EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)遠(yuǎn)程共享模式的實(shí)現(xiàn)

張敏等

摘 要：文章設(shè)計(jì)了EDA實(shí)驗(yàn)室硬件遠(yuǎn)程開(kāi)放對(duì)社會(huì)共享的實(shí)現(xiàn)方法。這種方法是網(wǎng)易公開(kāi)課模式的補(bǔ)充和升級(jí)，它實(shí)現(xiàn)了EDA實(shí)驗(yàn)室硬件資源的社會(huì)共享和實(shí)驗(yàn)室全時(shí)段的高效利用。在遠(yuǎn)程社會(huì)共享教學(xué)模式中，實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)程EDA實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)圖像和聲音信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞回本地，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。實(shí)踐結(jié)果表明，該教學(xué)模式解決了目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間地點(diǎn)受限制、實(shí)驗(yàn)室資源利用率低的問(wèn)題，具有較為重要的社會(huì)意義。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制；硬件共享；EDA實(shí)驗(yàn)箱；網(wǎng)易公開(kāi)課

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2014）22-0081-03

一、引言

隨著現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，目前大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式改革和教學(xué)效果的提高勢(shì)在必行。在教學(xué)實(shí)踐中，我們體會(huì)到實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革主要是基于兩個(gè)方面的考慮：一方面是如何才能為學(xué)生提供更多動(dòng)手機(jī)會(huì)，目前的情況是學(xué)生往往只能在實(shí)驗(yàn)室課堂上，課堂以下無(wú)法使用實(shí)驗(yàn)資源，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐需求無(wú)法滿足；另一方面是大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用率問(wèn)題，特別是晚上，實(shí)驗(yàn)儀器往往處于閑置狀態(tài)，怎么能最大效率使用教學(xué)設(shè)備是一個(gè)有待解決的實(shí)際問(wèn)題。[1]

與大學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀形成對(duì)比的是，近年來(lái)“在線開(kāi)放課程”的教育模式迅速風(fēng)靡全球。類似網(wǎng)易公開(kāi)課，讓學(xué)習(xí)者能隨時(shí)隨地的根據(jù)自己的興趣來(lái)選擇所要學(xué)習(xí)的科目。很顯然，大學(xué)教育不能孤芳自賞，應(yīng)該調(diào)動(dòng)更多的人參與，高等教育與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合的課程建設(shè)儼然成為我國(guó)現(xiàn)代高等教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而這種遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育也有著明顯的不足?，F(xiàn)在因特網(wǎng)上僅實(shí)現(xiàn)了視頻和軟件的共享，像大學(xué)里大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件資源卻沒(méi)有得到在網(wǎng)絡(luò)上的共享。[2]

針對(duì)以上不足，本文提出硬件公開(kāi)資源共享課這一思路。即根據(jù)現(xiàn)在流行的遠(yuǎn)程思想，對(duì)放置在實(shí)驗(yàn)室中的各類實(shí)驗(yàn)箱（如EDA實(shí)驗(yàn)箱），通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，再通過(guò)攝像頭、麥克風(fēng)將實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果反饋給操作者，以此使遠(yuǎn)端用戶得到在實(shí)驗(yàn)室操作的實(shí)感。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)既能讓學(xué)生不受時(shí)間地點(diǎn)的限制相對(duì)自由地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)課的學(xué)習(xí)者進(jìn)行實(shí)踐操作，還能讓廣大社會(huì)群眾享受到實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備與資源，進(jìn)而會(huì)培養(yǎng)人們的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力，對(duì)推動(dòng)我國(guó)科技發(fā)展起到一定的積極作用。[3]

二、EDA實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遠(yuǎn)程共享教學(xué)模式的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.系統(tǒng)的組成

該遠(yuǎn)程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)由EDA實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)成。當(dāng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)登錄到開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)通信和控制模塊取得QuartusII軟件的控制，實(shí)現(xiàn)了EDA實(shí)驗(yàn)箱的控制，控制的現(xiàn)象和結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭和其軟件傳輸給遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)用戶，最后用戶體驗(yàn)到身臨其境的感覺(jué)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.工作原理

本系統(tǒng)所應(yīng)用的工作原理主要為遠(yuǎn)程控制原理和硬件共享原理。遠(yuǎn)程控制是在網(wǎng)絡(luò)上由一臺(tái)電腦遠(yuǎn)距離去控制另一臺(tái)電腦的技術(shù)，主要通過(guò)遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，使用時(shí)安裝在主控端電腦中的客戶端程序向被控端電腦中的服務(wù)器端程序發(fā)出信號(hào)，建立一個(gè)特殊的遠(yuǎn)程服務(wù)，然后通過(guò)這個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令，控制被控端電腦中的各種應(yīng)用程序運(yùn)行。

