一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭東亮

（中山大學(xué)電子與通信工程學(xué)院，廣東廣州510006）

電路實(shí)驗(yàn)課程在高校信息類專業(yè)本科生的專業(yè)課程體系中十分重要，由于目前高校的招生規(guī)模持續(xù)增加，電路實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源趨于緊張，受制于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、設(shè)備資源和時(shí)間的局限，學(xué)生的人均實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，對(duì)于驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，有部分學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)無(wú)法完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而對(duì)于難度較大的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生往往難以在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn).因此，如何增加電路實(shí)驗(yàn)資源的利用率是亟待解決的問(wèn)題.

傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備是電路實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)電路板，這類實(shí)驗(yàn)設(shè)備處于未聯(lián)網(wǎng)的孤島狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)資源共享.利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的整合與共享、建立網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是克服實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、設(shè)備和時(shí)間局限、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室資源共享的重要途徑，也是目前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)[1-4]，本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)電路板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和控制方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.系統(tǒng)總體上分為控制模塊（控制電路板）、實(shí)驗(yàn)電路板兩個(gè)獨(dú)立部分，實(shí)驗(yàn)板與控制板之間經(jīng)柔性扁平電纜（FFC）連接.

1)實(shí)驗(yàn)電路板：是針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)發(fā)的電路板，控制板可以控制整套實(shí)驗(yàn)電路板，二者間的接口采用規(guī)范化設(shè)計(jì)，不同實(shí)驗(yàn)電路板采用統(tǒng)一規(guī)格的接插件.

2)控制電路板：可分為微處理器模塊和被控模塊兩部分.①微處理器模塊：實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)、局域網(wǎng)的通信以及對(duì)被控模塊輸出控制信號(hào)的功能.②被控模塊：包括衰減網(wǎng)絡(luò)、數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)、數(shù)字電位器、數(shù)字可調(diào)電阻.為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的成本效益最優(yōu)，將其設(shè)置于控制電路板中，由信號(hào)及測(cè)試點(diǎn)連接器連接至實(shí)驗(yàn)電路板.

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

1)采用ARM微處理器為核心的控制模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)電路板進(jìn)行數(shù)字控制.

2)由于數(shù)控的需要，實(shí)驗(yàn)電路板需要全新設(shè)計(jì)，不再使用機(jī)械式開(kāi)關(guān)，代之以數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)或數(shù)字電位器、數(shù)字可調(diào)電阻.

3)可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)選擇或衰減、電路組態(tài)切換、測(cè)量點(diǎn)切換三個(gè)維度的控制.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of experimental system

1.2 控制方案

微控制器接入網(wǎng)絡(luò)有以下幾種方式：

1)通過(guò)專用來(lái)做網(wǎng)關(guān)的PC機(jī)與Internet連接

該方案需為每套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置一臺(tái)PC機(jī)，成本高、耗電多、體積大.

2)低端單片機(jī)控制網(wǎng)卡芯片交換數(shù)據(jù)

該方案的優(yōu)勢(shì)是成本低，已有51 單片機(jī)與RTL8019AS 等網(wǎng)卡芯片接入以太網(wǎng)的成熟方案[5-6].該方案的劣勢(shì)是對(duì)系統(tǒng)資源消耗大，要占用大量?jī)?nèi)存，一般需擴(kuò)展RAM；此外，考慮TCP/IP協(xié)議的復(fù)雜性和單片機(jī)資源的有限性，必須對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行裁剪，軟件工作量大.

3)使用集成以太網(wǎng)卡的高端微控制器

采用集成以太網(wǎng)模塊并固化TCP/IP 協(xié)議的高端微控制器可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并提高系統(tǒng)可靠性.本設(shè)計(jì)采用第3方案.

