追梦系列-单片机远程云端实验平台（升级版）

 

一、产品概述

单片机远程云端硬件实验平台是虚实一体的教学实验系统，采用B/S架构，既兼顾了传统单片机实验系统的功能又结合了大数据、云计算机技术可实现远程操作的功能---设计功能电路、远程烧写单片机、远程反馈实验结果。

采用真实的STC8051系列的单片机，外设模块全部为模拟虚拟器件，配有必要的虚拟仪器，让学生全身心专注于编程练习，只要有网络的地方，就可以随时随地随心进行实践训练，在网络上操作完全达到了实体操作声临其境的效果，外设模块丰富，完全真正构建起云硬件实验室。软件分为教师登录端口与学生登录端口，具有一定的实验管理功能，在疫情期间，让居家实验成为可能。

二、主要组成

（一）基于云端的硬件实验平台架构

（二）硬件组成

1.       远程接入设备

 

 

 

 

 

 

 

 

采用标准的3U机箱设计、标准输入电源规格220V，50-60Hz；机箱配备1A保险保障安全；装配有12个插槽的底板、1块电源板卡（5V/10A）、风扇以及相关安全检测、控制模块等。其功能如下：

（1）温度监测

 机箱拥有双温度传感器，实时采集机箱内部温度+电源温度。控制机箱温度稳定在33°-35°之间， 当机箱温度超出35°临界值，控制端驱动风扇实时物理降温。当极端环境温度飙升至60°时，控制端会采取整机断电冷却降温，实现对板卡保护。

（2）功耗控制

 通过机箱的后端控制，对板卡的电压整机功耗进行控制。当板卡电压高于5.2V时，机箱控制端发出警报，并采取断电处理以保护板卡安全。当整机功耗大于50W时，机箱控制端发出警报，并采取断电处理以保护整机安全。

（3）板卡在线监测

 通过后端控制平台，对插槽中的板卡进行实时数量监测，并反馈给服务器。

（4）短路保护

 机箱控制端可以对单插槽板卡进行短路保护，一块板卡即硬件设备单元出现问题，不会影响其它硬件设备单元供电使用。

2.       远程云端硬件设备单元

硬件设备单元采用板卡的形式，通过LAN接口连接到远程实验接入设备的服务器上。设备单元采用ARM+MCU的核心硬件方案， 其中ARM解析服务器软件下发的命令，并负责下载MCU程序、设置MCU管脚输入状态以及采样输出管脚状态。

 

具体参数如下：

受控端：

（1）STC系列的IAP15W4K61S4

（2）全速USB 接口(CH340G)

（3）1路内部CAN 总线

（4）100M以太网接口

（5）预留TF卡(SDIO接口)

（6）预留音频接口

监控端：

（1）ARM Cortex-M7 系列的STM32H750XB

（2）64K的EEPROM 存储器 (AT24C64)

（3）16M的SRAM (IS61WV102416BLL)

（4）1路内部CAN 总线

（5）100M以太网接口

（6） LED * 2

（7）1路USB 转 UART

 

3.       数据中心

数据中心采用服务器实现，负责管理多个MCU硬件设备单元并运行服务器软件，实现学生登陆管理、动态分配MCU硬件设备、程序提交与下载、记录学生操作记录等，并将请求和操作以指令的形式发送到MCU硬件设备单元。

（一）具体如下：

1、为学生动态分配MCU硬件实验设备；

2、将用户的操作命令转发到对应的板卡进行处理；

3、数据库管理，将用户登录信息、操作记录都记录到数据库中；

4、提供教师机后台管理与数据查看功能。

（二）软件组成

软件为B/S架构，分为管理端、教师端、学生端三部分。

1.       管理端软件

（1）教师管理：分配教师账号；可批量下载/上传账号模板。

（2）设备管理：可批量添加、删除设备，升级设备程序，下载设备实时日志，设备信息编辑（板卡号、设备类型、设备MAC、设备IP、设备状态）。

（3）设备搜索：可批量搜索、添加设备。

（4）系统公告：可以发布管理员公告信息。

（5）登录记录：可以实时记录所有用户的登录信息。

（6）操作信息：可以实时记录所有用户的平台操作信息。

（7）数据统计：可以实时统计在线人数、登录人数最多省份、登录最多浏览器类型、最长在线时间；日活（UV）统计图形；访问量（PV）统计图形。

（8）问题反馈：可以收到所有用户账号反馈的信息。

（9）异常日志：可以获取所有出现异常状态的账户信息。

（10）后台配置：可以设定板类型【MCU(STC51)、MCU(STC51-V2)、MCU(STM32)、FPGA(Altera)、FPGA(Xilinx)】；重置数据库。