這里提出的硬件共享是指通過(guò)遠(yuǎn)程操控被控端的電腦，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱的使用權(quán)與他人進(jìn)行共享的目標(biāo)，其中該實(shí)驗(yàn)箱與被控端電腦相連接。再在受控方電腦上安裝帶雙向語(yǔ)音功能的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，操控者即可在主控端電腦上觀看由攝像頭傳過(guò)來(lái)的實(shí)驗(yàn)箱所顯示的實(shí)驗(yàn)效果。原理如圖3所示。

三、EDA實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遠(yuǎn)程共享教學(xué)模式的具體實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制模塊、登錄管理模塊、攝像頭控制模塊這三個(gè)部分組成。

1.控制模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)直接利用遠(yuǎn)程控制軟件進(jìn)行通信和控制，其特點(diǎn)是成本低、易操作。為了方便用戶登錄以及避免合法用戶發(fā)生登錄碰撞，本文建立了用戶遠(yuǎn)程登錄管理系統(tǒng)。

（1）遠(yuǎn)程控制的建立

目前，遠(yuǎn)程操作較便捷的有三種方法：

首先是Windows系統(tǒng)遠(yuǎn)程協(xié)助應(yīng)用?！斑h(yuǎn)程協(xié)助”是Windows XP系統(tǒng)附帶的功能，不過(guò)必須得安裝MSN Messenger 6.1和Windows Messenger 4.7，并且要主控雙方協(xié)調(diào)才能夠進(jìn)行“遠(yuǎn)程協(xié)助”。其次是Windows “遠(yuǎn)程桌面”的應(yīng)用，這是一種C/S模式，客戶機(jī)可以通過(guò)TELNET登錄到高配置的服務(wù)器上，若要利用這種方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程桌面控制需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的設(shè)置，并且需要獲得高權(quán)限才能完成電腦的完全操控。最后是遠(yuǎn)程控制軟件。目前常用的遠(yuǎn)程控制軟件有TeamViewer、灰鴿子、Netman、GoToMyCloud、Radmin等。用軟件實(shí)現(xiàn)控制時(shí)操作簡(jiǎn)便，不需要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)置并且使用時(shí)不需要與受控方協(xié)助完成，可以直接操作無(wú)人電腦。所以一般選擇此種方法。

本設(shè)計(jì)采用的是Teamviewer遠(yuǎn)程控制軟件，這是在任何防火墻和NAT代理的后臺(tái)用于遠(yuǎn)程控制、桌面共享和文件傳輸?shù)暮?jiǎn)單且快速的解決方案。為了連接到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，必須在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行軟件。該軟件第一次啟動(dòng)時(shí)在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上自動(dòng)生成伙伴ID，只需要輸入你的伙伴的ID到TeamViewer，就會(huì)立即建立起連接。[4]

（2）遠(yuǎn)程用戶登錄界面

登錄系統(tǒng)界面主要是通過(guò)Microsoft Visual Basic 6.0 和Microsoft Office Access 2007軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)置后，每個(gè)用戶將擁有自己的用戶名和密碼以及限定的登錄時(shí)間。用戶輸入登錄信息后系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)，使合法用戶成功登錄。登錄系統(tǒng)框如圖4所示。

（3）攝像頭和聲音信號(hào)采集

本設(shè)計(jì)使用的是凱聰公司的SIP1018網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，它支持1個(gè)MJPEG碼流，適于本地、互聯(lián)網(wǎng)以及跨平臺(tái)訪問(wèn)；采用CMOS傳感器，支持640*480、320*240實(shí)時(shí)視頻編碼；內(nèi)置拾音器，并可外接麥克風(fēng)，遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)現(xiàn)場(chǎng)聲音；也可外接音箱，遠(yuǎn)程傳送聲音至現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)雙向?qū)χv功能，支持回聲抑制功能；自帶紅外燈，支持8米夜視范圍；支持紅外、彩色濾光片切換，圖像不偏色（內(nèi)置IR-CUT加強(qiáng)版）；內(nèi)置WEB服務(wù)器，使用一個(gè)端口傳送所有數(shù)據(jù)，便于用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