2 控制模塊和實(shí)驗(yàn)電路板設(shè)計(jì)

2.1 微控制器模塊設(shè)計(jì)

微控制器承擔(dān)著聯(lián)系實(shí)驗(yàn)電路板與系統(tǒng)服務(wù)器的職責(zé)，是遠(yuǎn)程平臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的重要模塊.本設(shè)計(jì)選擇的STM32F107VCT6芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的一款STM32互聯(lián)型產(chǎn)品，基于采用ARMv7-M 架構(gòu)的32位Cortex-M3處理器內(nèi)核[8].遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用該芯片作為微控制器，在其上進(jìn)行微控制器軟件的開(kāi)發(fā).

STM32F107VCT6 芯片內(nèi)置了通信功能與控制功能所需模塊.其中USART 模塊，可以滿足RS232 接口的串口通信功能；以太網(wǎng)MAC（Media Access Control）模塊，通過(guò)RMII（Reduced Media Independent Interface）接口連接到DP83848 物理層芯片即可滿足網(wǎng)絡(luò)通信的需要；SPI（Serial Peripheral Interface）模塊，滿足對(duì)數(shù)字電位器的控制功能.STM32F107VCT6 芯片具有100 個(gè)引腳，其中包括了80 個(gè)GPIO（General Purpose Input/Output）端口，有足夠的端口數(shù)量保證與被控模塊的連接.

STM32F107VCT6芯片需要選用的端口包括串口通信端口2個(gè)、以太網(wǎng)通信端口10個(gè)、模擬開(kāi)關(guān)控制端口15個(gè)、數(shù)字電位器控制端口7個(gè)，實(shí)驗(yàn)電路板識(shí)別端口3個(gè).具體選用端口如表1所示.

表1 STM32F107VCT6芯片端口的使用Tab.1 Usage of STM32F107VCT6 chip port

2.2 被控模塊設(shè)計(jì)

被控模塊是控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，具體設(shè)計(jì)如下：

1)衰減網(wǎng)絡(luò)：衰減網(wǎng)絡(luò)可增加實(shí)驗(yàn)信號(hào)的靈活性，也可使用衰減網(wǎng)絡(luò)分壓得到所需小信號(hào).本設(shè)計(jì)中輸出信號(hào)通過(guò)4選1模擬開(kāi)關(guān)選擇一路信號(hào)輸入至實(shí)驗(yàn)電路板.

2)模擬開(kāi)關(guān)：綜合考慮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的阻抗匹配和導(dǎo)通電阻要求，信號(hào)衰減網(wǎng)絡(luò)所需的四選一模擬開(kāi)關(guān)選擇4選1模擬開(kāi)關(guān)CD4052；測(cè)量點(diǎn)切換所需的十六選一開(kāi)關(guān)選擇CD4067；二選一開(kāi)關(guān)選CD4053；雙向開(kāi)關(guān)選CD4066.

3)數(shù)字可調(diào)電阻：采用100 kΩ 的MCP41100數(shù)字電阻與10 kΩ 的MCP41010數(shù)字電阻相串聯(lián)的方案，可調(diào)范圍：0～110 kΩ，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)精度：39.062 5 Ω.

4)數(shù)字電位器：由于電位器主要起分壓作用，重要的是分壓分辨率，由于均為8 位（256 級(jí)），兼顧電阻范圍，采用100 kΩ數(shù)字電位器MCP41100.

2.3 控制板識(shí)別實(shí)驗(yàn)板方案

控制板需要能識(shí)別不同的實(shí)驗(yàn)電路板，可選方案有：

1)使用n 根信號(hào)線，將信號(hào)線分別上拉或接地.通過(guò)判斷信號(hào)線的高低電平可以識(shí)別出2n種不同的實(shí)驗(yàn)板.

2)使用1 根信號(hào)線，不同實(shí)驗(yàn)板通過(guò)不同的電阻分壓得到不同的電壓值，微控制器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）讀取電壓值，從而識(shí)別不同的實(shí)驗(yàn)板.為提高系統(tǒng)可靠性，此方案需要額外提供基準(zhǔn)電壓.

