本實用新型涉及一種系統(tǒng)實驗平臺，具體來講是一種基于嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠程數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)的數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗中，學生必須要統(tǒng)一集中在實驗室才能完成實驗。這種方式雖然能直觀的感受到真實實驗的過程，并完成實驗，但是實驗室場地往往不夠，學生做實驗只能分批、分時復用實驗設(shè)備，這大大地限制了學生的時間和空間。在非實驗時間卻沒有學生到實驗室現(xiàn)場做實驗，這會使得大量的實驗設(shè)備處于閑置狀態(tài)，從而降低了實驗設(shè)備的利用率。虛擬仿真實驗雖然可以模擬學生現(xiàn)場的實驗情況，可以解決學生的時間和空間受到限制問題，但是虛擬仿真實驗的數(shù)據(jù)并不是真實的實驗數(shù)據(jù)，大多是根據(jù)某種模型或算法來設(shè)計，所以不能完全代替真實的實驗數(shù)據(jù)。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，面向MOOC的遠程實驗也成為當前網(wǎng)絡(luò)實驗研究的熱點，成為未來網(wǎng)絡(luò)實驗發(fā)展的趨勢，面向MOOC的遠程實驗系統(tǒng)能夠較好解決學生實驗教學時間和地點限制問題。同時MOOC教學方式的流行使得更多的學習者希望通過網(wǎng)絡(luò)的方式進行知識的學習，但與硬件相關(guān)的實踐類課程進行MOOC教學還存在一定困難，因為實驗設(shè)備無法像文字內(nèi)容一樣方便地通過網(wǎng)絡(luò)進行傳播和共享。深入研究遠程實驗室系統(tǒng)有著重大實踐價值。另一方面，目前面向網(wǎng)絡(luò)的遠程實驗裝置主要還是以PC機為載體來單獨設(shè)計，這樣的設(shè)計過于臃腫，成本也較高，限制了設(shè)備的大規(guī)模推廣和使用，因此有必要研究開發(fā)新的基于嵌入式技術(shù)的遠程數(shù)字實驗系統(tǒng)來解決這些問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在此提供一種遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺。

本實用新型是這樣實現(xiàn)的，構(gòu)造一種遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，其特征在于，包括客戶端、Internet網(wǎng)絡(luò)、嵌入式處理模塊、視頻采集與壓縮模塊、攝像頭、可程控FPGA實驗板、數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊；所述嵌入式處理模塊包括以ARM處理器為核心的系統(tǒng)板，在ARM處理器為核心的系統(tǒng)板上構(gòu)建Web服務(wù)器、視頻服務(wù)器、實驗服務(wù)器、Jam Player；

所述客戶端通過Internet網(wǎng)絡(luò)與嵌入式處理模塊直接相連；攝像頭與視頻采集與壓縮模塊連接，視頻采集與壓縮模塊通過標準的UVC接口連接嵌入式處理模塊；可程控FPGA實驗板通過JTAG接口與嵌入式處理模塊相連；嵌入式處理模塊一方面連接著Internet網(wǎng)絡(luò)，另一方面還通過RS232串口通信線和數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊相連，嵌入式處理模塊與可程控FPGA實驗板的JTAG接口相通；數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊還與可程控FPGA實驗板相連。

根據(jù)本實用新型所述遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，其特征在于，所述嵌入式處理模塊中系統(tǒng)板上具有大量的高性能硬件資源，主要包括高性能ARM處理器、大容量SDRAM、大容量NAND Flash、Nor Flash、 LED、LCD、按鍵、網(wǎng)口、攝像頭接口、音頻輸入接口、USB接口、串口、AD/DA接口。

根據(jù)本實用新型所述遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，其特征在于，所述可程控的FPGA實驗板包括FPGA核心實驗單板、實驗組態(tài)模式控制模塊、程控信號發(fā)生模塊、第一外圍實驗資源、第二外圍實驗資源；實驗組態(tài)模式控制模塊、程控信號發(fā)生模塊與第一外圍實驗資源直接連接FPGA核心實驗單板；第二外圍實驗資源與實驗組態(tài)模式控制模塊相連；所述數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊與第一外圍實驗資源、第二外圍實驗資源、實驗組態(tài)模式控制模塊、程控信號發(fā)生模塊相連。

根據(jù)本實用新型所述遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，其特征在于，所述可程控 FPGA 實驗板采用 Altera 公司Cyclone II系列FPGA。

根據(jù)本實用新型所述遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，其特征在于，所述實驗組態(tài)模式控制模塊采用Altera 公司的CPLD EPM570T100C5實現(xiàn)。

