在線虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建與實踐

馬漢達 朱威漢

摘 要：針對計算機硬件類課程實驗設(shè)備昂貴和實驗室開放的難題，特別是疫情期間計算機硬件類實驗無法開展的情況，作者提出了利用信息技術(shù)構(gòu)建在線虛擬仿真實驗平臺的方法。文章介紹了在線虛擬實驗平臺的系統(tǒng)架構(gòu)、組成和優(yōu)點，將在線虛擬實驗平臺應(yīng)用到數(shù)字邏輯實驗教學(xué)中，構(gòu)建了虛實結(jié)合、線上線下混合式實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)了實驗室的深度開放，解決了疫情期間的計算機硬件類課的實驗教學(xué)。

關(guān)鍵詞：在線虛擬實驗;數(shù)字邏輯;實驗教學(xué)

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻標志碼：B? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）24-0084-04

一、引言

《數(shù)字邏輯》是計算機類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，實驗對學(xué)生理解和掌握數(shù)字邏輯理論，提高學(xué)生的實踐動手能力具有舉足輕重的作用[1]。為了提高實驗效率，《數(shù)字邏輯》課程實驗方式大部分高校都從傳統(tǒng)的典型實驗轉(zhuǎn)為FPGA實驗，由于實驗教學(xué)任務(wù)安排的集中性問題，使得部分學(xué)生無法充分理解實驗的原理和方法，造成部分學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)無法完成實驗任務(wù)的情況，同時很多學(xué)生想擴展學(xué)習(xí)，雖然實驗室已經(jīng)進行了預(yù)約開放，但是學(xué)生認為時間上還不是充分自由，仍然感到不方便。實驗教學(xué)的開放和共享一直是教學(xué)實踐追求的目標，開放有利于營造自主學(xué)習(xí)環(huán)境，共享有利于提高實驗室資源的利用率[2]。

《數(shù)字邏輯》的在線實驗教學(xué)模式保留了傳統(tǒng)模式的優(yōu)點，克服傳統(tǒng)模式的不足，通過教育部產(chǎn)學(xué)研合作項目的研究，使用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)構(gòu)建的在線虛擬實驗平臺是解決實驗室開放和共享問題最有效的手段。通過開發(fā)在線虛擬實驗平臺，學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)可以在任何時間、任何地點、進行任何種類的實驗（4A：Anyone、Anytime、Anywhere、Anything），突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時空約束，踐行“4A”實驗教學(xué)新理念，為學(xué)生提供充分自主的操作空間，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3][4]。

二、在線虛擬實驗平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在線虛擬實驗平臺分為硬件數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，其系統(tǒng)架構(gòu)[5-9]如圖1所示。①硬件數(shù)據(jù)層是在線實驗平臺中的硬件、軟件等基礎(chǔ)資源，它支撐著整個系統(tǒng)的運行，主要有學(xué)生數(shù)據(jù)、實驗項目數(shù)據(jù)等內(nèi)容構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，以及平臺中最為關(guān)鍵的STM32控制電路和FPGA實驗板硬件資源。②服務(wù)層主要提供FPGA編程與配置、實驗數(shù)據(jù)信息、在線實驗操作、實驗管理等在線實驗服務(wù)功能，起著承上啟下的作用。③應(yīng)用層主要包含兩大部分，一是學(xué)生用戶的在線實驗功能，能夠?qū)崿F(xiàn)目標文件的遠程下載、硬件設(shè)備遠程操控、實驗設(shè)計的在線驗證、實驗報告的上傳等;二是教師用戶的學(xué)生信息管理、實驗項目管理、信息的查詢統(tǒng)計、實驗成績管理、系統(tǒng)公告管理等功能，應(yīng)用層重點是將這些內(nèi)容數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶進行操作，也就是前端頁面的顯示。

三、在線虛擬實驗平臺組成

本在線虛擬實驗平臺由服務(wù)端硬件系統(tǒng)平臺和軟件系統(tǒng)兩部分組成：硬件包括基于FPGA 的在線開發(fā)的硬件實驗板、STM32控制電路及相關(guān)設(shè)備;軟件系統(tǒng)為學(xué)生提供實驗登錄、連接、實驗列表信息、實驗報告上傳等在線實驗要求的功能構(gòu)成，在線實驗教師端具有為學(xué)生在線虛擬實驗進行發(fā)布實驗、上傳實驗指導(dǎo)書等初始化操作及學(xué)生信息導(dǎo)入、實驗板信息管理及實驗成績管理等功能。

