CN106850753A - 一种远程硬件实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及软硬件实验平台领域，具体为一种远程硬件实验系统，其能够大大降低实验教学、项目研发等成本，提高软硬件开发效率，其包括客户端、服务器模块和硬件实验设备，服务器模块包括WEB资源管理服务器、IDE服务器和实验设备服务器；客户端，用于提供实验页面，接收用户的实验信息并发送给WEB资源管理服务器，对实验进行管理，实验页面包括实验申请页面、实验操作页面，用户在实验申请页面提出申请，在实验操作页面完成实验操作并显示实验结果，WEB资源管理服务器，接收客户端发出的实验信息，向实验设备服务器和IDE服务器发送实验请求，接收硬件实验设备的实验结果和IDE服务器的回传结果，并送回至客户端。
Description
技术领域
本发明涉及软硬件实验平台领域，具体为一种远程硬件实验系统。
背景技术
传统 FPGA 产品开发时要经历开发评估电路板、验证算法、制作产品原型、产品定型等操作，需要投入大量资金并需要专业人员现场对硬件设备、软件程序进行调试，特别是在教师和学生实验教学、科研项目研发中，使用传统的实验平台效率低，成本高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种远程硬件实验系统，其能够大大降低实验教学、项目研发等成本，提高软硬件开发效率。
其技术方案是这样的：一种远程硬件实验系统，其特征在于，其包括客户端、服务器模块和硬件实验设备，所述服务器模块包括WEB资源管理服务器、IDE服务器和实验设备服务器；
所述客户端，用于提供实验页面，接收用户的实验信息并发送给所述WEB资源管理服务器，对实验进行管理，所述实验页面包括实验申请页面、实验操作页面，用户在实验申请页面提出申请，在实验操作页面完成实验操作并显示实验结果，
所述WEB资源管理服务器，接收客户端发出的实验信息，向所述实验设备服务器和所述IDE服务器发送实验请求，接收硬件实验设备的实验结果和所述IDE服务器的回传结果，并送回至客户端；
所述实验设备服务器，接收所述WEB资源管理服务器的实验请求，根据上述实验请求给用户分配所述硬件实验设备；
所述IDE服务器，接收所述WEB资源管理服务器的实验请求，根据上述实验请求提供对应的集成开发环境和软件开发工具，使用的软件程序结果回传给所述WEB资源管理服务器；
所述硬件实验设备，接收所述实验设备服务器的实验请求并根据提供的集成开发环境和软件开发工具完成实验操作，得到的实验结果发送给所述WEB资源管理服务器。
其进一步特征在于，所述硬件实验设备包括实验机箱，所述实验机箱内设置有硬件实验节点，每个所述硬件实验节点至少包括一块核心电路板、DDR存储器和网卡，所述核心电路板上设置有FPGA SOC芯片；
所述硬件实验节点还设置有IO电路板，所述IO电路板上设置有传感器模块、显示模块、外设模块和存储器模块，所述传感器模块包括超声波传感器、温度湿度传感器、图像传感器和振动传感器，所述显示模块包括七段码显示、LED点阵显示和TFT显示屏，所述外设模块包括步进电机控制板和步进电机；
所述实验设备服务器包括接收模块、处理模块，所述接收模块用于接收所述WEB资源管理服务器的实验请求，所述处理模块根据实验请求分配对应的硬件实验设备给用户使用；
所述IDE服务器均包括接收模块、处理模块和传输模块，所述接收模块用于接收所述WEB资源管理服务器的实验请求，所述处理模块根据实验请求计算出需要使用集成开发环境和软件开发工具，所述传输模块将使用的软件程序结果回传给所述WEB资源管理服务器；
