CN112055045A - 基于远程控制的网络虚拟实验室系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于远程控制的网络虚拟实验室系统，该系统包括用户端和服务端，所述用户端接收用户的登录请求，以使所述服务端在接收到所述登录信息后分配板卡，所述板卡网络连接所述服务端；所述用户端接收用户的操作指令，确定所述当前用户端已经被分配板卡，以使所述服务端在接收到所述操作指令后对所述硬件板卡进行对应的操作，产生相应的实验结果；所述用户端接收所述服务端返回的所述实验结果，以进行实验结果的展示，该系统将原本应该在实验室进行操作的硬件实验迁移至网络上，使得用户可以随时随地进行硬件实验，打破了做硬件实验的时间和空间的限制。

Description

基于远程控制的网络虚拟实验室系统

技术领域

本发明涉及网络教育领域，尤其涉及一种基于远程控制的网络虚拟实验室系统。

背景技术

远程教育与传统教育相比，不仅能够充分利用教育资源，使某一学科的先进的教育方法和优越的实验条件被广泛使用的特点，而且具有较高的灵活性，不再受限于传统教育的面对面统一教学模式的限制，从而可以节约大量的基础设施建设的重复投资。

尤其在一些需要实验设备进行学员动手能力的课程中，在传统教育中，是需要购置实验设备，建立实验场所，供学员在指定的实验场所操作实验设备，以获取相应的实验结果。

现有的远程实验模拟平台根据功能不同可以分为软件共享网络虚拟实验室（全模拟）和仪器共享网络虚拟实验室，在软件共享网络虚拟实验室中,服务端共享本地的虚拟实验室模拟软件平台,接受客户端发送的实验请求,分析和处理实验参数,经过计算模拟最终将结果返回客户端。整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备,只是利用软件模拟实验的过程。而仪器共享网络虚拟实验室的服务端同样接受客户端的实验请求和实验参数, 使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备,由实验仪器硬件设备进行实验,并将实验结果返回服务端,最后返回到用户端,实现实验仪器和实验数据的共享。

现有技术中的相关远程实验模拟平台都具有一定的局限性，比如软件共享网络虚拟实验室无法进行对实验仪器的硬件设备进行控制操作的实验，而仪器共享网络虚拟实验室可以对实验仪器的硬件设备进行常规操作，且这些常规操作是预先设置好的实验步骤和操作命令，但无法对硬件设备进行控制，具有局限性。

发明内容

为此，本发明提供一种基于远程控制的网络虚拟实验室系统，解决了做硬件实验具有时间或是空间局限性的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于远程控制的网络虚拟实验室系统，包括：用户端和服务端，所述用户端接收用户的登录请求，以使所述服务端在接收到所述登录信息后分配硬件板卡，所述硬件板卡网络连接所述服务端；所述用户端接收用户的操作指令，确定所述当前用户端已经被分配硬件板卡，以使所述服务端在接收到所述操作指令后对所述硬件板卡进行对应的操作，产生相应的实验结果；所述用户端接收所述服务端返回的所述实验结果所述用户端，以进行实验结果的展示。

进一步地，该系统还包括本地数据库；所述本地数据库存储有多个注册用户名和用户密码，若当前用户的登录用户名不在所述数据库中，则重建所述登录用户名并存储，以使服务端为所述当前用户分配闲置硬件板卡，所述本地数据库和用户端连接，所述云端数据和所述服务端连接；接收用户配置的配置指令或功能指令，将所述配置指令或所述功能指令传输至服务端，以使所述服务端根据所述指令控制所述硬件板卡。

进一步地，该系统还包括云端数据库，所述云端数据和所述服务端连接；

当接收到用户的配置指令或功能指令时，所述配置指令和所述功能指令均设置在所述云端数据库内，以使服务端根据所述配置指令和所述功能指令对所述硬件板卡进行配置，以实现用户对所述硬件板卡的可编程控制。

进一步地，所述硬件板卡包括ARM控制器,所述ARM控制器与所述服务端连接，用以执行所述操作指令；以及FPGA电路板, 与所述ARM控制器连接，用以在所述ARM控制器的控制下执行相关实验。

进一步地，所述服务端在接收到所述登录信息后分配硬件板卡包括：依次轮询所有硬件板卡的使用状态，若有处于空闲状态的所述硬件板卡，则直接分配；若轮询所有硬件板卡之后，所有的所述硬件板卡均处于使用状态，则反馈给所述用户端，所有的硬件板卡均为使用状态，建议等待。

