一种面向嵌入式系统应用教学的虚拟实验系统的制作方法

本发明为虚拟实验教学技术领域，特别是涉及面向嵌入式系统应用教学的虚拟实验系统。

背景技术：

嵌入式系统应用课程注重培养学生的动手能力，目前大多数学校都是采用进入实验室在实验箱上完成实验。受到实验室条件以及实验时间安排的限制，学生往往只能在课上做实验，无法利用课余时间自主学习，教学效果不理想。现有的仿真软件如proteus，提供了一些嵌入式系统芯片的仿真功能，但是仍有一些芯片不能支持，并且存在软件授权等问题。

经检索发现，中国发明专利（申请号201710656579.0）公开了一种远程单片机虚拟实验系统，通过远程控制软件在虚拟实验服务器上完成实验，采用视频录制方式记录学生的实验过程及效果。该虚拟实验方法仍然需要安装使用第三方的仿真软件如proteus，无法解决上述问题。另外，教师将需要花费大量的时间去观看录制的实验视频，也不便于实验考核评分。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种面向嵌入式系统应用教学的虚拟实验系统，不需要使用第三方仿真软件，且便于教师检查考核。

本发明的技术方案为：一种面向嵌入式系统应用教学的虚拟实验系统，其特征在于：包括一个web服务器与多个芯核监控终端；所述web服务器与各芯核监控终端以局域网络互联；所述芯核监控终端由监测模块与实验模块组成；

实验模块的主控芯片是虚拟教学实验需要学习的嵌入式系统芯片，该嵌入式系统芯片的所有通用接口引脚连接在监测模块的主控芯片引脚上，受到监测模块完全监测；所述监测模块的主控芯片的通用接口引脚数多于实验模块的主控芯片；

所述虚拟实验系统运行过程如下：

第1步，用户使用浏览器访问所述web服务器，在完成信息验证后进入虚拟实验界面，此时服务器将为其关联一个芯核监控终端；

第2步，用户在虚拟实验界面中进行接口电路设计，包括添加嵌入式系统芯片以及虚拟外部设备，以及配置芯片与虚拟外部设备之间的接口引脚连接情况；配置完成后上传给web服务器，所述服务器将需要监测的接口配置信息下发给关联的芯核监控终端的监测模块；

第3步，用户使用嵌入式系统的ide软件进行实验编程设计，生成新的固件数据；然后在虚拟实验界面内上传，再经web服务器转发给关联的芯核监控终端的实验模块；

第4步，实验模块接收到所述新的固件数据后，存入嵌入式系统芯片的代码区自动完成固件更新；更新结束后经web服务器向用户发送固件更新完成信息；

第5步，用户在虚拟实验界面中收到固件更新完成信息后，启动虚拟实验系统运行，web服务器向关联的芯核监控终端的监测模块发送启动命令信息；监测模块在收到启动命令后，重启实验模块，随后实验模块开始运行用户最新上传的固件；

第6步，监测模块根据第2步接收的需要监测的接口配置信息，实时监测相应的接口引脚状态，生成接口监测实时信息并上传给web服务器；web服务器收到后，改变虚拟外部设备的显示效果，以此来模拟实验程序的运行效果，并供用户浏览观测；

第7步，在所述虚拟运行过程中，如果虚拟外部设备包含有输入设备的，则用户可在虚拟实验界面中操作改变输入设备状态；此时web服务器会根据用户操作情况向监测模块发送输入设备状态信息；监测模块收到后会在相应引脚上产生所需信号，以模拟输入设备的操作效果，并供实验模块在运行中进行输入信号的检测；

第8步，重复执行第6步到第7步，直至用户在虚拟实验界面中发送停止虚拟运行命令信息时，结束上述重复循环过程；

第9步，如果用户退出虚拟实验界面或者长时间不操作虚拟实验界面，web服务器将断开该用户与芯核监控终端的关联，等待其他用户关联使用；

第10步，如果用户需要修改代码重新虚拟仿真，则返回第3步；如果用户需要修改接口电路或做新的实验内容，则返回第2步，重新进行接口电路设计。

作为该发明的优选方案，用户可分为学生用户和教师用户，学生用户还可以在虚拟实验界面中完成实验作业和实验考试，教师用户可以在虚拟实验界面中完成对学生实验作业情况和实验考试成绩的批阅，并统计成绩。

本发明采用了在实际芯片上运行实验代码，通过监测引脚状态在虚拟设备上展示运行效果的虚拟实验方法，可以帮助学生使用web浏览器在线完成嵌入式系统应用相关的虚拟实验仿真功能。与现有技术相比，本发明不要使用第三方的仿真软件，使用方便，适用性强，且便于实验考核与管理。

