數(shù)字邏輯半實(shí)物遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

張洪杰 錢彭飛 劉峰

摘要：本文結(jié)合數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程，介紹了用戶學(xué)習(xí)、教學(xué)管理、設(shè)備共享三方結(jié)合的數(shù)字系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以期能夠幫助廣大教師改進(jìn)學(xué)生對(duì)在線實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程共享;數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn);半實(shí)物

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2021）22-0075-04

● 引言

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)建設(shè)分虛擬仿真和半實(shí)物仿真兩種。統(tǒng)一供貨的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以滿足部分學(xué)科通識(shí)實(shí)驗(yàn)，但也存在虛擬體驗(yàn)感與本地軟件仿真差距較大、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難覆蓋層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)等問題。半實(shí)物仿真較多采用真實(shí)受控對(duì)象并通過有網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)時(shí)仿真機(jī)來輸出控制信號(hào)和接受反饋信號(hào)，如面向陸空無人機(jī)、機(jī)器人控制、伺服電機(jī)對(duì)拖、預(yù)警雷達(dá)、智能輔助駕駛等，但仿真系統(tǒng)軟硬件協(xié)同測(cè)試復(fù)雜度高。

筆者了解到，數(shù)字系統(tǒng)MCU或FPGA設(shè)備的半實(shí)物仿真往往配備本地小實(shí)驗(yàn)板硬件和軟件技術(shù)，如MCU終端遠(yuǎn)程更新、專用云下掛MCU測(cè)試、FPGA內(nèi)部邏輯分析儀測(cè)試等。而遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本上能夠處理下發(fā)激勵(lì)輸入信號(hào)操作實(shí)物和上傳實(shí)物輸出信號(hào)觀察現(xiàn)象。文獻(xiàn)[1]映射了客戶端鼠標(biāo)與鍵盤，并將FPGA板VGA輸出信號(hào)串流推送客戶端。在安全有保障時(shí)，教師也可以開放遠(yuǎn)程桌面控制實(shí)驗(yàn)用機(jī)達(dá)到共享硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹５珜?shí)驗(yàn)課程管理一般是基于Moodle開源免費(fèi)課程框架開發(fā)，隨著自建課程門數(shù)和班級(jí)的逐年增多，擴(kuò)容壓力增大、環(huán)境安全維護(hù)、Moodle分組訪問限制等問題不斷出現(xiàn)，因?yàn)?，必須從?shí)驗(yàn)教學(xué)信息化實(shí)際出發(fā)，整合教學(xué)系統(tǒng)。

● 數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享系統(tǒng)

傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般是在本地運(yùn)行，由FPGA實(shí)驗(yàn)板、USB下載線、專用IDE和PC機(jī)組成。數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為用戶學(xué)習(xí)、教學(xué)管理和設(shè)備共享三層（如圖1）。

（1）設(shè)備共享層完成同實(shí)物設(shè)備的底層交互。主要的實(shí)物設(shè)備有FPGA實(shí)驗(yàn)板和驅(qū)動(dòng)板。在一臺(tái)可以接入校園網(wǎng)實(shí)驗(yàn)用機(jī)上掛載實(shí)驗(yàn)板和攝像頭，攝像頭可以借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)板實(shí)時(shí)顯示的畫面在校園網(wǎng)內(nèi)直播，供遠(yuǎn)程觀察實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，另一路帶MQTT網(wǎng)關(guān)的驅(qū)動(dòng)板經(jīng)IO口直連接實(shí)驗(yàn)板，根據(jù)用戶遠(yuǎn)程下發(fā)指令，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)板操作所需的輸入激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)教師拓展物聯(lián)云后也可以采集實(shí)驗(yàn)板數(shù)據(jù)并上傳，供運(yùn)維分析。

（2）教學(xué)管理層負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)課程慕課平臺(tái)、MQTT服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)用機(jī)。筆者所在學(xué)校和超星合作推出的免費(fèi)開放校級(jí)慕課平臺(tái)能夠有效地滿足課程教學(xué)管理信息化的一平三端要求。課程教學(xué)資料，如課程章節(jié)頁面或活動(dòng)都能夠更新至慕課，而與實(shí)驗(yàn)操作更緊密相關(guān)的工程文件則可以通過遠(yuǎn)程桌面文件操作擺上實(shí)驗(yàn)用機(jī)桌面。在這里，管理教師兼顧管理MQTT服務(wù)和視頻串流服務(wù)。