根據(jù)本實用新型所述遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，其特征在于，所述第一外圍實驗資源包括并行高速AD模塊、并行高速DA模塊、串行AD模塊、串行DA模塊、大容量DRAM芯片、大容量SRAM芯片、FPGA專用配置模塊、液晶顯示模塊、DS1302數(shù)字時鐘模塊、RS232通信模塊。

根據(jù)本實用新型所述遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，其特征在于，所述第二外圍實驗資源包括8位LED數(shù)碼管顯示模塊、紅外通信模塊、PS2通信模塊、USB通信模塊、8位LED燈模塊、VGA顯示模塊、步進電機模塊、DC電機模塊、蜂鳴器模塊、按鍵。

根據(jù)本實用新型所述遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，其特征在于，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊為FPGA實驗板遠程控制的核心模塊，主要功能有：數(shù)據(jù)采集、控制與通信。

本實用新型的優(yōu)點在于：該系統(tǒng)具有集成度高、實時性強、成本低廉的優(yōu)點。具體而言，該系統(tǒng)集實驗教學設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)、實驗教學于一體，很大程度增加了實驗教學資源的利用率。學生可以利用自己的PC機通過網(wǎng)絡(luò)在任何時間、任何地點開展數(shù)字系統(tǒng)實驗設(shè)計，這大大方便了實驗教學。該系統(tǒng)將Web服務(wù)器、實驗服務(wù)器、視頻服務(wù)器全部集中在以ARM為核心處理單元的嵌入式處理模塊，這比通常用PC機作為服務(wù)器的系統(tǒng)更加精簡，成本低廉，同時嵌入式Linux系統(tǒng)本身具有體積小、處理速度快、協(xié)同處理強、實時性高等特點，這也大大增強了該系統(tǒng)的實時性。

本實用新型的最終效果體現(xiàn)在如下：

學生通過連接了網(wǎng)絡(luò)的計算機，遠程上傳自己的實驗設(shè)計，下載和配置數(shù)字系統(tǒng)的實驗平臺，實時操作和控制實驗平臺，同時由攝像頭捕獲的實驗室現(xiàn)場儀器運行情況，并實時動態(tài)地返回攝像監(jiān)控的現(xiàn)象給遠程的實驗者，并且通過數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊傳遞精確的實驗測量數(shù)據(jù)，完成真實的人機交互式數(shù)字實驗全過程。

附圖說明

圖1為遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺結(jié)構(gòu)圖

圖2為可程控FPGA實驗板結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

本實用新型通過改進提供一種遠程數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，包括客戶端、Internet網(wǎng)絡(luò)、嵌入式處理模塊、視頻采集與壓縮模塊、攝像頭、可程控FPGA實驗板、數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊；所述嵌入式處理模塊包括以ARM處理器為核心的系統(tǒng)板，在ARM處理器為核心的系統(tǒng)板上構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)，然后在Linux系統(tǒng)應(yīng)用層構(gòu)建Web服務(wù)器、視頻服務(wù)器、實驗服務(wù)器、Jam Player；客戶端通過Internet網(wǎng)絡(luò)與嵌入式處理模塊直接相連，進而與Web服務(wù)器、視頻服務(wù)器、實驗服務(wù)器相連，攝像頭與視頻采集與壓縮模塊，視頻采集與壓縮模塊通過標準的UVC接口連接嵌入式處理模塊，進而與視頻服務(wù)器相連；可程控FPGA實驗板通過JTAG接口與嵌入式處理模塊相連，進而與Jam Player相通，同時還與嵌入式處理模塊中Web服務(wù)器相通；嵌入式處理模塊中實驗服務(wù)器一方面連接著Internet網(wǎng)絡(luò)，另一方面還通過RS232串口通信線和數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊相連，同時通過Jam Player與可程控FPGA實驗板的JTAG接口相通；數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊和可程控FPGA實驗板相連。

所述的遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，所述嵌入式處理模塊包括硬件部分與軟件部分，所述硬件部分是ARM處理器為核心的系統(tǒng)板，板上包括高性能ARM處理器、大容量SDRAM、大容量NAND Flash、LED、LCD、按鍵、網(wǎng)口、攝像頭接口、音頻輸入接口、USB接口、串口、AD/DA接口等。所述軟件部分是在該系統(tǒng)板上根據(jù)需求構(gòu)建的嵌入式Linux系統(tǒng)，依次向單板燒入Bootloader、Linux內(nèi)核鏡像文件、根文件系統(tǒng)，然后在其運行的嵌入式Linux系統(tǒng)上再構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器、實驗服務(wù)器、視頻服務(wù)器、Jam Player。