进一步地，该系统还包括硬件板卡箱，所述硬件板卡通过所述硬件板卡箱连接网络接入所述服务端。

进一步地，所述客户端包括网页窗口，所述网页窗口包括至少一层子页面，所述网页窗口用以创建待烧写文件，所述待烧写文件用以对所述硬件板卡进行硬件配置；所述烧写文件中包括至少一个与所述硬件板卡连接的外设单元设备，所述子页面用以展示所述外设单元设备的内部逻辑架构。

进一步地，所述用户端包括远程用户端和教学端；所述远程用户端通过无线网和所述服务端连接，用以远程进行实验；所述教学端通过所述无线网或所述局域网与所述服务端连接，所述教学端用以在所述服务端的云端数据库上传教学视频，以供所述远程用户端的用户进行观看学习。

进一步地，所述用户端还包括局域网用户；所述局域网用户通过局域网与所述服务端连接，用以在局域网内进行实验。

进一步地，该系统还包括接入设备，所述硬件板卡安装在所述接入设备中，所述接入设备包括多个接口，用以接入多个所述硬件板卡。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，将原本应该在实验室进行操作的硬件实验所需的板卡以及所需的元器件迁移至客户端和服务端网络上，使得用户在登录客户端后就可以获取到相应的元器件和板卡等，进而用户可以随时随地进行硬件实验，打破了做硬件实验的时间和空间的限制。

本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，通过本地上传设计文件，服务器端下载设计文件后对硬件板卡进行烧写，命令文件或是操作文件需要在电路板的输出接口体现，然后通过读取输出端口的数字状态，将用户输入的命令或是操作实时回传至服务器上的板卡，以实现对板卡的实时操作。

本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，不但解决了远程进行硬件实验的可能，而且对进行硬件式样的用户进行统一管理，完成对每个用户硬件实验水平的能力测试，并且在实验过程中，用户通过客户端控制硬件板卡，并且通过客户端上设置的探针工具可以获取应用在硬件板卡上的元器件的内部设计，探针工具通过层设计的方式，在子页面对元器件的内部构造进行了展示，因此学生对硬件实验的整体具有宏观的把握，对于实验的理解以及对硬件元器件的功能和结构具有更深入的了解。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，图1为本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统的结构示意图，该基于远程控制的网络虚拟实验室系统，包括用户端100和服务端200，用户端100接收用户的登录请求，以使服务端300在接收到登录请求之后为用户端100分配硬件板卡300，硬件板卡300通过网络与服务端200连接；用户在本地用户端创建设计工程，即用户在用户端100页面绘制实验电路模型，也可以在本地直接导入实验电路模型，实验电路模型中所需要的模拟硬件结构均预先存储在本地数据库400内，在本地数据库内还存储有多个注册用户名和用户密码，在每一个用户在登录用户端时，都需要进行用户名和密码的验证，具体而言，当用户输入用户名和密码后，用户端需要根据本地数据库400中存储的数据进行比对，若用户输入的用户名和密码已经存储在本地数据库400中，则用户可以直接登录成功，跳转至远程主页面，若当前用户在登录用户端100时，其用户名和密码不再本地数据库400中，存在两种处理方法，一种处理方式为通过验证码进行登录，但是有登录时长的限制，另一种处理方式是将首次登录的用户名和密码直接增加至本地数据库内，便于用户再次登录使用，但是第一次使用也是有时间限制的。但是在实际应用中，由于本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统是针对学生的，学生的总数是预先可获取的，因此可以预先将所有学生的用户名和密码进行存储，以便学生在登录时可以登录成功，进行硬件实验。

本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，将原本应该在实验室进行操作的硬件实验所需的板卡以及所需的元器件迁移至客户端和服务端网络上，使得用户在登录客户端后就可以获取到相应的元器件和板卡等，进而用户可以随时随地进行硬件实验，打破了做硬件实验的时间和空间的限制。

具体而言，用户端可以是局域网用户端还可以是远程用户端，在校园内利用校园局域网进行远程硬件实验，当学生想在家里进行硬件实验时，可以采用远程进行登录，进行硬件实验，在本发明实施例中，无论学生在哪里，均可以通过用户端登录实验系统进行硬件实验，打破了地域的局限性，也给远程教育或是跨国教育提供了可能。在本发明实施例中，还可以包括教学端，教学端可以上传相关的硬件实验教学视频，供学生在实验前进行观看学习，本领域技术人员可以理解的是，教学端还可以对每个用户进行后台监测，对每个用户的实验数据进行统计和评测，用以对每个用户端的实验水平和实验能力进行基本的了解，便于对学生的硬件实验水平能力进行综合考评。

