現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的跨區(qū)域設(shè)計與實現(xiàn)

蔣錦健

摘 要： 為了提高現(xiàn)代電子技術(shù)實驗教學(xué)的集成可靠性和智能性，設(shè)計一種基于通用串行總線控制的跨區(qū)域現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。平臺包括了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計部分，硬件模塊包括數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)代電子技術(shù)實驗的主控單元、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的顯示單元以及人機接口單元。軟件設(shè)計包括串口接收控制程序設(shè)計、驅(qū)動配置程序設(shè)計和教學(xué)平臺的監(jiān)控軟件設(shè)計。采用通用串行總線控制方法進行教學(xué)平臺的硬件和軟件的集成開發(fā)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該教學(xué)平臺能實現(xiàn)跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教學(xué)多媒體數(shù)據(jù)傳輸和收發(fā)性能較好，具有很好的實用性。

關(guān)鍵詞： 現(xiàn)代電子技術(shù)； 實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺； 跨區(qū)域設(shè)計； 軟件設(shè)計

中圖分類號： TN711?34； TP399 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0039?04

Abstract： In order to improve the integrated reliability and intelligence of experiment teaching platform based on modern electronic technology， a cross domain modern electronic technology experiment network teaching platform based on universal serial bus control was designed. The platform includes hardware design and software design. The hardware module includes data acquisition unit， main control unit for modern electronic technology experiment， display unit for network teaching and man?machine interface unit. The software design includes serial port receiving control program design， driver configuration program design and monitoring software design for teaching platform. The universal serial bus control method is adopted for integrated development and design of hardware and software for teaching platform. The experimental results show that the teaching platform can achieve cross regional network teaching and teaching multimedia data transmission， and has high transceiver performance and perfect practicality.

Keywords： modern electronic technology； experiment network teaching platform； cross region design； software design

0 引 言

現(xiàn)代電子技術(shù)是高校電子信息專業(yè)和通信工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)課程。該課程主要包括模擬電子線路和數(shù)字電子線路等電子設(shè)計方面的教學(xué)內(nèi)容。電子技術(shù)課程對實驗教學(xué)的要求較高，需要完成較大課時的電子制作和電子測試等實驗。當(dāng)前的現(xiàn)代電子技術(shù)實驗課主要是建立在面對面教學(xué)授課的實驗環(huán)境中；因此，需要研究一種有效的電子技術(shù)實驗教學(xué)平臺，進行跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)，改善實驗環(huán)境，提高電子技術(shù)實驗教學(xué)的質(zhì)量。為了提高現(xiàn)代電子技術(shù)實驗教學(xué)的集成可靠性和智能性，本文提出一種基于通用串行總線控制的跨區(qū)域現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺設(shè)計方法，進行實驗平臺的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并進行實驗教學(xué)平臺的系統(tǒng)測試和聯(lián)調(diào)分析。

1 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的總體設(shè)計構(gòu)架

1.1 教學(xué)平臺設(shè)計功能指標(biāo)分析

本文設(shè)計的教學(xué)平臺具有電子實驗、網(wǎng)絡(luò)授課和現(xiàn)場指導(dǎo)等功能。采用基于TCP/IP協(xié)議和C/S模型構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，進行遠(yuǎn)程教學(xué)信息傳輸以及跨區(qū)域的教學(xué)指導(dǎo)。教學(xué)平臺的跨區(qū)域設(shè)計需要選擇網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；在此采用了TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。該通信協(xié)議具有數(shù)據(jù)確認(rèn)和數(shù)據(jù)重傳的機制，并具有可靠、傳輸大小無限制等優(yōu)點，適合現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的大數(shù)據(jù)量信息傳輸?shù)男枨?。在教學(xué)平臺的服務(wù)程序與客戶機/服務(wù)器請求響應(yīng)設(shè)計中，利用套接字（Socket）建立網(wǎng)絡(luò)通信[1]，為實驗教學(xué)平臺的使用者提供身臨其境的視景環(huán)境，滿足網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的需求。其中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺客戶機/服務(wù)器的進程通信機制描述如圖1所示[2]。