所述实验页面还包括硬件管理页面、课程实验管理页面和系统管理页面，所述硬件管理页面对所有的硬件实验设备进行管理，并对其进行启动、关闭、诊断、修复和调度；所述课程实验管理页面对用户已申请、正在进行或者已经完成的实验进行管理；所述系统管理页面对用户的身份、权限、活动进行管理，对实验开设情况和效果、硬件设备运行情况、维护情况在内的与系统相关的状态进行监控；
所述WEB资源管理服务器包括接收模块、处理模块、传输模块、数据服务模块、视频监控模块和文件系统服务模块；所述接收模块是用于接收客户端发出的实验信息，包括IO实时监控的输入信息、终端命令行的输入信息、单步时钟复位的输入信息、多步运行输入信息、IO信号设置信息、强制释放节点请求信息、释放节点请求信息等客户端发出的信息；所述处理模块是用于处理客户端发出的数据处理、所述实验设备服务器返回的数据处理和所述IDE服务器返回的数据处理；所述传输模块是用于发送客户端的实验结果信息，包括IO实时监控的输出信息、IO实时记录的结果信息、终端命令行的反馈信息、单步时钟复位的状态信息、多步运行状态信息、IO信号设置的状态信息、强制释放节点状态信息、释放节点状态信息等结果反馈信息；所述数据服务模块是用来查询、添加、删除、修改和更新所述处理模块的数据信息；所述视频监控服务模块是用来远程监控和观察教学板状态变化的实时监控视频；所述文件系统服务模块是用来存放所述接收模块、所述处理模块、所述传输模块产生的文件；
所述WEB资源管理服务器，接收客户端发出的实验信息，向所述实验设备服务器和所述IDE服务器发送实验请求，接收硬件实验设备的实验结果和所述IDE服务器的回传结果，并送回至客户端。
采用本发明的系统后，用户无需现场进行操作，通过远程登录WEB资源管理服务器即可进行实验开发，大大降低了实验教学、项目研发等成本，得到的结果可以及时反馈至WEB资源管理服务器，提高了软硬件开发效率。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为本发明运行流程示意图；
图3为用户访问课程具体流程示意图
图4为开发程序流程示意图；
图5为做硬件实验流程示意图。
具体实施方式
见图1所示，一种远程硬件实验系统，其包括客户端、服务器模块和硬件实验设备，服务器模块包括WEB资源管理服务器、IDE服务器和实验设备服务器；
客户端，用于提供实验页面，接收用户的实验信息并发送给WEB资源管理服务器，对实验进行管理，实验页面包括实验申请页面、实验操作页面、硬件管理页面、课程实验管理页面和系统管理页面，用户在实验申请页面提出申请，在实验操作页面完成实验操作并显示实验结果，硬件管理页面对所有的硬件实验设备进行管理，并对其进行启动、关闭、诊断、修复和调度；课程实验管理页面对用户已申请、正在进行或者已经完成的实验进行管理；系统管理页面分为用户管理和管理员管理，用户管理为个人中心，对用户自己的实验课程进行管理监控，管理员管理对用户的身份、权限、活动进行管理，对实验开设情况和效果、硬件设备运行情况、维护情况在内的与系统相关的状态进行监控；
WEB资源管理服务器，接收客户端发出的实验信息，向实验设备服务器和IDE服务器发送实验请求，接收硬件实验设备的实验结果和IDE服务器的回传结果，并送回至客户端；
实验设备服务器，接收WEB资源管理服务器的实验请求，根据上述实验请求给用户分配硬件实验设备；
IDE服务器，接收WEB资源管理服务器的实验请求，根据上述实验请求提供对应的集成开发环境和软件开发工具，使用的软件程序结果回传给WEB资源管理服务器；
硬件实验设备，接收实验设备服务器的实验请求并根据提供的集成开发环境和软件开发工具完成实验操作，得到的实验结果发送给WEB资源管理服务器。硬件实验设备包括实验机箱，实验机箱内设置有硬件实验节点，每个硬件实验节点至少包括一块核心电路板、DDR存储器和网卡，核心电路板上设置有FPGA SOC芯片；硬件实验节点还设置有IO电路板，IO电路板上设置有传感器模块、显示模块、外设模块和存储器模块，传感器模块包括超声波传感器、温度湿度传感器、图像传感器和振动传感器，显示模块包括七段码显示、LED点阵显示和TFT显示屏，外设模块包括步进电机控制板和步进电机。