具体而言，用户端100和服务端200采用的是B/S结构，用户端100采用浏览器登录的方式，服务端200为服务器，服务端200在获得登录请求之后，就需要影响用户端100的登录请求，为用户端100分配硬件板卡300，硬件板卡300设置有多个，其通过网络与服务端200进行连接，服务端200包括云端服务器，云端显示器和交换机，其中硬件板卡通过网络连接交换机，交换机和云端服务器进行数据传输。本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，实验硬件板卡是通过网络与服务端的交换机连接的，相对于USB连接的硬件板卡数量，本发明提供的实施例可以增加硬件板卡的连接数量，本领域技术人员可以理解的是，硬件板卡数量的增加，意味着在实验过程中，可以容纳的同时进行硬件实验的最大学生数量增多了，交换机可以连接的网线数量可以根据实际需要进行增加和扩展。

具体而言，服务端连接的硬件板卡300安装在3U机箱中，3U机箱为接入设备，用以接入服务端200。本发明实施例中的硬件板卡300硬件，其核心为编程类芯片，可以包括ARM控制器,所述ARM控制器与所述服务端200连接，用以执行所述操作指令；以及FPGA电路板,与所述ARM控制器连接，用以在所述ARM控制器的控制下执行相关实验，还可以包括单片机，用以根据用户端100的输入的FPGA设计进行相关硬件实验。

本发明实施例中的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，硬件板卡的种类可以根据用户实验需要进行选择，丰富硬件实验种类，拓展学生的硬件编程能力。

具体而言，在本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统中，硬件实验硬件板卡通过远程硬件板卡箱连接网络接入服务器云端，用户端100登录B/S架构的网页进行访问，可以在线搭建电路框图，进行远程烧写编程代码并且运行，通过服务器返回运行结果。本发明实施例中的硬件仿真工作过程如下：用户发起登录请求，登录网页客户端页面，对应的服务端在接收到用户的登录请求后，分配硬件板卡给用户；分配硬件板卡后，硬件板卡的虚拟架构就显示在客户端的主页面上，然后在网页客户端页面绘制电路模型，也可以导入实验模型，电路模型可以包括液晶屏、按键、灯、电机、交通灯、点阵等；利用本地的编程工具创建FPGA设计文件，服务器接收到用户本地上传的FPGA设计文件，将文件通过交换机的以太网接口发送到对应的硬件板卡，ARM控制器接收到下载文件对FPGA进行烧写，下载文件成功后，ARM控制器实时采集FPGA电路板输入输出端口的数字状态，通过交换机的以太网接口回传到服务器并在用户操作页面显示。

本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，通过本地上传设计文件，服务器端下载设计文件后对硬件板卡进行烧写，命令文件或是操作文件需要在电路板的输出接口体现，然后通过读取输出端口的数字状态，将用户输入的命令或是操作实时回传至服务器上的板卡，以实现对板卡的实时操作。

具体而言，用户可能是临时体验账户，也可能是私有账户，当临时用体验用户登录客户端100时，通过手机号获取验证码登录体验，有使用时长限制；当私有账户的用户登录客户端100时，输入用户名密码选择登录角色，这部分数据需要提前手动导入到服务器数据库，服务器收到登录请求。在私有账户的用户登录时，本地数据库信息比对错误，页面提示用户名或密码错误；与本地数据库进行比对，用户名密码角色信息正确，通过登录请求跳转到远程主页面。登录成功后，用户跳转到远程云端主页面。服务器会根据硬件板卡空闲状态随机分配一块硬件板卡。服务器下挂载的硬件板卡用户可通过ID选择的方式定点连接。如果没有空闲的硬件板卡可以使用，页面会提示用户连接硬件板卡失败，图标以红色状态警示。在未进行下板验证的情况下可以无需链接硬件板卡。

标准的FPGA开发流程为本地工程创建，本地编程，仿真验证，下板验证。在最后的下板验证环节才是需要连接硬件板卡的，在本地工程创建、本地编辑以及仿真验证均可以无需连接板卡。

远程云端硬件实验平台通过创新方式，将下板验证云服务化。让用户仅通过一台PC主机即可操作完整的开发验证流程。

无论用户是否连接成功硬件板卡，均可以在页面上可以下载教师账户上传到服务端的实验课件资料。使用实验图纸设计创建实验模型，上传作业等。

如果用户需要烧写硬件验证实验，需要确认硬件板卡连接状态以及硬件板卡类型。

用户上传本地编程工具生成的烧写文件，服务器云端通过以太网接收到用户文件，并下发到用户连接的硬件板卡中，ARM控制器对FPGA进行硬件配置。运行实验中，ARM控制器端实时接收页面用户控制状态并传输给FPGA IO，同时也实时采集FPGA芯片输出IO反馈到服务器云端，服务器云端回传到用户页面显示。

