薛彩姣

(武警學(xué)院 基礎(chǔ)部,河北 廊坊 065000)

EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺的開發(fā)與利用

薛彩姣

(武警學(xué)院 基礎(chǔ)部,河北 廊坊 065000)

針對實(shí)驗(yàn)受空間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等限制的問題，利用現(xiàn)代通信技術(shù)，通過對EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行圖像、語音等信息的采集、傳輸和融合利用，實(shí)現(xiàn)了學(xué)員和EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件遠(yuǎn)程互動的功能。學(xué)員不用到實(shí)驗(yàn)室就能利用該系統(tǒng)的軟件對電路進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并利用該系統(tǒng)的硬件設(shè)備對電路進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程觀察硬件實(shí)現(xiàn)后電路的聲光等現(xiàn)象，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

EDA；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；遠(yuǎn)程；共享

EDA(Electronic Design Automation，即電子設(shè)計自動化)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于武警學(xué)院消防工程、消防指揮、電子信息工程、火災(zāi)勘查、核生化消防等專業(yè)的《電工與電子技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有相應(yīng)的軟件、可編程芯片和其他硬件，可編程芯片具有豐富的功能單元和全開放式設(shè)計，支持學(xué)員做出超過大綱要求的具有復(fù)雜性和創(chuàng)造性的綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)。因此，該系統(tǒng)不僅適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計，同時也是從事教學(xué)及科研的廣大教師和電子愛好者的理想開發(fā)工具。但是大家必須到實(shí)驗(yàn)室利用EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件才能進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件才能進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，這就使實(shí)驗(yàn)受到時間、空間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等的限制。

基于此，響應(yīng)教育部關(guān)于加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和加強(qiáng)開放性實(shí)驗(yàn)的要求，對“EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。使EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件硬件資源可以被校內(nèi)(甚至校外)的授權(quán)網(wǎng)絡(luò)終端使用[1]，使軟件和硬件實(shí)驗(yàn)均不受時間和地點(diǎn)的限制，提高學(xué)員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的興趣及效果，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和實(shí)驗(yàn)室使用效益。

1 “EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”的框架設(shè)計

依托實(shí)驗(yàn)室已有的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件、服務(wù)器和校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源開發(fā)“EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件硬件相互通信[2]的功能?！癊DA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”的框架設(shè)計如圖1所示。下面通過“EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”硬件功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、“EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”軟件功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)詳細(xì)介紹其具體工作過程。

圖1 “EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”框架設(shè)計圖

2 “EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”硬件功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

硬件包括客戶端電腦(含耳機(jī)或音箱)、交換機(jī)、服務(wù)器(含攝像頭、話筒)、EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件資源?？蛻舳穗娔X上安裝該平臺的客戶軟件和耳機(jī)；服務(wù)器上安裝攝像頭、話筒、EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件和該平臺的服務(wù)器軟件?？蛻舳穗娔X通過交換機(jī)和服務(wù)器相連；服務(wù)器并口和EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可編程芯片相連；服務(wù)器上安裝的攝像頭和話筒分別采集EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)聲、發(fā)光器件的聲音、光線效果。

學(xué)員完成電路設(shè)計工作后在客戶端通過交換機(jī)和服務(wù)器進(jìn)行互動，利用服務(wù)器的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，觀察仿真結(jié)果是否符合要求，符合要求后利用服務(wù)器的并口將程序下載到EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可編程芯片里，進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。硬件實(shí)現(xiàn)后，給可編程芯片里面的電路輸入信號，把輸出信號送到芯片外面的發(fā)聲或發(fā)光器件上供實(shí)驗(yàn)人員觀察電路的反應(yīng)。攝像頭和話筒采集硬件電路的光線、聲音信息，并通過服務(wù)器發(fā)送給客戶端讓學(xué)員判斷電路是否滿足需要，達(dá)到硬件資源共享的目的。硬件電路對輸入激勵信號的反應(yīng)滿足設(shè)計要求后就可以進(jìn)行電路的固化操作了。