所述的遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，所述視頻采集與壓縮模塊用于接收攝像頭拍攝的原始視頻數(shù)據(jù)，板上主要采用ip2970芯片對原始視頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，然后將壓縮后視頻數(shù)據(jù)傳輸給嵌入式處理模塊上構(gòu)建的視頻服務(wù)器，所述攝像頭是符合UVC規(guī)范的攝像頭。

所述的遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，所述可程控的FPGA實驗板包括FPGA核心實驗單板、實驗組態(tài)模式控制模塊、程控信號發(fā)生模塊、第一外圍實驗資源、第二外圍實驗資源；實驗組態(tài)模式控制模塊、程控信號發(fā)生模塊與第一外圍實驗資源直接連接FPGA核心實驗單板；第二外圍實驗資源與實驗組態(tài)模式控制模塊相連；所述數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊與第一外圍實驗資源、第二外圍實驗資源、實驗組態(tài)模式控制模塊、程控信號發(fā)生模塊相連。

所述的遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，所述可程控 FPGA 實驗板采用 Altera 公司Cyclone II系列FPGA。

所述的遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，所述實驗組態(tài)模式控制模塊采用Altera 公司的CPLD EPM570T100C5實現(xiàn)。

所述的遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，所述第一外圍實驗資源包括并行高速AD模塊、并行高速DA模塊、串行AD模塊、串行DA模塊、大容量DRAM芯片、大容量SRAM芯片、FPGA專用配置模塊、液晶顯示模塊、DS1302數(shù)字時鐘模塊、RS232通信模塊。

所述的遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺，所述第二外圍實驗資源包括8位LED數(shù)碼管顯示模塊、紅外通信模塊、PS2通信模塊、USB通信模塊、8位LED燈模塊、VGA顯示模塊、步進電機模塊、DC電機模塊、蜂鳴器模塊、按鍵。

下面進行流程說明，本實驗平臺采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺包括：

客戶端：學生個人的PC機；

嵌入式處理模塊：在其上構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)，在Linux系統(tǒng)應(yīng)用層構(gòu)建Web服務(wù)器、視頻服務(wù)器、實驗服務(wù)器、Jam Player；其中Web服務(wù)器完成對實驗系統(tǒng)供電控制，以及控制實驗服務(wù)器、視頻服務(wù)器安全運行等；視頻服務(wù)器接收客戶端用戶視頻服務(wù)的請求，收到請求后，傳遞攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)到用戶客戶端；實驗服務(wù)器的功能是完成對可程控FPGA實驗板的控制、數(shù)據(jù)采集以及控制Jam Player完成對FPGA的配置；Jam Plyaer的功能是完成對FPGA的JTAG模式的配置。

視頻采集與壓縮模塊：對攝像頭采集的原始視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，然后將壓縮后視頻數(shù)據(jù)傳輸給嵌入式處理模塊中的視頻服務(wù)器。

攝像頭：拍攝實驗設(shè)備的實驗運行現(xiàn)象。

Ineterner網(wǎng)絡(luò)：完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交互。

可程控FPGA實驗板：學生做數(shù)字實驗的實驗平臺，具有豐富的外圍實驗資源以及功能完善的數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制單元。

數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊：主要功能是數(shù)據(jù)采集、控制與通信。

遠程實驗數(shù)字電路與系統(tǒng)實驗平臺可實現(xiàn)學生通過連接Internet網(wǎng)絡(luò)遠程操控實驗室的數(shù)字實驗平臺同時將實驗結(jié)果、測量數(shù)據(jù)等實驗信息實時地返回給遠程操控的實驗者，從而在異地完成真實實驗過程。學生可在實驗室外一臺連接有Internet的PC機（客戶端）上，實時地操控實驗室現(xiàn)場的實驗設(shè)備，由攝像頭拍攝的現(xiàn)場實驗運行現(xiàn)象，并實時地傳遞給遠程操控的實驗者，同時通過數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊傳遞精確的真實實驗數(shù)據(jù)，通過遠程操控實驗儀器進而操作實驗，從而完成真實的人機交互實驗的全過程。

具體的實驗過程如下：

1、學生在個人的計算機上安裝可連接訪問Internet網(wǎng)絡(luò)的瀏覽器。

2、通過瀏覽器登錄訪問嵌入式處理模塊中Web服務(wù)器，并發(fā)出實驗請求，Web服務(wù)器根據(jù)實驗室現(xiàn)場設(shè)備的忙空狀態(tài)，自動分配空閑的實驗設(shè)備，然后控制對應(yīng)的實驗服務(wù)器、視頻服務(wù)器運行，并給可程控 FPGA 實驗板供電。接著等待對應(yīng)的實驗服務(wù)器、視頻服務(wù)器完全正常運行，然后將與客戶端建立并保持通信連接，并實時傳送實驗視頻與實驗數(shù)據(jù)到用戶客戶端。