传统FPGA实验封装完成的工程，只有必要输入输出端口引出，内部逻辑架构数据只能通过官方软件工具连接硬件才可以查看。在没有硬件支持的情况下是无法看到内部数据的。为了解决上述问题，本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统提供了探针工具。

为了丰富教师教学用户体验，提供一套探针跳转框等调试工具。

如果使用探针工具，需要使用特定的顶层协议文件，将用户设计代码例化到顶层协议文件，并且将寄存器信号按照地址顺序分配到协议文件中。回到web页面添加探针填写地址以及偏移量既可以查看当前地址下寄存器的数值。

探针工具为一个跳转框工具，程序中可能存在多层嵌套，为用户提供子页面扩展显示，让用户可以探究到嵌套内部，同时子页面也可以使用探针显示寄存器数据。子页面就可以展示实验封装的内部结构，更清楚了解封装部件的工作原理和工作过程。

本发明实施例提供的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，不但解决了远程进行硬件实验的可能，而且对进行硬件式样的用户进行统一管理，完成对每个用户硬件实验水平的能力测试，并且在实验过程中，用户通过客户端控制硬件板卡，并且通过客户端上设置的探针工具可以获取应用在硬件板卡上的元器件的内部设计，探针工具通过层设计的方式，在子页面对元器件的内部构造进行了展示，因此学生对硬件实验的整体具有宏观的把握，对于实验的理解以及对硬件元器件的功能和结构具有更深入的了解。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，包括：用户端和服务端，

所述用户端接收用户的登录请求，以使所述服务端在接收到所述登录信息后分配硬件板卡，所述硬件板卡网络连接所述服务端；

所述用户端接收用户的操作指令，确定所述当前用户端已经被分配硬件板卡，以使所述服务端在接收到所述操作指令后对所述硬件板卡进行对应的操作，产生相应的实验结果；

所述用户端接收所述服务端返回的所述实验结果所述用户端，以进行实验结果的展示。

2.根据权利要求1所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，还包括本地数据库；

所述本地数据库存储有多个注册用户名和用户密码，若当前用户的登录用户名不在所述数据库中，则重建所述登录用户名并存储，以使服务端为所述当前用户分配闲置硬件板卡，所述本地数据库和用户端连接，所述云端数据和所述服务端连接；

接收用户配置的配置指令或功能指令，将所述配置指令或所述功能指令传输至服务端，以使所述服务端根据所述指令控制所述硬件板卡。

3.根据权利要求2所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，还包括云端数据库，所述云端数据和所述服务端连接；

当接收到用户的配置指令或功能指令时，所述配置指令和所述功能指令均设置在所述云端数据库内，以使服务端根据所述配置指令和所述功能指令对所述硬件板卡进行配置，以实现用户对所述硬件板卡的可编程控制。

4.根据权利要求1所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，所述硬件板卡包括ARM控制器,所述ARM控制器与所述服务端连接，用以执行所述操作指令；以及FPGA电路板, 与所述ARM控制器连接，用以在所述ARM控制器的控制下执行相关实验。

5.根据权利要求1所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，所述服务端在接收到所述登录信息后分配硬件板卡包括：

依次轮询所有硬件板卡的使用状态，若有处于空闲状态的所述硬件板卡，则直接分配；

若轮询所有硬件板卡之后，所有的所述硬件板卡均处于使用状态，则反馈给所述用户端，所有的硬件板卡均为使用状态，建议等待。

6.根据权利要求1所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，还包括硬件板卡箱，所述硬件板卡通过所述硬件板卡箱连接网络接入所述服务端。

7.根据权利要求3所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，所述客户端包括网页窗口，所述网页窗口包括至少一层子页面，所述网页窗口用以创建待烧写文件，所述待烧写文件用以对所述硬件板卡进行硬件配置；所述烧写文件中包括至少一个与所述硬件板卡连接的外设单元设备，所述子页面用以展示所述外设单元设备的内部逻辑架构。

8.根据权利要求5所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，所述用户端包括远程用户端和教学端；

所述远程用户端通过无线网和所述服务端连接，用以远程进行实验；

所述教学端通过所述无线网或所述局域网与所述服务端连接，所述教学端用以在所述服务端的云端数据库上传教学视频，以供所述远程用户端的用户进行观看学习。

9.根据权利要求7所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，所述用户端还包括局域网用户；

所述局域网用户通过局域网与所述服务端连接，用以在局域网内进行实验。

10.根据权利要求9所述的基于远程控制的网络虚拟实验室系统，其特征在于，还包括接入设备，所述硬件板卡安装在所述接入设备中，所述接入设备包括多个接口，用以接入多个所述硬件板卡。

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