3 “EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”軟件功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 服務(wù)器軟件

服務(wù)器上安裝的軟件包括EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件和該平臺的服務(wù)器軟件。

EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件滿足學(xué)員進(jìn)行單機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)的要求，具有電路輸入、芯片選擇、電路編譯、電路仿真、管腳分配、程序下載的功能。

服務(wù)器軟件管理所有數(shù)據(jù)及給客戶軟件回應(yīng)?？梢酝瑫r開N個客戶端，每一個都跟服務(wù)器進(jìn)行通信，所有服務(wù)由服務(wù)器進(jìn)行調(diào)度[3]。該平臺的服務(wù)器軟件接收攝像頭、話筒采集的信息，并和該平臺的客戶軟件、EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信。服務(wù)器軟件接收客戶軟件請求后把EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件的反應(yīng)或攝像頭、話筒采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶軟件。

3.2 客戶軟件

客戶軟件包括“遠(yuǎn)程連接”、“圖像采集”、“聲音采集”、“視頻資料”和“文字資料”五部分，如圖2所示。“遠(yuǎn)程連接”成功后，學(xué)員在客戶端連接到裝有EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件的服務(wù)器上，可以進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和電路的硬件實(shí)現(xiàn)；點(diǎn)擊“圖像采集”即可觀察硬件實(shí)驗(yàn)后的光線效果；點(diǎn)擊“聲音采集”即可收聽硬件實(shí)驗(yàn)后的聲音效果；“視頻資料”和“文字資料”幫助學(xué)員熟練掌握EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作使用?！斑h(yuǎn)程連接”、“圖像采集”、“聲音采集”一起實(shí)現(xiàn)軟件硬件遠(yuǎn)程共享[4]的目的。

3.2.1 遠(yuǎn)程連接

學(xué)員在客戶端點(diǎn)擊該平臺客戶軟件中的“遠(yuǎn)程連接”后，軟件主動請求平臺服務(wù)器軟件響應(yīng)，進(jìn)入排隊(duì)池中等待，服務(wù)器響應(yīng)后，客戶端與服務(wù)器桌面相連。針對客戶端遠(yuǎn)程連接后服務(wù)器系統(tǒng)安全的問題，為了避免客戶端對服務(wù)器端軟件或者硬盤上的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，設(shè)置客戶端登錄專用的用戶。以管理員身份登錄系統(tǒng)設(shè)置“組策略”對該用戶的部分功能進(jìn)行禁用，不允許該用戶進(jìn)行軟硬件的安裝或卸載，不允許該用戶訪問部分硬盤等[5]。

“遠(yuǎn)程連接”成功后，學(xué)員就可以訪問服務(wù)器上的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)現(xiàn)了。“電路輸入”、“芯片選擇”、“電路編譯”、“電路仿真”實(shí)現(xiàn)了EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件遠(yuǎn)程共享[6]的目的，學(xué)員在客戶端和服務(wù)器互動，觀察從服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳说奶摂M仿真實(shí)驗(yàn)的各個環(huán)節(jié)工作的結(jié)果；“管腳分配”、“程序下載”實(shí)現(xiàn)了EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程下載電路程序的目的，讓學(xué)員用服務(wù)器端EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可編程芯片實(shí)現(xiàn)自己的電路。

3.2.1.1 電路輸入

一個完整的電路包括輸入管腳、電路元器件集合、輸出管腳。軟件提供四種輸入方式，即原理圖、硬件描述語言、波形、層次化輸入方式。學(xué)員通常用原理圖方式輸入電路，選中元器件庫中的所需元件放到窗口里，添加連線，給每個管腳命名，然后保存并設(shè)置該文件為默認(rèn)文件即完成電路的輸入過程。

