一种远程数字电子技术实验系统的制作方法

1.本发明涉及电子技术领域。


背景技术：

2.在传统的数字电子技术实验中，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，而且设备损坏大，维修成本高。另外由于师资不足，学生在非实验时间不能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。
3.利用计算机仿真软件搭建仿真电路，调用虚拟仪器进行实验操作，只是模拟实际硬件的理想工作状态，没有硬件参与；或者远程采集硬件的数据，然后在仿真软件中使用采集的数据，分析实验现象及作出实验结论；亦或通过远程控制继电器开关，改变硬件电路连线实现真正意义上的远程实验操作。完全利用计算机仿真软件仅仅从理想情况及原理上分析实验结果，没有考虑实际硬件的兼容等问题。通过采集硬件数据并用于仿真软件中，容易忽略时序和延时等问题。控制继电器改变硬件线路，可以实现远程硬件操作，但电路复杂，功能有限，不利于功能扩展和升级。


技术实现要素：

4.为了解决现有实现远程实验的方法存在的上述问题，本发明提供了一种远程数字电子技术实验系统。
5.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种远程数字电子技术实验系统，包括用户端和实验室硬件平台，用户端包括用于运行试验系统的pc机和用于远程查看硬件平台的外设监控系统，外设监控系统连接pc机；实验室硬件平台包括控制板卡和数字系统实验板卡，控制板卡通过背板接口电路连接数字系统实验板卡的背板连接器，控制板卡的zynq主控器通过以太网接口连接用户端，zynq主控器设有摄像头接口、调试接口电路和存储器电路，zynq主控器连接测量显示模块、摄像头接口和远程i/o接口，远程i/o接口连接数字系统实验板卡的电源模块；数字系统实验板卡的背板连接器连接芯片模块、逻辑状态显示模块和逻辑电平及脉冲输入模块；用户端的pc机通过以太网接口连接控制板卡的zynq主控器，用户端通过控制板卡的以太网接口实现与硬件平台的数据交互，用户端的外设监控系统通过控制板卡的摄像头接口电路实现实验现象和电源的监控，将用户端的外设监控系统通过远程i/o接口控制数字系统实验板卡电源，相反通过网络传输，将摄像头接口电路监视的测量显示波形和逻辑状态显示内容传回用户端的外设监控系统。
6.所述zynq主控器连接对控制板卡进行调试的调试接口电路和用于存储数据的存
储器电路。
7.本发明的远程数字电子技术实验系统，用户端的实验搭建系统可以形象地、生动地再现实验内容，并真实可靠传递硬件平台电路的连线关系，达到远程实时地、真实地对数字电子技术实验进行操作。
附图说明
8.图1是本发明远程数字电子技术实验系统原理图。
具体实施方式
9.本发明的远程数字电子技术实验系统拓扑结构参见图1，包括用户端和硬件平台，两者通过以太网连接，实现远程数据传输，通过路由器可以构建多用户和多硬件平台的云端数字电子技术实验室。用户端通过本地pc机运行实验搭建系统，搭建数字电子技术实验项目，将数据通过网络传输到硬件平台，通过本地pc机运行外设监控系统，可以远程实时观看硬件平台中数字系统实验板卡上逻辑状态显示模块显示的内容，并观看控制板卡上测量显示的内容，验证实验项目的实验结果。通过本地pc机运行外设监控系统，可以远程控制数字系统实验板卡电源。硬件平台包括控制板卡和数字系统实验板卡，两者通过背板连接器和远程io接口连接，数字系统实验板卡包括背板连接器、逻辑状态显示模块、芯片模块、逻辑电平及脉冲输入模块和电源模块。控制板卡包括zynq主控器、以太网接口、摄像头接口、调试接口电路、存储器电路、测量显示模块、背板接口电路和远程i/o接口。