一种远程实验数字电路与系统实验平台的制作方法

本实用新型涉及一种系统实验平台，具体来讲是一种基于嵌入式技术和网络技术的远程数字电路与系统实验平台。

背景技术：

在传统的数字电路与系统实验中，学生必须要统一集中在实验室才能完成实验。这种方式虽然能直观的感受到真实实验的过程，并完成实验，但是实验室场地往往不够，学生做实验只能分批、分时复用实验设备，这大大地限制了学生的时间和空间。在非实验时间却没有学生到实验室现场做实验，这会使得大量的实验设备处于闲置状态，从而降低了实验设备的利用率。虚拟仿真实验虽然可以模拟学生现场的实验情况，可以解决学生的时间和空间受到限制问题，但是虚拟仿真实验的数据并不是真实的实验数据，大多是根据某种模型或算法来设计，所以不能完全代替真实的实验数据。

随着网络技术的发展，面向MOOC的远程实验也成为当前网络实验研究的热点，成为未来网络实验发展的趋势，面向MOOC的远程实验系统能够较好解决学生实验教学时间和地点限制问题。同时MOOC教学方式的流行使得更多的学习者希望通过网络的方式进行知识的学习，但与硬件相关的实践类课程进行MOOC教学还存在一定困难，因为实验设备无法像文字内容一样方便地通过网络进行传播和共享。深入研究远程实验室系统有着重大实践价值。另一方面，目前面向网络的远程实验装置主要还是以PC机为载体来单独设计，这样的设计过于臃肿，成本也较高，限制了设备的大规模推广和使用，因此有必要研究开发新的基于嵌入式技术的远程数字实验系统来解决这些问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，在此提供一种远程实验数字电路与系统实验平台。

本实用新型是这样实现的，构造一种远程实验数字电路与系统实验平台，其特征在于，包括客户端、Internet网络、嵌入式处理模块、视频采集与压缩模块、摄像头、可程控FPGA实验板、数据监测与通信模块；所述嵌入式处理模块包括以ARM处理器为核心的系统板，在ARM处理器为核心的系统板上构建Web服务器、视频服务器、实验服务器、Jam Player；

所述客户端通过Internet网络与嵌入式处理模块直接相连；摄像头与视频采集与压缩模块连接，视频采集与压缩模块通过标准的UVC接口连接嵌入式处理模块；可程控FPGA实验板通过JTAG接口与嵌入式处理模块相连；嵌入式处理模块一方面连接着Internet网络，另一方面还通过RS232串口通信线和数据监测与通信模块相连，嵌入式处理模块与可程控FPGA实验板的JTAG接口相通；数据监测与通信模块还与可程控FPGA实验板相连。

根据本实用新型所述远程实验数字电路与系统实验平台，其特征在于，所述嵌入式处理模块中系统板上具有大量的高性能硬件资源，主要包括高性能ARM处理器、大容量SDRAM、大容量NAND Flash、Nor Flash、 LED、LCD、按键、网口、摄像头接口、音频输入接口、USB接口、串口、AD/DA接口。

根据本实用新型所述远程实验数字电路与系统实验平台，其特征在于，所述可程控的FPGA实验板包括FPGA核心实验单板、实验组态模式控制模块、程控信号发生模块、第一外围实验资源、第二外围实验资源；实验组态模式控制模块、程控信号发生模块与第一外围实验资源直接连接FPGA核心实验单板；第二外围实验资源与实验组态模式控制模块相连；所述数据监测与通信模块与第一外围实验资源、第二外围实验资源、实验组态模式控制模块、程控信号发生模块相连。

根据本实用新型所述远程实验数字电路与系统实验平台，其特征在于，所述可程控 FPGA 实验板采用 Altera 公司Cyclone II系列FPGA。

根据本实用新型所述远程实验数字电路与系统实验平台，其特征在于，所述实验组态模式控制模块采用Altera 公司的CPLD EPM570T100C5实现。

根据本实用新型所述远程实验数字电路与系统实验平台，其特征在于，所述第一外围实验资源包括并行高速AD模块、并行高速DA模块、串行AD模块、串行DA模块、大容量DRAM芯片、大容量SRAM芯片、FPGA专用配置模块、液晶显示模块、DS1302数字时钟模块、RS232通信模块。

根据本实用新型所述远程实验数字电路与系统实验平台，其特征在于，所述第二外围实验资源包括8位LED数码管显示模块、红外通信模块、PS2通信模块、USB通信模块、8位LED灯模块、VGA显示模块、步进电机模块、DC电机模块、蜂鸣器模块、按键。

根据本实用新型所述远程实验数字电路与系统实验平台，其特征在于，所述数据监测与通信模块为FPGA实验板远程控制的核心模块，主要功能有：数据采集、控制与通信。

本实用新型的优点在于：该系统具有集成度高、实时性强、成本低廉的优点。具体而言，该系统集实验教学设备、互联网、实验教学于一体，很大程度增加了实验教学资源的利用率。学生可以利用自己的PC机通过网络在任何时间、任何地点开展数字系统实验设计，这大大方便了实验教学。该系统将Web服务器、实验服务器、视频服务器全部集中在以ARM为核心处理单元的嵌入式处理模块，这比通常用PC机作为服务器的系统更加精简，成本低廉，同时嵌入式Linux系统本身具有体积小、处理速度快、协同处理强、实时性高等特点，这也大大增强了该系统的实时性。