本設(shè)計(jì)采用可靠性更高的第1)方案，用3根信號(hào)線識(shí)別8塊實(shí)驗(yàn)板，該方案便于擴(kuò)容（如用4根信號(hào)線識(shí)別16塊實(shí)驗(yàn)板）.

2.4 實(shí)驗(yàn)電路板設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)電路板設(shè)計(jì)需要考慮的因素有：

1)增添電源指示燈；機(jī)械式可調(diào)電阻、開(kāi)關(guān)更換為數(shù)控可調(diào)電阻、數(shù)控模擬開(kāi)關(guān).

2)由于需要切換電路組態(tài)，在原實(shí)驗(yàn)電路板中應(yīng)增加各類切換開(kāi)關(guān).

3)考慮實(shí)驗(yàn)電路負(fù)載的變化情況，需要增加數(shù)控可調(diào)電阻、數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)等器件.

4)實(shí)驗(yàn)電路板采用的統(tǒng)一的接插件與控制電路板相連.

5)滿足控制電路板對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)電路板識(shí)別的需求.

以差動(dòng)放大電路實(shí)驗(yàn)板為例，圖2是重新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路板原理圖，新設(shè)計(jì)的主要改進(jìn)如下：

1)使用了數(shù)控可調(diào)電阻.

2)考慮共模和差模信號(hào)的輸入方式不同且需要切換，在信號(hào)輸入端加入了2 個(gè)二選一開(kāi)關(guān)和一個(gè)通斷開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)差模、共模信號(hào)切換，具體為，①調(diào)零：SW1 閉合，SW3、SW4 接地；②差模輸入：W1 開(kāi)，SW3、SW4接信號(hào)端子；③共模輸入：SW1閉合，SW3或SW4接信號(hào)端子.

圖2 差動(dòng)放大實(shí)驗(yàn)電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of differential amplification experiment circuit

加入連接器JSP和JSW，并進(jìn)一步考慮LED 電源指示、數(shù)字可調(diào)電阻、數(shù)字電位器等布局進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，圖3是差分放大電路PCB的3D效果圖.

圖3 差動(dòng)放大電路的PCB的3D效果圖Fig.3 3D rendering of PCB of differential amplification circuit

3 微控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器軟件整體設(shè)計(jì)

微控制器軟件主要由三個(gè)線程與三個(gè)中斷組成，包括串口通信線程、網(wǎng)絡(luò)通信線程與協(xié)議棧線程，定時(shí)中斷、串口接收中斷與以太網(wǎng)接收中斷.由μC/OS-II完成線程調(diào)度，定時(shí)中斷為其提供輪轉(zhuǎn)信號(hào)，接收中斷為通信提供數(shù)據(jù)緩存功能.微控制器軟件整體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示.

圖4 微控制器軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Software design diagram of microcontroller

3.2 通信功能設(shè)計(jì)

1)串口通信功能設(shè)計(jì)

串口選擇了常用的RS232 接口，可以與個(gè)人計(jì)算機(jī)的RS232 接口連接，或者通過(guò)CH340 芯片連接至個(gè)人計(jì)算機(jī)的USB（Universal Serial Bus）接口.串口通信功能由USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）接收中斷與USART線程配合實(shí)現(xiàn).串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由USART線程直接發(fā)出；串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)USART 接收中斷，USART 接收中斷將接收數(shù)據(jù)保存至緩存數(shù)組，通過(guò)信號(hào)量通知USART線程，USART線程從緩存數(shù)組獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，避免了處理接收數(shù)據(jù)過(guò)慢導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失.

2)網(wǎng)絡(luò)通信功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，移植了輕量級(jí)的TCP/IP協(xié)議棧，由于只需要與系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交互，交互數(shù)據(jù)量較小，選用了UDP（User Datagram Protocol）傳輸層協(xié)議.具體的通信功能由UDP 線程、LwIP 線程和以太網(wǎng)中斷三者配合實(shí)現(xiàn)，三者之間的通信數(shù)據(jù)通過(guò)消息郵箱投遞.發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，UDP線程將待發(fā)送數(shù)據(jù)投遞至LwIP 線程的消息郵箱，LwIP 線程添加相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)包頭后，通過(guò)調(diào)用底層以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)將數(shù)據(jù)包發(fā)出.接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，以太網(wǎng)接收中斷接收到完整消息后，投遞至LwIP線程，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)為對(duì)應(yīng)UDP端口數(shù)據(jù)包后再投遞至UDP線程.

