CN113395306A - 一种远程虚实结合的fpga实验系统 - Google Patents

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Abstract

一种远程虚实结合的FPGA实验系统，包括远程客户端和远程服务器端，远程客户端和远程服务器端通过互联网和路由器连接，远程客户端设有FPGA集成开发环境、实验搭建系统和外设监控系统；远程服务器端包括路由器和硬件平台，硬件平台包括处理器、FPGA芯片、FPGA外设和监控模块。本发明实现了对FPGA芯片的远程下载、与客户端实验搭建系统数据交互的虚拟监控远程硬件平台；通过远程监控系统，对远程硬件外设进行实时操作和运行状况实时显示；依靠“互联网+”、IPv6、无线传感等技术，实现对实验室的智能监控，可以进行远程遥控和虚拟接入相结合，进行远程实验操作等，方便学生实验，提高设备利用率，减少设备维护成本。

Description

一种远程虚实结合的FPGA实验系统
技术领域
本发明涉及远程数据传输技术领域。
背景技术
在传统的FPGA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。
发明内容
为了解决传统FPGA实验存在的上述问题，本发明提供了一种远程虚实结合的FPGA实验系统。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种远程虚实结合的FPGA实验系统，包括远程客户端和远程服务器端，远程客户端和远程服务器端通过互联网和路由器连接，远程客户端设有FPGA集成开发环境、实验搭建系统和外设监控系统，用户在客户端的FPGA集成开发环境下进行程序设计和生成下载文件，将下载文件通过实验搭建系统传输到远程服务器端，外设监控系统监控远程服务器端FPGA外设；远程服务器端包括路由器和硬件平台，硬件平台包括处理器、FPGA芯片、FPGA外设和监控模块，处理器通过路由器接收到远程客户端的下载文件，下载到FPGA芯片中，FPGA芯片将FPGA的输入和输出端口信息通过处理器转发到远程客户端与实验搭建系统交互信息，FPGA芯片控制FPGA外设，监控模块对FPGA外设进行监控并与处理器进行交互，并与远程客户端的外设监控系统交互信息，实现远程实时硬件操控。
所述远程客户端为笔记本、PC机或智能终端。
所述处理器为嵌入式芯片ARM。
所述远程客户端和远程服务器端与互联网之间采用IPv6网络通信协议。
所述下载文件通过JTAG方式下载到FPGA芯片中。
本发明的远程虚实结合的FPGA实验系统，实现了对FPGA芯片的远程下载、与客户端实验搭建系统数据交互的虚拟监控远程硬件平台；通过远程监控系统，对远程硬件外设进行实时操作和运行状况实时显示；依靠“互联网+”、IPv6、无线传感等技术，实现对实验室的智能监控，可以进行远程遥控和虚拟接入相结合，进行远程实验操作等，方便学生实验，提高设备利用率，减少设备维护成本。
附图说明
图1是本发明远程虚实结合的FPGA实验系统原理图。
具体实施方式
本发明的一种远程虚实结合的FPGA实验系统，拓扑结构参见图1，包括远程客户端和远程服务器端，两者通过路由器连接，实现远程数据传输。远程客户端包括路由器和若干登录用户，每个登录用户包括实验搭建系统、外设监控系统和FPGA集成开发环境，用户在FPGA集成开发环境下进行程序设计、综合、编译和生成下载文件，将下载文件通过实验搭建系统传输到远程服务器端。外设监控系统监控远程服务器端外设。远程服务器端包括路由器和若干硬件平台。每个硬件平台包括处理器、FPGA芯片、FPGA外设和监控模块。处理器接收到远程客户端的下载文件，通过JTAG方式下载到FPGA芯片中。FPGA芯片执行登录用户的逻辑程序，将FPGA的输入和输出端口信息和处理器进行交互，进而转发到远程客户端，与实验搭建系统交互信息，实现对实际硬件的操作并通过远程虚拟界面显示。另外FPGA芯片控制FPGA外设，对FPGA外设的监控通过监控模块与处理器进行交互，并与远程客户端的外设监控系统交互信息，实现远程实时硬件操控。
本发明实施例中，笔记本、PC机和智能终端可以作为远程客户端，首先使用FPGA集成开发环境(如Quartus II、Vivado、IS等)进行FPGA逻辑系统设计，通过本地机对所设计逻辑系统进行仿真、综合和适配，最后生成下载文件。然后在本地机登录实验搭建系统，搭建FPGA实验原理图，包括输入、输出及FPGA模块。接下来在实验搭建系统中读取在FPGA集成开发环境中生成的下载文件，并通过路由器将下载文件传输到远程服务器端。最后在本地机打开外设监控系统，可以实时监控远程服务器端FPGA外设的操作和运行情况。