3.2.1.2 芯片選擇

軟件提供其支持的所有可編程芯片的型號，學(xué)員要選擇EDA實(shí)驗(yàn)箱里面的實(shí)際可編程芯片進(jìn)行編譯適配,才能下載程序。

3.2.1.3 電路編譯

編譯過程中，首先進(jìn)行語法檢驗(yàn)，例如信號有無雙重來源、漏連信號線、沒有輸出管腳等，及時列出錯誤信息供學(xué)員修改；然后進(jìn)行設(shè)計規(guī)則檢驗(yàn)，檢查總的設(shè)計有無超出芯片資源或規(guī)定的限制，并列出編譯報告。合格后進(jìn)行邏輯優(yōu)化和綜合、適配和分割、布局和布線，最后生成可供芯片下載使用的程序文件。

3.2.1.4 電路仿真

給電路輸入管腳添加激勵波形，選擇仿真時間，保存激勵信號編輯結(jié)果，然后啟動仿真器開始仿真，仿真完成后軟件會計算出輸出信號。學(xué)員遠(yuǎn)程觀察電路的輸出和輸入信號波形之間的關(guān)系是否滿足設(shè)計要求，如果不滿足設(shè)計要求繼續(xù)修改電路。學(xué)員在客戶端進(jìn)行了遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件共享功能。

3.2.1.5 管腳分配

管腳分配窗口如圖3所示，窗口上方的IP地址是服務(wù)器的IP地址，說明該窗口是服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳说?圖4也是服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳说膱D，下面不再重復(fù))。可編程芯片有很多管腳作為電路與外界交流的窗口，部分管腳用來寫入電路，部分管腳用來輸入或輸出信號，分配時必須符合它的功能。因?yàn)橄螺d程序文件中體現(xiàn)了管腳順序，所以學(xué)員遠(yuǎn)程分配管腳后必須重新編譯生成下載程序文件。因?yàn)檫h(yuǎn)程無法進(jìn)行硬件操作，所以教員事先在服務(wù)器端可編程芯片的部分輸入管腳上接入按鍵開關(guān)、撥碼開關(guān)、“0”、“1”、時鐘等常用的信號，把部分輸出管腳上的信號連接到聲、光等器件上等待學(xué)員使用。學(xué)員必須選擇教員連好的管腳作為輸入輸出管腳才能通過網(wǎng)絡(luò)觀察到硬件的反應(yīng)。

3.2.1.6 程序下載

通過遠(yuǎn)程下載功能把電路編譯時生成的程序文件下載到服務(wù)器端的可編程芯片里，生成一個獨(dú)立的硬件電路，電路下載窗口如圖4所示。該芯片可以取下來單獨(dú)使用，也可以擦除后下載新的電路。

硬件電路生成后，按照“管腳分配”中定義的管腳順序給輸入管腳發(fā)送信號，并把輸出管腳的信號送給發(fā)聲、發(fā)光器件，加電后觀察不同輸入信號激勵時電路的反應(yīng)來判斷電路的功能。

圖4 電路下載窗口

3.2.2 圖像采集

攝像頭安裝在服務(wù)器上，對準(zhǔn)EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)光器件，實(shí)時采集硬件實(shí)現(xiàn)后電路的發(fā)光效果，把該效果遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇蛻舳俗寣W(xué)員看到什么時間指示燈亮滅，進(jìn)而判斷電路硬件實(shí)現(xiàn)后是否滿足設(shè)計要求。如果不滿足要求，修改電路，重復(fù)以上步驟。圖像采集效果示例如圖5所示。

圖5 圖像采集效果示例

3.2.3 聲音采集

話筒安裝在服務(wù)器上，對準(zhǔn)EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)聲器件，實(shí)時采集硬件實(shí)現(xiàn)后電路的聲音，把該聲音遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇蛻舳俗寣W(xué)員聽到聲音，進(jìn)而判斷該電路是否滿足設(shè)計要求。如果不滿足設(shè)計要求，修改電路，重復(fù)以上部分步驟。