（3）用戶學(xué)習(xí)層是指用戶在教師的引導(dǎo)下自主展開實(shí)驗(yàn)并學(xué)習(xí)。具體操作為：用戶在本地安裝相同的FPGA軟件平臺(tái)，根據(jù)教學(xué)進(jìn)程學(xué)習(xí)慕課章節(jié)。同時(shí)，學(xué)生要先在本地完成仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物驗(yàn)證前的硬件預(yù)約;預(yù)約成功后，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過遠(yuǎn)程觀察和實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證;如果遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常，學(xué)生要排除故障并返回上一步;最后完成實(shí)物驗(yàn)證，整理數(shù)據(jù)并完成報(bào)告。

● 系統(tǒng)配置與運(yùn)行

除慕課資源在課程平臺(tái)管理學(xué)生課程信息外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備要共享系統(tǒng)遠(yuǎn)程所涉及的能“看到”和能“手動(dòng)”技術(shù)配置、實(shí)驗(yàn)操作和預(yù)約等流程規(guī)范。

1.遠(yuǎn)程觀察服務(wù)

實(shí)驗(yàn)用機(jī)上要掛載普通攝像頭，并將其配置成內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭。計(jì)算機(jī)的基本配置為Win7 X64系統(tǒng)、I3處理器和8G內(nèi)存。

（1）Nginx流媒體服務(wù)器

Nginx流媒體服務(wù)器啟動(dòng)的基本操作步驟為進(jìn)入Win命令提示符窗口并依次輸入如上頁圖2所示的命令。執(zhí)行后注意不要關(guān)閉窗口，此時(shí)命令行會(huì)一直處于執(zhí)行中。當(dāng)瀏覽器輸入localhost：9090時(shí)，出現(xiàn)Welcome頁面則說明配置Nginx啟動(dòng)成功。

（2）OBS導(dǎo)播推流

在安裝OBS軟件后，配置場(chǎng)景，默認(rèn)場(chǎng)景1，其來源為添加視頻捕獲設(shè)備，并指定已掛載攝像頭。也可以將來源指定為本系統(tǒng)其他程序運(yùn)行窗口，也可以是多個(gè)攝像機(jī)位，并拖動(dòng)為畫中畫。接著，在右列工具箱中點(diǎn)擊進(jìn)入“設(shè)置”框，修改rtmp：//內(nèi)網(wǎng)IP：1935/live，其中串碼密鑰不用。在配置完成后，在右列工具箱中點(diǎn)擊“開始推流”按鈕，進(jìn)而開啟內(nèi)網(wǎng)串碼推流服務(wù)。

（3）網(wǎng)絡(luò)播放攝像畫面

用戶所使用的計(jì)算機(jī)需認(rèn)證登錄校園網(wǎng)，并在安裝VLC播放軟件后，打開網(wǎng)絡(luò)串流。同時(shí)，在VLC媒體菜單下拉選擇“打開網(wǎng)絡(luò)串流”框，輸入地址rtmp：//公布的內(nèi)網(wǎng)IP：1935/live/，便可遠(yuǎn)程觀察實(shí)驗(yàn)板。

2.遠(yuǎn)程操作服務(wù)

實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)板接入的MQTT服務(wù)器可直接使用免費(fèi)公用的MQTT服務(wù)器，有條件的學(xué)校也可以上云服務(wù)器部署EMQ X物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

（1）驅(qū)動(dòng)板環(huán)境

筆者所使用的驅(qū)動(dòng)板是S5開發(fā)板Air202T模塊支持四頻段GSM/GPRS，片上存儲(chǔ)和外設(shè)資源豐富且能通過睡眠省電，支持Lua腳本開發(fā)模式[2]和JSON數(shù)據(jù)格式方便物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

