一种单片机远程实验系统的制作方法

本实用新型涉及一种远程实验系统，尤其是涉及一种基于可以远程对试验系统硬件和软件同时进行操作的单片机远程实验系统。

背景技术：

实验环节是工科院校教学系统中必不可少的实践方式，培养学生的综合素质和创新能力，让学生巩固理论知识，将理论用于实践，培养学生的动手操作能力，从而加深对理论知识的理解。但是现行以教师讲授为主的实验模式，学生只能被动地接受，不能充分发挥创新能力。如果在实验设备不足的情况下，学生不能直接参与实验过程操作。此外，这种授课模式不仅资源高度集中，而且空间局限在实验室中，时间和空间上受到限制，设备利用率低；同时，实验设备的维护和更新往往需要投入大量的人力、物力和财力，实验设备供需矛盾越来越激烈，常常不能满足日益增长的学生人数的需要。这在某种程度上限制了实验环节的发展，影响了学生和科研人员学习及研究需要。近年来,由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展,通过网络来构建远程实验室已经成为可能,网上实验己成为远程教学研究的重要方面。

目前在远程实验室进行虚拟实验的方式主要有三种类型:（1）遥控型实验。利用计算机多媒体技术和通讯技术,将实验室里真实的实验设备及控制系统,转换成三维图像、声音、状态等传输到远端的学生计算机中,参加实验的学生可以在自己的计算机中进行操作,通过通讯线路遥控真实实验室现场中的实验设备,使远程实验过程在实验学生实时遥控下运作。而学生执行操作的结果文字、图像、数据等又会实时地回传给学生,从而使实验学生可对实验数据实时采集并进行处理。（2）模拟型实验。模拟型实验是在计算机中用软件模拟仪器、设备、元器件、药品等实验器材和实验条件,并以文字、图形或动画方式显示出来。实验的学生登陆虚拟实验室后,与实验软件进行交互,充分利用虚拟器材库中十分丰富的实验器材,根据实验要求进行实验流程设计、实验装置搭建、实验内容操作、实验结果统计分析等,最后写出实验报告,全部实验过程在计算机内完成。这种以软件来模拟那些存在和使用的设备来做实验,可以取得和采用真实实验器材、设备相同的实验结果。（3）仿真型实验。仿真型实验采用计算机技术、虚拟现实技术等构建虚拟实验环境、虚拟仪器和设备的方法,为学生提供一种仿真的实验“情境”,它不仅可以控制学习情境的复杂度和逼真度,还可以弱化甚至剔除真实情境中无关的干扰因素，学生可以“随机进入”,身临其境地进行实时操作。

然而，模拟型实验和仿真型实验不能完全反应真实现场的实际情况。目前的远程遥控实验无法支持实验连线的远程化。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术不足，提出了一种可以在线修改实验装置硬件连接的单片机远程实验系统，实现了实验装置连线的远程化操作。

本实用新型所采用的技术方案：

一种单片机远程实验系统，由用户计算机、管理服务器、实验计算机和试验箱组成，其中用户计算机、管理服务器和实验计算机都处于网络环境中，所述实验箱由单片机最小系统、实验外围电路、FPGA芯片、FPGA外围配置电路、多路转换开关和电源构成；实验计算机通过两路232串行口分别与单片机和FPGA芯片连接，单片机的I/O口和外围电路数字量接线全部连接在FPGA芯片上，模拟量外围电路的接口通过多路开关与单片机进行选择性连接。

所述的单片机远程实验系统，FPGA芯片内部包括串口通信、控制电路和引脚连接池三个部分；串口通信负责接收实验计算机传送来的硬件配置数据，控制电路一方面根据硬件配置数据将引脚连接池中的相应管脚进行连接，一方面输出控制信号至多路模拟开关；引脚连接池中是单片机引脚和外围电路的可控连通，单片机引脚和外围电路接线之间全部通过可控的双向缓冲器相连接。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型提出了一种可以改变远程实验装置硬件连接的远程实验系统，解决了现有模拟型实验和仿真型实验不能完全反应真实现场实际情况和更改实验装置硬件连接的缺陷，支持实验装置连线的远程化操作。