綜上分析，本文設(shè)計的現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺具有如下功能：總線傳輸控制功能、多媒體投影教學(xué)功能、輸出顯示功能和網(wǎng)絡(luò)通信功能。結(jié)合上述功能分析，進行實驗教學(xué)平臺的總體設(shè)計和模塊化開發(fā)設(shè)計。

1.2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的總體結(jié)構(gòu)

在Multigen Creator 3.2開發(fā)環(huán)境下進行現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的總體設(shè)計[3]，系統(tǒng)以校園網(wǎng)、局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)[4]，中樞位以DSP為核心的中央集中控制器，實現(xiàn)教學(xué)平臺與在計算機網(wǎng)絡(luò)中的通信和信息共享?；诨A(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法，現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺下的各種設(shè)備的輸入/輸出端口得以規(guī)整集成，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的遠(yuǎn)程的開機關(guān)機，教學(xué)電動幕布的啟動、投影儀控制、電子實驗器件的展示、實驗教學(xué)步驟的傳授等功能。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺包括了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計部分。其中，硬件模塊采用Microsoft Visual Studio 開發(fā)組件進行集成設(shè)計[5]，包括數(shù)據(jù)采集單元、主控單元、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的顯示單元以及人機接口單元，視頻電動屏幕的接口采用13～16位數(shù)據(jù)線進行總線擴展，采用上升沿鎖存電平，對串口進行正確配置，通過編程和接口調(diào)用軟件設(shè)計包括串口接收控制程序設(shè)計、驅(qū)動配置程序設(shè)計和教學(xué)平臺的監(jiān)控軟件設(shè)計。

現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺總體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計如圖2所示。

2 硬件設(shè)計

對實驗教學(xué)平臺的硬件模塊設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)代電子技術(shù)實驗的主控單元、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的顯示單元以及人機接口單元。

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元是進行網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的多媒體課程教學(xué)內(nèi)容采集，它們與A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器相連構(gòu)成兩級程控增益控制放大器，對SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口發(fā)送控制寄存器）進行初始化。在實驗教學(xué)平臺的控制終端設(shè)定壓控放大器，控制D/A轉(zhuǎn)換器進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。由D/A轉(zhuǎn)換器輸出開關(guān)控制電平或輸出動態(tài)增益控制碼，采集、處理整個系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)與上位機通信，在幾個周期內(nèi)完成增益調(diào)整，數(shù)據(jù)采集單元的電路設(shè)計如圖3所示。

2.2 主控單元

主控單元是實現(xiàn)現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺程序控制的核心模塊。采用EM B3803主控DSP芯片進行主控模塊設(shè)計，由Mux101多路開關(guān)進行程控放大，ADC要求穩(wěn)定到[14 096，]運算放大器穩(wěn)定到[11 024]的一半，主控單元的第二級選用VCA810，數(shù)據(jù)線的放大分貝數(shù)由DSP控制。根據(jù)多媒體教學(xué)平臺的VGA輸入/輸出信號的形式，設(shè)計RS 232 芯片的控制串口接口，通過集中控制，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的開關(guān)控制功能和教學(xué)多媒體資源回放。主控單元還能控制教學(xué)平臺的電動幕布的升降、移動、分辨率調(diào)整，進行通用串行總線控制，實現(xiàn)跨區(qū)域教學(xué)。綜上分析，得到主控單元的電路設(shè)計如圖4所示。

2.3 顯示單元

現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺需要實現(xiàn)跨區(qū)域的輸出顯示和電子實驗產(chǎn)品制作展示，在顯示單元可以實現(xiàn)對教學(xué)課件的打包傳輸，課件拷貝等功能，有效實現(xiàn)教學(xué)資源的共享。