附图说明

图1为远程虚拟实验系统的整体架构示意图

图2为远程虚拟实验系统运行过程及数据传送示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示的虚拟实验系统，包括了一个web服务器与多个芯核监控终端；其中web服务器与各芯核监控终端以局域网络互联。虚拟实验终端的用户使用电脑浏览器访问所述的web服务器，进行虚拟教学实验。

每个监控终端由监测模块与实验模块组成。其中实验模块的主控芯片是虚拟教学实验需要学习的嵌入式系统芯片，芯片的所有通用接口引脚连接在所述监测模块的主控芯片引脚上。而监测模块的主控芯片型号不限，但其通用接口引脚数应多于实验模块的主控芯片，以利于对实验模块的主控芯片所有引脚进行完全监测。

所述虚拟实验系统运行过程及数据传送如图2所示。其虚拟实验系统运行过程描述如下：

首先，用户使用浏览器访问虚拟实验系统的web服务器，在完成信息验证后进入虚拟实验界面，此时服务器将为其关联一个芯核监控终端。

然后，用户可以开始做虚拟实验，实验需完成接口电路设计和实验编程设计两个部分内容。

一方面，用户在虚拟实验界面中进行接口电路设计，包括添加嵌入式系统芯片以及虚拟外部设备，以及配置芯片与设备的接口引脚的连接情况；配置完成后上传给web服务器，所述服务器将需要监测的接口配置信息下发给关联的芯核监控终端的监测模块。

另一方面，用户使用嵌入式系统的各类ide软件进行实验编程设计，最终生成最新固件数据；然后在虚拟实验界面内上传，再经web服务器转发给关联的芯核监控终端的实验模块。实验模块接收到新的固件后，存入嵌入式系统芯片的代码区自动完成固件更新；更新结束后经web服务器向用户发送固件更新完成信息。

接着，当两个部分内容都确认完成后，用户可以在虚拟实验界面中启动虚拟运行，此时web服务器向关联的芯核监控终端的监测模块发送启动命令信息；监测模块在收到启动命令后，将重启实验模块，随后实验模块开始运行用户最新上传的程序。

同时，监测模块根据最新接收的需监测接口配置信息，实时监测相应的接口引脚状态，生成接口监测实时信息上传给web服务器；web服务器收到后，改变虚拟外部设备的显示效果，以此来模拟实验程序的运行效果，供用户浏览观测。

在所述虚拟运行过程中，如果虚拟外部设备有输入设备的，用户可以在虚拟实验界面中操作改变输入设备状态；此时web服务器会根据用户操作情况向监测模块发送输入设备状态信息；监测模块收到后会在相应引脚上产生所需信号，以模拟输入设备的操作效果，并供实验模块在运行中进行输入信号的检测。

重复循环虚拟运行过程的各个步骤，直至用户在虚拟实验界面中发送停止虚拟运行命令信息时，结束循环过程。

最后，当用户退出虚拟实验界面或者长时间不操作虚拟实验界面，web服务器将断开该用户与芯核监控终端的关联，此时该监控终端空闲出来，可以供其他用户使用，从而提高了虚拟实验教学系统的有效利用率。

两个部分内容在完成后还可以反复修改上传。如果用户想修改代码重新虚拟仿真，可以在虚拟实验界面重新上传固件数据，并再依次向下执行；如果想想修改接口电路或做新的实验内容，可以重新进行接口电路设计，并重新上传配置数据，再依次向下执行。

目前嵌入式系统应用开发主要就是通过芯片编程，实现外围接口状态变化以应用到不同的场合。而通过上述具体实施过程的描述可见，本发明提出的虚拟实验教学系统，采用了直接在实际芯片上运行实验代码，通过监测引脚状态并在虚拟设备上展示运行效果的虚拟实验方法，达到了嵌入式系统应用实验仿真的要求。

与现有技术相比，本发明使用web浏览器在线完成虚拟实验仿真，不要安装或使用其它的仿真软件，使用更加方便。此外，系统只是监测芯片引脚状态变化，对芯片的选型没有限制。因此可以增加配置多种嵌入式芯片，以实现对各类芯片的应用虚拟仿真，适用性更强。

作为该发明的优选方案，用户可分为学生用户和教师用户，学生用户还可以在虚拟实验界面中提交实验作业，就是将接口电路设计与实验程序数据上传至web服务器；教师用户可以调用学生提交的实验作业数据，自动关联一个芯核监控终端来虚拟运行，并根据实验效果来批阅实验作业成绩。

作为该发明的另一个优选方案，学生用户还可以在虚拟实验界面中进行实验考试，就是学生用户在规定时间内将指定考试题目的接口电路设计与实验程序数据上传至web服务器；教师用户可以监测学生完成虚拟实验的时间，并调用学生提交的实验考试数据，自动关联一个芯核监控终端来虚拟运行，并根据实验效果来批阅实验考试成绩。

上述两个优选方案，增加了教师对虚拟实验作业以及虚拟实验考试的管理，丰富了虚拟实验教学系统的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。