3.2.4 文字資料

文字資料詳細(xì)介紹了EDA技術(shù)、EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件(含軟件功能、軟件安裝、可編程設(shè)計流程、可編程邏輯常用設(shè)計輸入法、軟件設(shè)計與應(yīng)用舉例)、EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件、實(shí)驗(yàn)舉例(含搶答器設(shè)計、數(shù)字鐘設(shè)計、游戲機(jī)設(shè)計等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目)。文字資料打包放進(jìn)客戶軟件里，單擊時直接打開就可以學(xué)習(xí)。

3.2.5 視頻資料

視頻資料通過舉例詳細(xì)演示了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件的使用方法、步驟。視頻資料也打包放進(jìn)客戶軟件里，單擊時直接打開就可以觀看，有助于學(xué)員更好地掌握該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作使用。

4 “EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”的實(shí)踐檢驗(yàn)效果

該平臺已投入武警學(xué)院電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、開放實(shí)驗(yàn)以及電子愛好者、教師和科研人員定制專用芯片前進(jìn)行的電路軟硬件調(diào)試。學(xué)員在客戶端通過該平臺的“遠(yuǎn)程連接”模塊連接到了裝有EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的服務(wù)器上，進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。通過“圖像采集”模塊觀察到了硬件實(shí)驗(yàn)后的發(fā)光效果，通過“語音傳輸”模塊聽到了遠(yuǎn)程硬件實(shí)現(xiàn)后電路的聲音效果，可以判斷該電路是否滿足自己的設(shè)計要求。該平臺實(shí)現(xiàn)了EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件遠(yuǎn)程共享的目的，極大地激發(fā)了學(xué)員的主動性、探索性和創(chuàng)新性,對全面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)作風(fēng)、創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力具有極其重要的意義。

5 結(jié)束語

設(shè)計和開發(fā)出的計算機(jī)軟件“EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺”客戶軟件和服務(wù)器軟件與客戶電腦(安裝耳機(jī))、交換機(jī)、服務(wù)器(安裝攝像頭、話筒、EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件)配合完成把EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程共享給學(xué)員的功能，創(chuàng)造性地解決了實(shí)驗(yàn)室軟硬件遠(yuǎn)程共享的問題。為學(xué)員自主學(xué)習(xí)提供了平臺，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室軟硬件資源的全天候開放。不足之處是可編程芯片外圍的管腳只能按照教師事先連接好的管腳進(jìn)行分配，給設(shè)計工作增加了工作量?？梢远喟惭b幾臺服務(wù)器，多提供幾種管腳分配方案供學(xué)員選擇。今后還要及時增加可共享的軟硬件資源，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室的利用率。

[1] 胡欣杰，路川，廖葵.基于Web的遠(yuǎn)程儀器設(shè)備共享服務(wù)平臺研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(11):402-404.

[2] 鐘映春，華星，羅巖.基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(7):96-98.

[3] 張玉成.基于分布式網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(6):134-137.

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[5] 吳文婷,黃鳳良,蔣翰誠.遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管理機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(6):97-99.

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(責(zé)任編輯 李獻(xiàn)惠)

The Development and Application of a Remote EDA Experimental System Platform

XUE Caijiao

(DepartmentofBasicCoursesTeaching，TheArmedPoliceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

Against the limits of space and experiment equipment， and by using modern communication technology, a remote interactive function between the students and the EDA experiment system software and hardware is realized through acquisition, transmission and fusion using their image, voice and other information data. Without using the laboratory, the students can do a virtual laboratory simulation experiment on the circuit by using the software of the system, realize the circuit by the hardware equipment of the system, and observe the acoustic optical phenomena of hardware circuit to obtain a good experimental result.

EDA; the experimental system; remote; sharing

2015-03-09

武警學(xué)院教改項(xiàng)目“EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程共享平臺的開發(fā)與利用”

薛彩姣(1978— )，女，河南平頂山人，副教授，碩士。

TN402;TP391.6

A

1008-2077(2015)07-0051-04