采用 8 位和 16 位微控制器進行全息顯示，實驗平臺的顯示單元具有16位定點STM32內(nèi)核，核心處理器選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F101xx芯片[6]，構(gòu)建MifareRFID卡識別系統(tǒng)，以提高教學(xué)平臺的輸出安全性和可靠性。顯示單元的電路設(shè)計如圖5所示。

2.4 人機接口單元

人機接口單元使用低功耗的接口輸出技術(shù)，采用現(xiàn)代MOS技術(shù)構(gòu)造人機交互模塊的數(shù)據(jù)輸出接口，采用SPI接口方式實現(xiàn)TRF7960與STM32F101xx的通信。

采用并行外設(shè)接口（PPI）構(gòu)建現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的傳感器模塊[7]。它是半雙工形式，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的傳感器模塊的接口方式為串行，與嵌入式STM32宿機連接。當(dāng)應(yīng)答器靠近現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺時，應(yīng)答器上的信號經(jīng)過天線感應(yīng)，與應(yīng)答器進行數(shù)據(jù)交互，由此實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的跨區(qū)域信息輸出和交互，得到人機接口單元設(shè)計如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺跨區(qū)域設(shè)計的軟件設(shè)計包括串口接收控制程序設(shè)計、驅(qū)動配置程序設(shè)計和教學(xué)平臺的監(jiān)控軟件設(shè)計。采用通用串行總線控制方法進行教學(xué)平臺的硬件和軟件的集成開發(fā)設(shè)計。采用基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，根據(jù)上述設(shè)計，得到電子技術(shù)實驗的跨區(qū)域網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺軟件設(shè)計流程如圖7所示。

根據(jù)圖7所示的教學(xué)平臺的指針分布流程。輸出接口通過與通用串行總線控制，通過功放系統(tǒng)的接口連接，構(gòu)建視頻電動屏幕的接口；根據(jù)實驗教學(xué)平臺的VGA輸入/輸出內(nèi)容，采用RS 232 控制串口接口，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和教學(xué)進程控制。

4 實驗測試分析

為了測試本文設(shè)計的實驗教學(xué)平臺的性能，進行系統(tǒng)調(diào)試分析。本系統(tǒng)的開發(fā)測試建立在計算機網(wǎng)絡(luò)通信平臺基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個客戶端，基于TCP/IP協(xié)議和C/S模型構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建的現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺遠(yuǎn)程控制傳輸終端，進行輸出性能顯示。在系統(tǒng)Filesystem的lib中建立起了現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的通用串行總線控制采集的根文件系統(tǒng)，進行遠(yuǎn)程教學(xué)的程序控制加載。在Visual DSP++ 4.5中進行軟件調(diào)試和開發(fā)，程序控制模塊的觸發(fā)電平為2.5 V，截止頻率為12 kHz。根據(jù)上述測試環(huán)境描述，以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的輸出數(shù)據(jù)保真率為測試指標(biāo)，進行性能分析，得到結(jié)果如圖8所示。

分析上述結(jié)果得知，該教學(xué)平臺能實現(xiàn)跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教學(xué)多媒體數(shù)據(jù)傳輸和收發(fā)性能較好，保真率較高，具有很好的實用性。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計一種基于通用串行總線控制的跨區(qū)域現(xiàn)代電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。平臺包括了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計部分，硬件模塊包括數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)代電子技術(shù)實驗的主控單元、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的顯示單元以及人機接口單元。軟件設(shè)計包括串口接收控制程序設(shè)計、驅(qū)動配置程序設(shè)計和教學(xué)平臺的監(jiān)控軟件設(shè)計。采用通用串行總線控制方法進行教學(xué)平臺的硬件和軟件的集成開發(fā)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該教學(xué)平臺能實現(xiàn)跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教學(xué)多媒體數(shù)據(jù)傳輸和收發(fā)性能較好，具有較高的應(yīng)用性能。

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