代碼編輯器選用的是VS Code，并安裝拓展Lua、LUAT、indent-rainbow、Rainbow Brackets插件來輔助代碼檢查、LUAT接口代碼自動(dòng)補(bǔ)全、高亮等。

LuatTools通過USB線連接開發(fā)板HOST串口，調(diào)試軟件代碼、下載底層固件和Lua腳本下載，也提供上層軟件Demo和Lib庫。

（2）main.lua啟動(dòng)

lua功能一般采用模塊化編程，只需要在main.lua中添加語句require"MqttLuatClient"就可以添加MQTT客戶端，其他默認(rèn)包含log、sys、net、wdt和netLed即可。

需要注意的是，要確認(rèn)末尾sys.init（0，0）和sys.run（）語句無錯(cuò)，才能啟動(dòng)Luat系統(tǒng)框架。

（3）MqttLuatClient.lua主題切換

任務(wù)事件要采用訂閱與發(fā)布模式，并依賴不同的主題名傳遞消息。不同用戶端可以訂閱同一主題而不會(huì)相互影響，但不同用戶操作指令需要發(fā)布至不同主題才能避免沖突，解決的關(guān)鍵在于主題切換。

主題還可以劃分為固定設(shè)置主題（如test0）和用戶操作實(shí)驗(yàn)板主題（如test/a），通過設(shè)置命令如set ABCD向test0主題發(fā)布消息修改test/a中的a為四位驗(yàn)證碼ABCD，切換到飛行模式20秒后再切換回工作模式，然后用戶就可以發(fā)test/ABCD操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

（4）MqttLuatClient.lua操作信號(hào)

文件開頭代碼包含pm和pins庫，可以完成實(shí)驗(yàn)板上按鍵和時(shí)鐘開關(guān)的變量定義，如驅(qū)動(dòng)板GPIO的pins號(hào)和方向映射和電壓域的電壓設(shè)定。

sys.taskInit系統(tǒng)啟動(dòng)后可自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)函數(shù)，完成socket準(zhǔn)備后使用設(shè)備IMEI、用戶名和密碼創(chuàng)建MqttClient客戶端，等待TCP連接MQTT服務(wù)器地址成功后，訂閱相應(yīng)主題便一直循環(huán)等待MqttClient接收或發(fā)送消息以執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。

mqttReceiveMsg（MqttClient）函數(shù)判斷data.topic主題類別。如果是設(shè)置主題，json.decode（）解析收到的JSON數(shù)據(jù)，用set鍵值對(duì)的非空值替換操作主題test/a中的a，執(zhí)行飛行模式和工作模式切換;如果是操作主題，可以按payload輸出相應(yīng)控制信號(hào)。

（5）腳本調(diào)試

當(dāng)?shù)讓雍湍_本下載到驅(qū)動(dòng)板后，在MqttLuatClient.lua代碼中，可以將添加的log.info（）語句輸出到LuatTools窗口中觀察，如果加入回調(diào)消息就可發(fā)布至另一主題，如insertMsg（"/test3/"，data.topic.." "..data.payload），通過MQTT客戶端軟件訂閱查看消息結(jié)果。

3.實(shí)驗(yàn)操作

半實(shí)物實(shí)驗(yàn)用戶要在本地FPGA開發(fā)環(huán)境中先完成數(shù)字系統(tǒng)電路和功能仿真驗(yàn)證，才能在遠(yuǎn)程共享系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

（1）MQTT桌面客戶端

MQTT客戶端的聊天式圖形界面簡(jiǎn)化了操作邏輯，可以快速地創(chuàng)建連接多個(gè)客戶端，進(jìn)而方便測(cè)試MQTT/TCP和MQTT/TLS連接、發(fā)布/訂閱功能及其他特性。

Windows桌面則可在應(yīng)用商店里選用MqttBox，安卓手機(jī)可選MQTT Dashboard?？蛻舳伺渲脼镃lient名字任意、Protocol協(xié)議為MQTT/Tcp、Host服務(wù)器地址和1883端口、Qos默認(rèn)0等，用戶保存后進(jìn)行連接。