1.在線虛擬實驗硬件系統(tǒng)平臺

在線實驗服務(wù)端硬件平臺由服務(wù)器、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、FPGA實驗電路模塊、控制電路模塊等構(gòu)成，如圖2所示。其中控制電路模塊采用一款基于ARM cortex-M4內(nèi)核的32位嵌入式微控制器STM32F407，它是整塊實驗板的核心，主要負責服務(wù)器和實驗板之間進行通信，如從網(wǎng)絡(luò)模塊接收服務(wù)器傳來的控制指令;采集FPGA電路模塊輸出管腳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)模塊返回至服務(wù)器;網(wǎng)絡(luò)模塊負責遠程FPGA實驗板與服務(wù)器之間的實驗數(shù)據(jù)傳輸;數(shù)據(jù)存儲模塊則用于存儲FPGA實驗板的信息及運行狀態(tài);服務(wù)器接收到瀏覽器發(fā)送的實驗電路文件配置請求后，服務(wù)器與FPGA實驗板之間以規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，將實驗電路文件發(fā)送至實驗板進行遠程配置并返回配置進度及配置結(jié)果，同時服務(wù)器也是整個平臺的軟件系統(tǒng)管理機。

2.在線虛擬實驗平臺軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)提供在線實驗服務(wù)和實驗設(shè)備控制管理功能，包括在線實驗的管理系統(tǒng)和控制軟件。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，用戶使用瀏覽器輸入在線實驗平臺的域名或IP地址，選擇用戶類型，可分別進入學(xué)生在線實驗頁面和教師管理頁面。學(xué)生用戶登錄到實驗平臺，可瀏覽系統(tǒng)的公告信息、選擇課程實驗和開放實驗，可下載實驗課件、進行在線虛擬實驗。教師用戶登錄到在線虛擬實驗平臺，具有學(xué)生管理功能，主要是學(xué)生信息的增刪改功能，列出遠程服務(wù)端設(shè)備列表。學(xué)生使用信息包括登錄信息、操作信息，學(xué)生端的實驗項目管理功能及實驗課件的上傳，公告信息管理包括公告信息的增、刪、改功能，實驗板卡信息監(jiān)控、學(xué)生實時操作監(jiān)控及實驗成績管理等功能。

3.在線虛擬實驗平臺的優(yōu)點

通過比較分析線下實驗與線上虛擬實驗的異同，可以得出在線虛擬實驗具有以下優(yōu)點：①實現(xiàn)了實驗室的深度開放。傳統(tǒng)的實驗室很難實現(xiàn)24小時開放，而在線虛擬實驗只要有網(wǎng)絡(luò)就能進行實驗，突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時空約束。②節(jié)省了實驗設(shè)備資源。傳統(tǒng)實驗在實驗箱上做實驗驗證，需要一人一臺，而且在整個實驗過程中獨占設(shè)備，而線上虛擬實驗方式整個的設(shè)計過程是在各自的終端上實現(xiàn)，只有在驗證時才連接遠程設(shè)備，不用時即可釋放，可以多人共享實驗設(shè)備;③減少了設(shè)備維護量。在實驗設(shè)備維護上，由于是在線虛擬實驗，實驗者不直接操作儀器，只是通過虛擬實驗面板來操作實驗儀器，避免了由于不合理操作導(dǎo)致的設(shè)備損壞，有效地保護了實驗設(shè)備，大大減輕了設(shè)備維護的工作量，提高了儀器設(shè)備的使用壽命[10-13]。

四、在線虛擬實驗的教學(xué)實踐

1.實驗原理

學(xué)生在客戶端根據(jù)設(shè)計的任務(wù)要求，使用Quartus II開發(fā)系統(tǒng)進行實驗項目的設(shè)計、綜合、仿真驗證功能、管腳分配，生成*.rbf的配置文件;使用瀏覽器輸入服務(wù)端的URL，登錄連接遠程Web服務(wù)器并將實驗程序通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至服務(wù)端的FPGA硬件設(shè)備上;通過STM32操控服務(wù)端實驗設(shè)備并將實驗結(jié)果通過虛擬實驗面板完成實驗的驗證。

2.實驗內(nèi)容設(shè)置

《數(shù)字邏輯》是一門理論和實際緊密結(jié)合的課程，具有很強的工程性與實踐性。在線虛擬實驗項目的開發(fā)根據(jù)《數(shù)字邏輯》課程的教學(xué)要求，開發(fā)的實驗項目有基本邏輯門電路實驗、組合邏輯電路實驗（一位全加器實驗、四位全加器電路、加減運算電路的設(shè)計、譯碼器電路的設(shè)計、編碼器電路的設(shè)計、七人表決器電路設(shè)計、四人搶答器電路設(shè)計、多路選擇器電路設(shè)計、BCD-七段碼顯示譯碼器電路的設(shè)計）、時序電路的設(shè)計（觸發(fā)器實驗、十進制計數(shù)器的設(shè)計、分頻器電路的設(shè)計、序列檢測器電路的設(shè)計、存儲器的設(shè)計、動態(tài)數(shù)碼管顯示、簡易電子鐘的設(shè)計）等共16個實驗。此外，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣開發(fā)其他的創(chuàng)新實驗。

