器的状态，模拟产生实验的现象，输出对应的实验数据或实验现象到客户端。学习者在客户端进行实验操作，其中实验过程中的数据和实验结果数据通过网络在客户端显示出来，也可以放置于服务器端进行保存，对于一些需要保密数