當(dāng)連接成功后，可以先在Topic to publish發(fā)布窗口進(jìn)而設(shè)定主題，如/test/a，Qos為0，無retain保留消息、數(shù)據(jù)Payload選擇Strings/JSON/XML/Characters。接著在Payload輸入發(fā)布消息數(shù)據(jù)，再Publish即可。Topic to subscribe訂閱窗口所設(shè)定的主題如/test3，用戶可以觀察回調(diào)消息。

（2）三位數(shù)碼管掃描顯示實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容為：學(xué)習(xí)數(shù)碼管BCD碼數(shù)據(jù)輸入和譯碼顯示結(jié)果，觀察三位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描順序并描述執(zhí)行步驟，分析時(shí)鐘頻率對(duì)三位數(shù)碼管顯示效果的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)譯碼部分A至F字符顯示（在不刪除7449的情況下）。

首先，學(xué)生開啟VLC播放軟件遠(yuǎn)程觀察最左邊三位數(shù)據(jù)管顯示的初始值（如523）。發(fā)布窗口Payload輸入數(shù)據(jù)（如8），并發(fā)布;訂閱窗口顯示回調(diào)消息，遠(yuǎn)程觀察實(shí)驗(yàn)板最左邊那位數(shù)碼管的顯示是否改變?yōu)?，四位key燈指示1000。

驅(qū)動(dòng)板支持clkfast、clkmid、clkslow指令，分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管顯示刷新速度的快、中、慢。0至F（大寫）表示最左邊數(shù)碼管顯示輸入為0000至1111。

4.課程管理

雖然學(xué)校的超星慕課平臺(tái)能夠解決目前自建教學(xué)服務(wù)器出口帶寬的問題，但還需要接入更為優(yōu)良的慕課大平臺(tái)，滿足多種學(xué)習(xí)端的應(yīng)用需求。教師可以隨時(shí)分班管理，方便不同班級(jí)開始不同課程。

另外，教師也可以通過遠(yuǎn)程桌面軟件，如TeamViewer、UltraVNC Viewer等，遠(yuǎn)程訪問實(shí)驗(yàn)用機(jī)，并利用桌面共享和文件傳輸來查看設(shè)備運(yùn)行、FPGA開發(fā)環(huán)境安裝、實(shí)驗(yàn)板測(cè)量。

在實(shí)驗(yàn)過程中，如果學(xué)生因?yàn)閷?shí)驗(yàn)內(nèi)容需要將電路下載至實(shí)驗(yàn)板上運(yùn)行，可以向教師申請(qǐng)，授權(quán)后就可以登錄校園網(wǎng)，通過遠(yuǎn)程桌面將本機(jī)上的sof文件上傳至實(shí)驗(yàn)用機(jī)，再下載至實(shí)驗(yàn)板。

同樣，在進(jìn)行數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生需要測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)和單個(gè)數(shù)碼管位選信號(hào)波形并分析周期關(guān)系，這時(shí)可以通過遠(yuǎn)程桌面操作實(shí)驗(yàn)主機(jī)外掛USB虛擬示波儀器完成實(shí)驗(yàn)板上的信號(hào)測(cè)量。

● 結(jié)語

本文采用數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源線上建設(shè)和實(shí)驗(yàn)板遠(yuǎn)程共享任務(wù)。經(jīng)過實(shí)踐筆者發(fā)現(xiàn)，半實(shí)物遠(yuǎn)程共享實(shí)驗(yàn)?zāi)芎w數(shù)字電路測(cè)試數(shù)據(jù)和波形獲取、設(shè)計(jì)優(yōu)化、仿真平臺(tái)綜合驗(yàn)證，培養(yǎng)了學(xué)生使用現(xiàn)代仿真工具和進(jìn)行系統(tǒng)仿真驗(yàn)證的能力，保障了線上教學(xué)和線下實(shí)驗(yàn)的雙線教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]艾明晶，楊群芳.FPGA在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與在線實(shí)驗(yàn)方法研究[J].測(cè)控技術(shù)，2019，38（01）：19-23+28.

[2]openluat wiki[EB/OL].https：//wiki.openluat.com/.