3、學生將實驗設(shè)計生成的FPGA配置文件上傳至實驗服務(wù)器，然后通過實驗服務(wù)器完成實驗板上FPGA的遠程配置，接著可通過實驗服務(wù)器發(fā)送控制命令直接操作可程控的FPGA實驗板。數(shù)據(jù)監(jiān)測與通信模塊將采集到的AD-DA模擬電壓、被測信號頻率、脈沖寬度、信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率等實驗信息通過實驗服務(wù)器發(fā)送給客戶端，從而學生可遠程實時地操控FPGA實驗平臺，同時也可觀察到FPGA實驗平臺上精確實時的測量數(shù)據(jù)，以及通過實驗視頻觀察現(xiàn)場實驗運行的現(xiàn)象，完成與現(xiàn)場一樣的交互實驗操作。

4、當完成實驗后，學生可通過客戶端向Web服務(wù)器發(fā)送關(guān)機指令，Web服務(wù)器接收到指令后執(zhí)行關(guān)機操作，控制實驗服務(wù)器和視頻服務(wù)器停止運行，當實驗服務(wù)器和視頻服務(wù)器完全停止運行后，自身則進入低功耗休眠待機狀態(tài)，等待著下一次客戶端的實驗請求。

參考圖2所示，所述的可程控FPGA實驗板具有功能強大FPGA核心實驗單板和豐富外圍資源，為學生提供充足的實驗內(nèi)容，主要包括以下幾個部分：

1、FPGA核心實驗單板：該FPGA采用Altera公司Cyclone II系列的超大規(guī)模FPGA，型號為EP2C8F256C6N，F(xiàn)PGA的JTAG接口通過嵌入式處理模塊中Jam Player與實驗服務(wù)器相通。

2、程控信號發(fā)生模塊：該模塊主要產(chǎn)生實驗系統(tǒng)所需要的多種輸入信號，包括8路固定頻率的時鐘信號、1 路步進 1Hz，設(shè)置范圍 1Hz-20MHz 的 DDS 高精度信號源，8路開關(guān)信號等。該模塊的輸出信號可受客戶端遠程控制。

3、實驗組態(tài)模式控制模塊：該模塊主要由Altera公司的CPLD實現(xiàn)，型號為EPM570T100C5，可在遠程客戶端的控制下根據(jù)實驗者需求更改實驗板上的電路工作組態(tài)。不同的工作組態(tài)有不同的的實驗資源硬件連接方式，使用時的實驗資源也不完全相同，從而使得實驗平臺變得更加靈活多變。

4、第一外圍實驗資源。這一部分實驗資源與FPGA核心實驗單板在硬件上直接相連。主要包括并行高速AD模塊、并行高速DA模塊、串行AD模塊、串行DA模塊、大容量DRAM芯片、大容量SRAM芯片、FPGA專用配置模塊、液晶顯示模塊、DS1302數(shù)字時鐘模塊、RS232通信模塊。

5、第二外圍實驗資源。這一部分實驗資源受到實驗組態(tài)模式控制模塊控制，可以通過更改組態(tài)模式變換硬件連接關(guān)系以及選擇不同的實驗資源接入到FPGA核心實驗單板。主要包括：8位LED數(shù)碼管顯示模塊、紅外通信模塊、PS2通信模塊、USB通信模塊、8位LED燈模塊、VGA顯示模塊、步進電機模塊、DC電機模塊、蜂鳴器模塊、按鍵。

6、數(shù)據(jù)監(jiān)測控制與通信模塊。該模塊為FPGA實驗板遠程控制的核心模塊。主要功能有：數(shù)據(jù)采集、控制與通信。第一、數(shù)據(jù)采集。由于是遠程操控無法到實驗室現(xiàn)場進行測量，因此該模塊需要對實驗中需要測試的實驗信息進行測試。第二、控制。該模塊接收遠程客戶端通過嵌入式處理模塊中的實驗服務(wù)器發(fā)送過來的控制命令并實時產(chǎn)生控制操作，以此來模擬遠程實驗者的本地現(xiàn)場操作。主要的遠程操作有FPGA配置、實驗模式轉(zhuǎn)換、信號設(shè)置、開關(guān)控制等。第三、通信。與嵌入式處理模塊通過RS232接口連接，進而與實驗服務(wù)器相通，將FPGA實驗板上采集到的各類實時測量數(shù)據(jù)通過實驗服務(wù)器傳送給客戶端，同時也接收實驗服務(wù)器發(fā)送的客戶端控制命令，并實時執(zhí)行。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。