远程服务器端采用机架结构放置若干硬件平台，可以同时允许多用户访问。处理器采用嵌入式芯片ARM，通过路由器及网络读取远程客户端对应登录用户传输的下载文件，处理器通过JTAG的方式对FPGA进行文件下载，烧写FPGA芯片，烧写结束后，FPGA芯片实现用户设计的逻辑系统，并将FPGA芯片中下载的逻辑系统所用的输入、输出端口数据与处理器交互，并传输回远程客户端的实验搭建系统进行操作和显示。FPGA芯片运行用户设计的逻辑系统并通过FPGA的I/O口与FPGA外设相连，外设的运行情况通过监控模块中的摄像头记录，经过处理器及网络传输到远程客户端的外设监控系统中实时观看；通过操作远程客户端的外设监控系统将命令通过网络传输到远程服务器端的处理器，然后处理器控制监控模块中的执行机构对FPGA外设进行操作。
远程客户端和远程服务器端通过路由器及防火墙联网到Internet上。由于客户端和服务器端节点众多，而IPv4的地址容量已经有枯竭的趋势，采用了IPv6协议传输，更适合运行在下一代互联网网络上。
本发明通过远程客户端登录实验系统，利用计算机多媒体和通讯技术，将实验室的实验设备及控制系统转换成三维图像、声音、状态等传输到远端的学生计算机中。学生对实验数据实时采集并进行处理。使用计算机软件模拟仪器、设备、元器件、实验器材，采用虚拟现实技术构建虚拟实验环境、虚拟仪器和设备等，根据实验要求进行实验流程设计、实验装置搭建、实验内容操作、实验结果统计分析等，最后写出实验报告，全部实验过程在计算机内完成。
使用时，学生首先获得教师发布的消息、实验预习、资料下载、作业上传和远程操作实验室实验设备等，最后可以通过页面虚拟显示实验现象，同时通过监控系统实时观看远程硬件真实现象。依靠“互联网+”、远程智能控制等技术，方便学生线上学习、实验及创新设计。该系统的研发成功有利于推动实验教学改革，提高实验设备利用率，减少设备运行维护成本。实验室全天候开放成为现实，推动实践实训，提升创新设计；以该产品和对应的网络控制系统技术水平和可靠性来讲，推广至其它如单片机、嵌入式等课程实验系统的研制和使用，该远程系统带来的市场份额和应用前景也是相当可观的，有着重大实用价值。
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，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种远程虚实结合的FPGA实验系统，其特征在于：包括远程客户端和远程服务器端，远程客户端和远程服务器端通过互联网和路由器连接，远程客户端设有FPGA集成开发环境、实验搭建系统和外设监控系统，用户在客户端的FPGA集成开发环境下进行程序设计和生成下载文件，将下载文件通过实验搭建系统传输到远程服务器端，外设监控系统监控远程服务器端FPGA外设；远程服务器端包括路由器和硬件平台，硬件平台包括处理器、FPGA芯片、FPGA外设和监控模块，处理器通过路由器接收到远程客户端的下载文件，下载到FPGA芯片中，FPGA芯片将FPGA的输入和输出端口信息通过处理器转发到远程客户端与实验搭建系统交互信息，FPGA芯片控制FPGA外设，监控模块对FPGA外设进行监控并与处理器进行交互，并与远程客户端的外设监控系统交互信息，实现远程实时硬件操控。
2.根据权利要求1所述的一种远程虚实结合的FPGA实验系统，其特征在于：所述远程客户端为笔记本、PC机或智能终端。
3.根据权利要求1所述的一种远程虚实结合的FPGA实验系统，其特征在于：所述处理器为嵌入式芯片ARM。
4.根据权利要求1所述的一种远程虚实结合的FPGA实验系统，其特征在于：所述远程客户端和远程服务器端与互联网之间采用IPv6网络通信协议。
5.根据权利要求1所述的一种远程虚实结合的FPGA实验系统，其特征在于：所述下载文件通过JTAG方式下载到FPGA芯片中。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114499699A (zh) * 2022-01-21 2022-05-13 西安电子科技大学 基于真实数字信号特性的实验结果远程呈现系统

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