实验设备服务器包括接收模块、处理模块，接收模块用于接收WEB资源管理服务器的实验请求，处理模块根据实验请求分配对应的硬件实验设备给用户使用；
IDE服务器均包括接收模块、处理模块和传输模块，接收模块用于接收WEB资源管理服务器的实验请求，处理模块根据实验请求计算出需要使用集成开发环境和软件开发工具，传输模块将使用的软件程序结果回传给WEB资源管理服务器；
WEB资源管理服务器包括接收模块、处理模块、传输模块、数据服务模块、视频监控模块和文件系统服务模块；接收模块是用于接受客户端发出的实验信息，包括IO实时监控的输入信息、终端命令行的输入信息、单步时钟复位的输入信息、多步运行输入信息、IO信号设置信息、强制释放节点请求信息、释放节点请求信息等客户端发出的信息；处理模块是用于处理客户端发出的数据处理、实验设备服务器返回的数据处理和IDE服务器返回的数据处理；传输模块是用于发送客户端的实验结果信息，包括IO实时监控的输出信息、IO实时记录的结果信息、终端命令行的反馈信息、单步时钟复位的状态信息、多步运行状态信息、IO信号设置的状态信息、强制释放节点状态信息、释放节点状态信息等结果反馈信息；数据服务模块是用来查询、添加、删除、修改和更新处理模块的数据信息；视频监控服务模块是用来远程监控和观察教学板状态变化的实时监控视频；文件系统服务模块是用来存放接收模块、处理模块、传输模块产生的文件。
见图2，图3所示，用户在开发项目时，先在客户端远程登录WEB资源服务器，选择需要的实验设备和开发工具并提出申请，上述申请通过WEB资源服务器发给对应的实验设备服务器和IDE服务器，设备服务器将空闲的某个硬件实验设备分配给用户使用，IDE服务器提供给用户需要的开发环境和开发工具并获取虚拟机，在虚拟机上开发程序配合硬件实验设备做硬件实验，产生的实验结果将传回至WEB资源服务器，用户可以随时查看，运行的程序也回传给WEB资源服务器。我们采用Vivado云端服务器作为IDE服务器。
见图4所示，开发程序具体包括以下步骤：启动Vivado开发工具→进入实验具体开发→完成开发，生成文件→上传结果到WEB资源服务器。
见图5所示，做硬件实验包括以下步骤：IO设置→上传比特流→配置比特流到FPGA→进行IO触发→查看IO运行记录。
IO设置的目的是为了用户调试方便，允许用户将实验界面的IO所显示的名字与FPGA内部用户设计的逻辑命名设为一样的。用户可以根据自己的实验逻辑选择IO管脚的触发方式：组合逻辑和时序逻辑。IO运行记录主要提供了带时钟周期数的IO信号的变化。
用户进行实验可以选择WEB资源服务器上的实验课程，也可以自行设计实验课程，以选择WEB资源服务器上的实验课程为例具体说明，具体步骤如下：
1.选择具体的实验课程，准备实验需要的文件：
1.1 下载实验指导
实验指导是针对每个实验提供的指导文档，可以了解该实验的要求及相关资料的信息。
1.2 下载实验支撑包
实验支撑包是本发明系统提供的支撑用户使用云端FPGA硬件的与实验内容无关的基础支撑包，用来负责监测FPGA中的用户逻辑并与Web前端通信。实验支撑包是用户使用EDA软件（Vivado）进行开发时需要调用的。
用户在使用时有两种可能方式，将导致下载操作有所不同：
用户本机安装所需的Vivado等EDA软件进行开发，只在运行和验证阶段登录使用 FPGA云平台 ：需要将实验支撑包下载到本机。
用户本机不安装EDA软件，登录本发明系统使用开发工具服务器进行开发，并在运行和验证阶段使用 FPGA云平台 ：需要将实验支撑包下载到开发工具云服务器，用户可进入开发工具云服务器后再度登录到该页面进行下载。