zynq主控器包括软件程序可编程的ps部分和硬件逻辑可编程的pl部分，ps部分嵌入了arm9双硬核处理器、ddr controller控制器，以及一些mio接口，通过配置各接口实现以太网连接、摄像头连接、调试电路设计、存储器控制等；pl部分为硬件逻辑可编程部分，通过axi4总线与zynq主控器的ps部分进行数据交换，pl部分有许多emio接口，通过硬件描述语言(hdl)对emio进行扩展i/o设计，一方面实现逻辑电平及脉冲输入区到芯片区的芯片输入端以及芯片区的芯片输出端到逻辑状态显示区的可配置连接，实现不同数字电子技术实验操作；一方面将数字系统板卡的逻辑输出通过zynq相关硬件及ip核进行测量显示；另一方面通过配置远程i/o接口，通过继电器控制电源模块电源。
10.关于工作原理和工作过程的示例：硬件平台中控制板卡的zynq主控器采用xilinx公司的现场可编程门阵列(fpga)器件，可以实现软硬件协同设计。zynq主控器包括软件可编程的ps部分和硬件逻辑可编程的pl部分，ps部分通过内部axi4总线读写pl部分。ps部分嵌入arm9双硬核，移植实时嵌入式操作系统。ps部分具有ddr controller控制器，连接外部存储器电路，用于存储操作系统启动程序、嵌入式文件系统、数据存储及输出显示使用等，ps部分具有许多mio接口，通过配置可以实现相应的常用接口电路，配置1路enet连接外部以太网接口，实现与登录用户的网路数据传输；配置摄像头接口电路，实现登录用户的外设监控系统对实验现象和电源的监视；配置调试接口电路，实现对控制板卡的调试及系统升级等功能。pl部分采用硬件描述语言(hdl)设计背板接口电路，与数字系统实验板卡的背板连接器相连；通过硬件描述语言描述数字系统实验板卡中逻辑电平及脉冲输入区与芯片区的输入端口的连接关系及路径配置；描述数字系统实验板卡中芯片区的输出端口与逻辑状态显示区的连接关系及路径配置。pl部分采用硬件描述语言调用ip核设计测量显示电路，
对芯片区的输入输出端口进行信号调试及波形显示等。pl部分采用硬件描述语言设计远程i/o接口，控制继电器开关，实现对远程数字系统实验板卡电源区电源控制。在ps部分移植的嵌入式操作系统下开发以太网接口驱动程序、摄像头接口驱动程序和调试接口电路驱动程序，开发多线程应用程序。将用户端中实验搭建系统中的数据传输到应用程序一个线程，通过axi4总线传递给pl部分，实现对实验搭建系统中的实验项目进行对应的硬件线路配置，改变数字系统实验板卡中逻辑电平及脉冲输入区与芯片区以及逻辑状态显示区的连接关系，从而实现远程数字电子技术实验操作，同时对实验项目的数据进行测量显示，验证和调试实验项目。将用户中外设监控系统中的数据传输到应用程序的另一线程，通过远程i/o接口，控制数字系统实验板卡电源，相反通过网络传输，将摄像头接口监视的测量显示波形和逻辑状态显示区内容传回用户的外设监控系统。
11.该实验系统控制板卡采用zynq主控器进行软硬件协同设计，便于功能扩展，缩短开发时间，降低维护和升级成本；采用zynq作为主控器，软硬件均可编程，且保密性好，可靠性高，采用嵌入式操作系统将实验项目信息传输给硬件可编程pl部分，实现硬件电路的选择性连线，灵活实现多种实验项目；采用硬件描述语言(hdl)设计硬件电路连线逻辑及配置，实现硬件功能电路的并行运行，真正达到远程实时操作实验项目；采用zynq作为主控器，通过调用ip核实现对实验项目的测量显示，取代示波器等测试仪器，方便调试，集成度高，抗干扰，测量可靠；用户的外设监控系统便于实时对数字电子技术实验项目的操作与调试；用户的实验搭建系统形象地、生动地再现实验内容，并真实可靠传递硬件平台电路的连线关系，达到远程实时地、真实地对数字电子技术实验进行操作；将控制板卡与数字系统实验板卡分开设计，可以灵活配置为本地和远程两种实验方式，也可以通过网络路由器实现远程多登录用户和多硬件平台的访问，构建云端数字电子技术实验室。
12.本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。