使用前首先設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的各項(xiàng)局域網(wǎng)參數(shù)事項(xiàng)，例如名稱、端口號(hào)、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)卡、主DNS服務(wù)器等設(shè)置，使攝像頭與受控端電腦在同一局域網(wǎng)下。再安裝ActiveX控件，并在IE瀏覽器中啟用此控件，即可通過(guò)瀏覽器看到由攝像頭傳過(guò)來(lái)的監(jiān)控影像和聲音。

用戶登錄成功后進(jìn)入攝像頭連接界面。界面中會(huì)顯示合法用戶的使用時(shí)間權(quán)限段，用戶在此時(shí)間段中能通過(guò)攝像頭站點(diǎn)的連接窗口順利使用監(jiān)控鏡頭。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)建立

數(shù)據(jù)庫(kù)的建立主要是使用Microsoft Office Access 2007存儲(chǔ)用戶和密碼的相關(guān)數(shù)據(jù)，用以辨別使用者是否為合法的用戶和用戶規(guī)定上網(wǎng)的時(shí)段合法；如果是合法用戶則進(jìn)入攝像頭連接頁(yè)面，相反則提示“用戶錯(cuò)誤”信息。[5]

2.受控的軟硬件平臺(tái)

（1）軟件平臺(tái)

EDA的開(kāi)發(fā)軟件使用Quartus II，該軟件支持遠(yuǎn)程調(diào)用。該設(shè)計(jì)工具完全支持VHDL、Verilog的設(shè)計(jì)流程，其內(nèi)部嵌有VHDL、Verilog邏輯綜合器。QuartusII與MATLAB和DSP Builder結(jié)合可以進(jìn)行基于FPGA的DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，是DSP硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵EDA工具。目前能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)驗(yàn)包括流水燈實(shí)驗(yàn)、八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)、16*16點(diǎn)陣顯示實(shí)驗(yàn)、電子琴實(shí)驗(yàn)等。

（2）硬件平臺(tái)

目的是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的本實(shí)驗(yàn)箱，重點(diǎn)突出了聲光的效果。這樣能夠讓遠(yuǎn)程用戶感受到效果，該實(shí)驗(yàn)箱由EP2C5芯片為核心構(gòu)成，上面有LED、八段數(shù)碼管、16*16點(diǎn)陣、喇叭、蜂鳴器等資源，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很容易遠(yuǎn)程表現(xiàn)。電路如圖5所示。

四、EDA實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遠(yuǎn)程共享教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)效果

該系統(tǒng)顯示界面效果如圖6所示，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。遠(yuǎn)程登錄后采集到實(shí)驗(yàn)箱效果如圖8所示。

五、結(jié)論

由于該系統(tǒng)可以在宿舍和學(xué)校其他實(shí)驗(yàn)室里很方便地使用EDA實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生能夠主動(dòng)自學(xué)EDA技術(shù)，因此將極大地激起他們對(duì)電子設(shè)計(jì)的興趣，鼓勵(lì)更多學(xué)生投入到各種電子設(shè)計(jì)的比賽中。進(jìn)一步，在學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)等課程時(shí)，他們可以在課余時(shí)間利用此系統(tǒng)在EDA實(shí)驗(yàn)箱上自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路，將所學(xué)的知識(shí)活學(xué)活用到實(shí)際中，直觀地感受到電路產(chǎn)生的實(shí)際效果，這有助于他們更好地理解書(shū)本上的知識(shí)點(diǎn)，避免了書(shū)本和實(shí)際的脫離，因此，該教學(xué)模式將推動(dòng)本課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量得到極大地提高。

實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，此硬件共享系統(tǒng)可以滿足用戶對(duì)于不受空間限制地使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需要，具有較高的可用性及實(shí)用性。針對(duì)在登錄過(guò)程中出現(xiàn)合法用戶碰撞登錄的問(wèn)題，本文提出了設(shè)置各合法用戶使用時(shí)間權(quán)限的方案，通過(guò)登錄測(cè)試證明此方案的可行性和有效性。與此同時(shí)，本教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也具有一定的局限性，例如用戶過(guò)多時(shí)限制使用時(shí)間的分配等。如果可建立更大的網(wǎng)絡(luò)，將更多的實(shí)驗(yàn)室添加到此網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行公開(kāi)，再繼續(xù)完善登錄界面以及用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，則可讓社會(huì)上更多的人使用到這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓實(shí)驗(yàn)室資源得到充分利用。本硬件共享系統(tǒng)具有強(qiáng)大的推廣、提升潛力和廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。[6]

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（編輯：魯利瑞）