1.3 下载实验资料
实验资料包含了完成本实验所需的资源库（如器件库）或参考实现。
提供源代码的资料 ：需要在EDA软件的安装和使用位置（本机或云服务器）进行下载。
提供可执行文件的资料：直接以可执行文件形式提供的参考实现，则可以下载到本机，供后续到FPGA硬件上验证用。
1.4 准备其他所需文件
除了上述提供或开课老师提供的实验资源外，用户还可以自己准备其他所需的文件。如果用户需要使用开发工具服务器上的开发工具，需要提前将所需的其他文件上传到个人中心。
2. 申请实验开发工具（可选）
用户在需要实验开发时，如果本机没有安装所需的开发工具（如Vivado等EDA软件），可参考下面的步骤。
2.1 申请云上的开发工具流程
点击实验开发工具，申请使用安装在开发工具云服务器上的相应EDA软件，点击申请后，进入OpenHEC开发工具云服务器。
2.2下载实验支撑包及实验资料
由于需要在OpenHEC开发工具云服务器中使用Vivado等工具，用户需要在此处重新登录客户端进入本实验课程所在页面下载实验支撑包及实验资料备用。
2.3 到个人中心下载其他文件
其他所需的文件可以进入个人中心下载。
2.4 启动Vivado开发工具
打开LXTerminal，输入相应的命令，启动需要的开发工具软件。
输入 ./startvivado.sh ,启动Vivado.
输入 ./startvivado_hls.sh ,启动Vivado HLS；
输入 ./startxsdk.sh ,启动Xilinx SDK。
3. 进入实验具体开发
无论在本机还是在开发工具云服务器进行开发，此时都可以进入具体开发阶段了。
4. 完成开发，生成可执行文件
Vivado开发完成后会生成可下载到FPGA中的可执行文件（bit文件）。
如果在开发工具云服务器上完成开发，生成的bit文件需要上传到个人空间，因为虚拟机退出后不保存任何个人文件。另外，为了缩短虚拟机使用时间（节约机时费），建议开发完成并上传结果到个人空间后及时退出虚拟机，而不要在虚拟机内直接申请FPGA硬件节点。
如果在本机完成开发，则可直接进入下一步。
5. 在FPGA上验证结果
到这一步，用户就可以部署在云端的FPGA硬件上验证所生成的bit文件了。
5.1 申请FPGA节点
成功申请到节点后，便可以进入实验操作主界面。
5.2 IO设置
IO设置的目的是为了用户调试方便，允许用户将实验界面的IO所显示的名字与FPGA内部用户设计的逻辑命名设为一样的。
5.3 上传比特流或其他测试文件（可选）
最终生成的bit文件在本机上： 在配置到云端的FPGA中之前, 首先要上传到WEB资源管理服务器，可以上传FPGA bit文件、ARM可执行程序以及测试文件等。 最终bit文件在IDE服务器生成且已上传到个人中心：直接进入下一步。
5.4配置比特流到FPGA
5.5 IO实时监控
用户可以根据自己的实验逻辑选择IO管脚的触发方式：组合逻辑和时序逻辑。
5.6 IO运行记录
IO运行记录主要提供了带时钟周期数的IO信号的变化。
Claims (8)
1.一种远程硬件实验系统，其特征在于，其包括客户端、服务器模块和硬件实验设备，所述服务器模块包括WEB资源管理服务器、IDE服务器和实验设备服务器；
所述客户端，用于提供实验页面，接收用户的实验信息并发送给所述WEB资源管理服务器，对实验进行管理，所述实验页面包括实验申请页面、实验操作页面，用户在实验申请页面提出申请，在实验操作页面完成实验操作并显示实验结果，
所述WEB资源管理服务器，接收客户端发出的实验信息，向所述实验设备服务器和所述IDE服务器发送实验请求，接收硬件实验设备的实验结果和所述IDE服务器的回传结果，并送回至客户端；