本实用新型的最终效果体现在如下：

学生通过连接了网络的计算机，远程上传自己的实验设计，下载和配置数字系统的实验平台，实时操作和控制实验平台，同时由摄像头捕获的实验室现场仪器运行情况，并实时动态地返回摄像监控的现象给远程的实验者，并且通过数据监测与通信模块传递精确的实验测量数据，完成真实的人机交互式数字实验全过程。

附图说明

图1为远程实验数字电路与系统实验平台结构图

图2为可程控FPGA实验板结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型通过改进提供一种远程数字电路与系统实验平台，包括客户端、Internet网络、嵌入式处理模块、视频采集与压缩模块、摄像头、可程控FPGA实验板、数据监测与通信模块；所述嵌入式处理模块包括以ARM处理器为核心的系统板，在ARM处理器为核心的系统板上构建嵌入式Linux系统，然后在Linux系统应用层构建Web服务器、视频服务器、实验服务器、Jam Player；客户端通过Internet网络与嵌入式处理模块直接相连，进而与Web服务器、视频服务器、实验服务器相连，摄像头与视频采集与压缩模块，视频采集与压缩模块通过标准的UVC接口连接嵌入式处理模块，进而与视频服务器相连；可程控FPGA实验板通过JTAG接口与嵌入式处理模块相连，进而与Jam Player相通，同时还与嵌入式处理模块中Web服务器相通；嵌入式处理模块中实验服务器一方面连接着Internet网络，另一方面还通过RS232串口通信线和数据监测与通信模块相连，同时通过Jam Player与可程控FPGA实验板的JTAG接口相通；数据监测与通信模块和可程控FPGA实验板相连。

所述的远程实验数字电路与系统实验平台，所述嵌入式处理模块包括硬件部分与软件部分，所述硬件部分是ARM处理器为核心的系统板，板上包括高性能ARM处理器、大容量SDRAM、大容量NAND Flash、LED、LCD、按键、网口、摄像头接口、音频输入接口、USB接口、串口、AD/DA接口等。所述软件部分是在该系统板上根据需求构建的嵌入式Linux系统，依次向单板烧入Bootloader、Linux内核镜像文件、根文件系统，然后在其运行的嵌入式Linux系统上再构建嵌入式Web服务器、实验服务器、视频服务器、Jam Player。

所述的远程实验数字电路与系统实验平台，所述视频采集与压缩模块用于接收摄像头拍摄的原始视频数据，板上主要采用ip2970芯片对原始视频数据进行压缩编码，然后将压缩后视频数据传输给嵌入式处理模块上构建的视频服务器，所述摄像头是符合UVC规范的摄像头。

所述的远程实验数字电路与系统实验平台，所述可程控的FPGA实验板包括FPGA核心实验单板、实验组态模式控制模块、程控信号发生模块、第一外围实验资源、第二外围实验资源；实验组态模式控制模块、程控信号发生模块与第一外围实验资源直接连接FPGA核心实验单板；第二外围实验资源与实验组态模式控制模块相连；所述数据监测与通信模块与第一外围实验资源、第二外围实验资源、实验组态模式控制模块、程控信号发生模块相连。

所述的远程实验数字电路与系统实验平台，所述可程控 FPGA 实验板采用 Altera 公司Cyclone II系列FPGA。

所述的远程实验数字电路与系统实验平台，所述实验组态模式控制模块采用Altera 公司的CPLD EPM570T100C5实现。

所述的远程实验数字电路与系统实验平台，所述第一外围实验资源包括并行高速AD模块、并行高速DA模块、串行AD模块、串行DA模块、大容量DRAM芯片、大容量SRAM芯片、FPGA专用配置模块、液晶显示模块、DS1302数字时钟模块、RS232通信模块。

所述的远程实验数字电路与系统实验平台，所述第二外围实验资源包括8位LED数码管显示模块、红外通信模块、PS2通信模块、USB通信模块、8位LED灯模块、VGA显示模块、步进电机模块、DC电机模块、蜂鸣器模块、按键。

下面进行流程说明，本实验平台采用的系统结构如图1所示，远程实验数字电路与系统实验平台包括：

客户端：学生个人的PC机；

嵌入式处理模块：在其上构建嵌入式Linux系统，在Linux系统应用层构建Web服务器、视频服务器、实验服务器、Jam Player；其中Web服务器完成对实验系统供电控制，以及控制实验服务器、视频服务器安全运行等；视频服务器接收客户端用户视频服务的请求，收到请求后，传递摄像头采集的视频数据到用户客户端；实验服务器的功能是完成对可程控FPGA实验板的控制、数据采集以及控制Jam Player完成对FPGA的配置；Jam Plyaer的功能是完成对FPGA的JTAG模式的配置。