2、本实用新型单片机远程实验及系统，借助FPGA的程序，实现单片机的远程实验，硬件和软件都可以远程修改。FPGA内部的连接池部分尤其增加了实验灵活性。可以大大节约教学投入和实验成本，管理方便，提高了教学质量。

附图说明

图1是本实用新型远程实验系统组成原理示意图；

图2是本实用新型远程实验系统实验箱组成结构示意图；

图3是本实用新型远程实验系统FPGA芯片结构示意图；

图4是本实用新型远程实验系统FPGA芯片引脚连接池结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图1、图2，本实施例为单片机远程实验系统，由用户计算机、管理服务器、实验计算机和试验箱组成，其中用户计算机、管理服务器和实验计算机都处于网络环境中，所述实验箱由单片机最小系统、实验外围电路、FPGA芯片、FPGA外围配置电路、多路转换开关和电源构成；实验计算机通过两路232串行口分别与单片机和FPGA芯片连接，单片机的I/O口和外围电路数字量接线全部连接在FPGA芯片上，模拟量外围电路的接口通过多路开关与单片机进行选择性连接。

实施例2

参见图1、图2、图3、图4，本实施例的单片机远程实验系统，与实施例1的不同之处在于：FPGA芯片内部包括串口通信、控制电路和引脚连接池三个部分；串口通信负责接收实验计算机传送来的硬件配置数据，控制电路一方面根据硬件配置数据将引脚连接池中的相应管脚进行连接，一方面输出控制信号至多路模拟开关；引脚连接池中是单片机引脚和外围电路的可控连通，单片机引脚和外围电路接线之间全部通过可控的双向缓冲器相连接。

实施例3

本实施例的单片机远程实验系统，由用户计算机、管理服务器、实验计算机和试验箱组成。其中用户计算机、管理服务器和实验计算机都处于网络环境中。

如图2所示，实验箱由单片机最小系统、实验外围电路、FPGA芯片、FPGA外围配置电路、多路转换开关和电源构成；实验计算机通过一根usb转两路232串行口分别与单片机和FPGA芯片连接。FPGA内部程序已经写好，实验过程中不需要对FPGA的内部结构进行修改，所以图中没有给出实验计算机与FPGA外围配置电路的连接。单片机的I/O口和外围电路数字量接线全部连接在FPGA芯片上。模拟量外围电路的接口通过多路开关与单片机进行选择性连接。

实验计算机通过“硬件配置通信口”将实验内容的硬件连接信息下载到FPGA芯片中。FPGA内部的连通逻辑根据实验计算机发送来的内容有选择地连通单片机引脚和外围电路接线。同时根据需要控制多路转换开关的状态。另外，实验计算机可以通过摄像头采集实验箱显示器件的视频图像信号。

硬件连接配置好后，实验计算机通过程序下载口将单片机程序下载到单片机芯片中并开启实验。同时，在用户的单片机程序中嵌入串口通信子程序，实时上传单片机的工作状态，并显示在实验计算机的可视化软件中。

如图3所示，FPGA程序包括串口通信，控制电路和引脚连接池三个部分。串口通信负责接收实验计算机传送来的硬件配置数据。控制电路一方面根据硬件配置数据将引脚连接池中的相应管脚进行连接，一方面输出控制信号至多路模拟开关。引脚连接池中是单片机引脚和外围电路的可控连通。其结构如图4所示。图4中，单片机引脚和外围电路接线之间通过可控的双向缓冲器相连接。控制端分别为高电位有效。所有控制端构成连接矩阵如公式（1）所示：

（1）

公式（1）即为实验计算机传送至实验箱的数据。

本实用新型单片机远程实验系统，可以在线修改实验硬件连接，实现了实验装置连线的远程化操作。解决了现有模拟型实验和仿真型实验不能完全反应真实现场实际情况和更改实验装置硬件连接的缺陷。