3.3 控制功能設(shè)計(jì)

1)指令解析函數(shù)

微控制器的控制功能通過(guò)調(diào)用指令解析函數(shù)執(zhí)行，該函數(shù)為各種具體的功能執(zhí)行提供了一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)用接口.由UDP 線程與USART 線程調(diào)用傳入指令，函數(shù)對(duì)傳入指令進(jìn)行解析，過(guò)濾掉非法指令，對(duì)于合法指令，再調(diào)用相應(yīng)的指令執(zhí)行函數(shù)，完成控制功能.函數(shù)的返回值為指令執(zhí)行結(jié)果的反饋，再由UDP線程反饋回服務(wù)器或USART線程反饋回進(jìn)行串口通信的上位機(jī).

2)指令執(zhí)行函數(shù)

指令執(zhí)行函數(shù)為具體實(shí)現(xiàn)控制功能的函數(shù)集合，包括了4 類函數(shù)，模擬開(kāi)關(guān)控制函數(shù)、數(shù)字電位器控制函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置函數(shù)和實(shí)驗(yàn)板識(shí)別函數(shù).前兩類函數(shù)完成了對(duì)被控模塊的控制功能，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置函數(shù)提供了設(shè)置微控制器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法，可以配置微控制器接入某一子網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)板識(shí)別函數(shù)用于獲取當(dāng)前連接實(shí)驗(yàn)電路板的編碼，表明當(dāng)前可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

3.4 微控制器軟件測(cè)試

1)串口通信功能測(cè)試

在通信調(diào)試軟件中設(shè)置串口通信參數(shù)，包括波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位的設(shè)置，確保與USART模塊的配置參數(shù)相同.通過(guò)串口向微控制器發(fā)送了模擬開(kāi)關(guān)控制指令0x0000、實(shí)驗(yàn)板識(shí)別指令0x1C00和錯(cuò)誤指令0xFFFF，得到的返回值為0xF0、0x07、0xF1，分別表示指令成功執(zhí)行、實(shí)驗(yàn)電路板識(shí)別碼和指令錯(cuò)誤，其中由于GPIO 端口PD13～PD15 懸空，識(shí)別為高電平狀態(tài)，因此識(shí)別碼為0x07.串口通信的測(cè)試情況記錄如圖5所示.

2)網(wǎng)絡(luò)通信功能測(cè)試

在通信調(diào)試軟件中設(shè)置目標(biāo)主機(jī)的IP地址為192.168.2.2，這是微控制器軟件的初始網(wǎng)絡(luò)地址，以及固定的UDP 端口1080，選擇使用UDP 協(xié)議進(jìn)行通信. 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向微控制器發(fā)送了模擬開(kāi)關(guān)控制指令0x0FFF、實(shí)驗(yàn)板識(shí)別指令0x1CFF 和錯(cuò)誤指令0xDCBA，得到的返回值為0xF0、0x07、0xF1，分別表示指令成功執(zhí)行、實(shí)驗(yàn)電路板識(shí)別碼和指令錯(cuò)誤.網(wǎng)絡(luò)通信的測(cè)試情況記錄如圖6所示.

圖5 串口通信功能測(cè)試Fig.5 Serial communication function test

圖6 網(wǎng)絡(luò)通信功能測(cè)試Fig.6 Network communication function test

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)引入到電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，基于ARM 微控制器實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)允許用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程電路實(shí)驗(yàn)操作，有效提高了實(shí)驗(yàn)資源的利用率，該平臺(tái)便于學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可作為電路實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的重要補(bǔ)充.