所述实验设备服务器，接收所述WEB资源管理服务器的实验请求，根据上述实验请求给用户分配所述硬件实验设备；
所述IDE服务器，接收所述WEB资源管理服务器的实验请求，根据上述实验请求提供对应的集成开发环境和软件开发工具，使用的软件程序结果回传给所述WEB资源管理服务器；
所述硬件实验设备，接收所述实验设备服务器的实验请求并根据提供的集成开发环境和软件开发工具完成实验操作，得到的实验结果发送给所述WEB资源管理服务器。
2.根据权利要求1所述的一种远程硬件实验系统，其特征在于，所述硬件实验设备包括实验机箱，所述实验机箱内设置有硬件实验节点，每个所述硬件实验节点至少包括一块核心电路板、DDR存储器和网卡，所述核心电路板上设置有FPGA SOC芯片。
3.根据权利要求1所述的一种远程硬件实验系统，其特征在于，所述硬件实验节点还设置有IO电路板，所述IO电路板上设置有传感器模块、显示模块、外设模块和存储器模块，所述传感器模块包括超声波传感器、温度湿度传感器、图像传感器和振动传感器，所述显示模块包括七段码显示、LED点阵显示和TFT显示屏，所述外设模块包括步进电机控制板和步进电机。
4.根据权利要求1所述的一种远程硬件实验系统，其特征在于，所述实验设备服务器包括接收模块、处理模块，所述接收模块用于接收所述WEB资源管理服务器的实验请求，所述处理模块根据实验请求分配对应的硬件实验设备给用户使用。
5.根据权利要求1所述的一种远程硬件实验系统，其特征在于，所述IDE服务器均包括接收模块、处理模块和传输模块，所述接收模块用于接收所述WEB资源管理服务器的实验请求，所述处理模块根据实验请求计算出需要使用集成开发环境和软件开发工具，所述传输模块将使用的软件程序结果回传给所述WEB资源管理服务器。
6.根据权利要求1所述的一种远程硬件实验系统，其特征在于，所述实验页面还包括硬件管理页面、课程实验管理页面和系统管理页面，所述硬件管理页面对所有的硬件实验设备进行管理，并对其进行启动、关闭、诊断、修复和调度；所述课程实验管理页面对用户已申请、正在进行或者已经完成的实验进行管理；所述系统管理页面对用户的身份、权限、活动进行管理，对实验开设情况和效果、硬件设备运行情况、维护情况在内的与系统相关的状态进行监控。
7.根据权利要求1所述的一种远程硬件实验系统，其特征在于，所述WEB资源管理服务器包括接收模块、处理模块、传输模块、数据服务模块、视频监控模块和文件系统服务模块；所述接收模块是用于接收客户端发出的实验信息，包括IO实时监控的输入信息、终端命令行的输入信息、单步时钟复位的输入信息、多步运行输入信息、IO信号设置信息、强制释放节点请求信息、释放节点请求信息等客户端发出的信息；所述处理模块是用于处理客户端发出的数据处理、所述实验设备服务器返回的数据处理和所述IDE服务器返回的数据处理；所述传输模块是用于发送客户端的实验结果信息，包括IO实时监控的输出信息、IO实时记录的结果信息、终端命令行的反馈信息、单步时钟复位的状态信息、多步运行状态信息、IO信号设置的状态信息、强制释放节点状态信息、释放节点状态信息等结果反馈信息；所述数据服务模块是用来查询、添加、删除、修改和更新所述处理模块的数据信息；所述视频监控服务模块是用来远程监控和观察教学板状态变化的实时监控视频；所述文件系统服务模块是用来存放所述接收模块、所述处理模块、所述传输模块产生的文件。
8.根据权利要求1所述的一种远程硬件实验系统，其特征在于，所述WEB资源管理服务器，接收客户端发出的实验信息，向所述实验设备服务器和所述IDE服务器发送实验请求，接收硬件实验设备的实验结果和所述IDE服务器的回传结果，并送回至客户端。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170613 |