视频采集与压缩模块：对摄像头采集的原始视频数据进行压缩，然后将压缩后视频数据传输给嵌入式处理模块中的视频服务器。

摄像头：拍摄实验设备的实验运行现象。

Ineterner网络：完成网络数据的交互。

可程控FPGA实验板：学生做数字实验的实验平台，具有丰富的外围实验资源以及功能完善的数据监测与控制单元。

数据监测与通信模块：主要功能是数据采集、控制与通信。

远程实验数字电路与系统实验平台可实现学生通过连接Internet网络远程操控实验室的数字实验平台同时将实验结果、测量数据等实验信息实时地返回给远程操控的实验者，从而在异地完成真实实验过程。学生可在实验室外一台连接有Internet的PC机（客户端）上，实时地操控实验室现场的实验设备，由摄像头拍摄的现场实验运行现象，并实时地传递给远程操控的实验者，同时通过数据监测与通信模块传递精确的真实实验数据，通过远程操控实验仪器进而操作实验，从而完成真实的人机交互实验的全过程。

具体的实验过程如下：

1、学生在个人的计算机上安装可连接访问Internet网络的浏览器。

2、通过浏览器登录访问嵌入式处理模块中Web服务器，并发出实验请求，Web服务器根据实验室现场设备的忙空状态，自动分配空闲的实验设备，然后控制对应的实验服务器、视频服务器运行，并给可程控 FPGA 实验板供电。接着等待对应的实验服务器、视频服务器完全正常运行，然后将与客户端建立并保持通信连接，并实时传送实验视频与实验数据到用户客户端。

3、学生将实验设计生成的FPGA配置文件上传至实验服务器，然后通过实验服务器完成实验板上FPGA的远程配置，接着可通过实验服务器发送控制命令直接操作可程控的FPGA实验板。数据监测与通信模块将采集到的AD-DA模拟电压、被测信号频率、脉冲宽度、信号发生器产生的频率等实验信息通过实验服务器发送给客户端，从而学生可远程实时地操控FPGA实验平台，同时也可观察到FPGA实验平台上精确实时的测量数据，以及通过实验视频观察现场实验运行的现象，完成与现场一样的交互实验操作。

4、当完成实验后，学生可通过客户端向Web服务器发送关机指令，Web服务器接收到指令后执行关机操作，控制实验服务器和视频服务器停止运行，当实验服务器和视频服务器完全停止运行后，自身则进入低功耗休眠待机状态，等待着下一次客户端的实验请求。

参考图2所示，所述的可程控FPGA实验板具有功能强大FPGA核心实验单板和丰富外围资源，为学生提供充足的实验内容，主要包括以下几个部分：

1、FPGA核心实验单板：该FPGA采用Altera公司Cyclone II系列的超大规模FPGA，型号为EP2C8F256C6N，FPGA的JTAG接口通过嵌入式处理模块中Jam Player与实验服务器相通。

2、程控信号发生模块：该模块主要产生实验系统所需要的多种输入信号，包括8路固定频率的时钟信号、1 路步进 1Hz，设置范围 1Hz-20MHz 的 DDS 高精度信号源，8路开关信号等。该模块的输出信号可受客户端远程控制。

3、实验组态模式控制模块：该模块主要由Altera公司的CPLD实现，型号为EPM570T100C5，可在远程客户端的控制下根据实验者需求更改实验板上的电路工作组态。不同的工作组态有不同的的实验资源硬件连接方式，使用时的实验资源也不完全相同，从而使得实验平台变得更加灵活多变。

4、第一外围实验资源。这一部分实验资源与FPGA核心实验单板在硬件上直接相连。主要包括并行高速AD模块、并行高速DA模块、串行AD模块、串行DA模块、大容量DRAM芯片、大容量SRAM芯片、FPGA专用配置模块、液晶显示模块、DS1302数字时钟模块、RS232通信模块。

5、第二外围实验资源。这一部分实验资源受到实验组态模式控制模块控制，可以通过更改组态模式变换硬件连接关系以及选择不同的实验资源接入到FPGA核心实验单板。主要包括：8位LED数码管显示模块、红外通信模块、PS2通信模块、USB通信模块、8位LED灯模块、VGA显示模块、步进电机模块、DC电机模块、蜂鸣器模块、按键。

6、数据监测控制与通信模块。该模块为FPGA实验板远程控制的核心模块。主要功能有：数据采集、控制与通信。第一、数据采集。由于是远程操控无法到实验室现场进行测量，因此该模块需要对实验中需要测试的实验信息进行测试。第二、控制。该模块接收远程客户端通过嵌入式处理模块中的实验服务器发送过来的控制命令并实时产生控制操作，以此来模拟远程实验者的本地现场操作。主要的远程操作有FPGA配置、实验模式转换、信号设置、开关控制等。第三、通信。与嵌入式处理模块通过RS232接口连接，进而与实验服务器相通，将FPGA实验板上采集到的各类实时测量数据通过实验服务器传送给客户端，同时也接收实验服务器发送的客户端控制命令，并实时执行。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。