根據(jù)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)《數(shù)字邏輯》課程的教學(xué)大綱，選擇了7個實驗作為課程實驗，8個實驗作為課程的開放實驗。在開展實驗教學(xué)前，教師先將實驗學(xué)生的信息導(dǎo)入到平臺，將7個課程實驗在系統(tǒng)中發(fā)布，在發(fā)布實驗項目時，將實驗需要的實驗指導(dǎo)書和虛擬實驗面板文件一同上傳，供學(xué)生參加，圖3所示為發(fā)布實驗項目界面。

3.虛擬實驗面板的設(shè)計

在線虛擬實驗是通過虛擬實驗面板操作遠端的實驗板，設(shè)計一個操作方便的虛擬面板是驗證實驗設(shè)計的前提，在系統(tǒng)中提供了基礎(chǔ)器件、實物器件及邏輯器件，這些器件包含了常用的輸入輸出單元，如開關(guān)、按鍵、數(shù)碼管、LED等輸入輸出資源，以及可自定義的邏輯單元，供設(shè)計虛擬面板文件使用。虛擬實驗板設(shè)計好后，實驗者對虛擬實驗面板的操作信息通過瀏覽器發(fā)送給服務(wù)器;服務(wù)器會根據(jù)接收到的虛擬實驗板生成實驗板操作指令，與實驗板進行實驗數(shù)據(jù)交互，并將返回的數(shù)據(jù)解析后放于虛擬實驗板返回至瀏覽器;瀏覽器接收到返回的虛擬實驗板數(shù)據(jù)后，從中提取數(shù)據(jù)顯示在圖形界面上。因此虛擬實驗板是瀏覽器與遠端硬件層的實驗數(shù)據(jù)交互服務(wù)之間虛擬出來的一個中間層。

學(xué)生在進行課程實驗時，可以直接使用教師設(shè)計好的虛擬面板文件進行驗證;在進行課外開放實驗時，學(xué)生需要自己設(shè)計虛擬面板文件，然后通過虛擬實驗板進行設(shè)計的驗證。圖4所示為3-8譯碼器實驗的虛擬實驗面板。

4.在線虛擬實驗注意事項

在線虛擬實驗與線下實驗的操作基本都是一樣的，但在設(shè)計綜合、器件編程與實驗驗證上需要注意以下幾點：第一，在設(shè)計綜合時，由于遠程配置采用PS方式配置，因此需要生成rbf的二進制數(shù)據(jù)格式;第二，在器件編程時，需要在教師發(fā)布的課程實驗中，先選擇實驗，然后系統(tǒng)按照策略分配FPGA實驗板進行FPGA燒寫（下載）;第三，下載完成后運行實驗是通過虛擬實驗面板進行驗證，而不是在硬件實驗板上實際操作。

五、結(jié)束語

我院實驗中心數(shù)字邏輯實驗室配備35套FPGA實驗箱+10套遠程FPGA實驗板。學(xué)校2018級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)5個班的《數(shù)字邏輯》課程利用該平臺進行了實驗教學(xué)。在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的《數(shù)字邏輯》實驗中，設(shè)置了7個必做的實驗作為課內(nèi)實驗，8個課外開放實驗供學(xué)生選做。每個班每周安排一次固定的時間進行線下實驗，在實驗室進行課內(nèi)實驗，在課內(nèi)完不成實驗的學(xué)生，可利用在線虛擬實驗平臺補做。課外8個開放實驗采用線上實驗，不安排統(tǒng)一實驗時間，學(xué)生可根據(jù)自己的時間來完成。通過問卷調(diào)查，學(xué)生普遍反應(yīng)實驗時間更加自由了，課上完不成的任務(wù)，可以回到宿舍繼續(xù)完成，也不需要往實驗室跑，極大地方便了學(xué)生，同時也解決了實驗室的開放難題。

實踐表明，利用在線虛擬實驗平臺，選做開放實驗的學(xué)生更多了，學(xué)生可以開發(fā)更多感興趣的實驗或者更復(fù)雜的綜合性實驗，從而進一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新。同時應(yīng)用在線虛擬實驗平臺進行實驗，可很方便地構(gòu)建虛實結(jié)合、線上線下混合式實驗教學(xué)模式，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的泛在化實驗教學(xué)理念，提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量與效果。今年疫情期間，很多計算機硬件類的實驗都無法正常進行，但我校2018級通信工程專業(yè)3個班的《數(shù)字電子技術(shù)》利用該平臺進行線上實驗，很好地解決了疫情期間的實驗教學(xué)問題。

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（編輯：魯利瑞）