2.       教师端软件

 

教师机软件提供了登录、学生信息监控、学生操作记录监控、实验管理、MCU板卡连接状态监控、学生实时操作信息监控等功能。

（1）学生管理：能够分配学生账号，

（2）设备信息：可以观察到硬件板卡信息；

（3）学生记录：可以记录学生账号登录的信息；

（4）实验管理：发布公告信息，上传课件，获取学生上传的实验报告。

（5）实验面板为主要操作区域，详细功能要求如下：

1）MCU烧写；

2）运行实验；

3）清空面板；

4）面板设置：面板高度、画布偏移、缩放、全屏、清除等参数功能；

5）导入实验；

6）导出实验；

7）器件面板：

A.基础器件界面：应包含位输入、脉冲输入、时钟输入、多位输入、位输出、多位输出、频率测量输出、模拟量输入、PWM输入、信号发生器；

B.实物器件界面：应包含LED灯、按键、拨码开关、蜂鸣器、数码管、4位数码管、8×8点阵、16×16点阵、1602液晶屏、12864液晶屏、步进电机、直流电机、语音播放模块、语音识别模块；

C.逻辑器件界面：应包含基本管脚、自定义管脚、示波器、逻辑分析仪、串口调试助手、网络调试助手、CAN调试助手；

D.其它界面：应包含文字、图片、跳转框。

3.       学生端软件

（1）提供学生登陆入口

（2）信息公告、教学课件、实验列表、实验面板、作业上传；

（3）客服、信息提示、硬件设备连接提示以及操作者的信息。

（4）实验面板为主要操作区域，详细功能如下：

①MCU烧写

②运行实验

③清空面板

④面板设置：面板高度、画布偏移、缩放系数等参数功能

⑤导入实验

⑥导出实验

⑦分享实验：支持QQ、微博、微信

⑧隐藏器件面板功能

⑨器件面板：

A.基础器件：位输入、脉冲输入、多位输入、位输出、多位输出、频率测量输出、模拟量输入等;

B.实物器件：LED灯、按键、拨码开关、蜂鸣器、数码管、4位数码管、8*8点阵、16*16点阵、1602液晶屏、12864液晶屏、步进电机、直流电机、语音播放模块、语音识别模块等;

C.逻辑器件：基本管脚、自定义管脚、逻辑分析仪、串口调试助手、网络调试助手；

D.其它：文字、图片.

三、产品优势

1.课堂示范教学，所讲即所得

利用远程云端硬件平台很方便老师在讲解例程时，通过编写每行代码并且编译运行，形成下载文件的HEX文件，可远程下载到真实的单片机中，并且运行后看到程序运行的实验结果。改变以前只能满堂灌去讲解每段编写程序的作用，靠学生想象运行的现象。

2.不受时空的约束

无论老师还是学生，只要想登陆平台，随时随地都可以开展教学活动，学生随时可以验证自己编程实验的结果，老师随时都可以检查学生实验状况，做到即时反馈与指导。

3.应对突发事件

在我们教学过程中，偶尔会遇到一些突发事件，通过远程云端硬件实验平台可以给学生一个实验训练不间断的平台，不影响学生的正常教学活动。

4.集成有虚拟仪器功能：逻辑分析仪、串口助手、网络调试助手

5.快速搭建功能电路，具备电子连线。

四、实验案例（部分）

1.按键控制实验        

2.流水灯实验        

3.拨码开关实验

4.语音识别实验        

5.数码管显示实验

6.点阵显示实验        

7.语音播放实验

8.1602液晶显示实验

9.电机控制实验        

10.TFT显示实验        

11.舵机实验

12.蜂鸣器实验        

......

 

五、应用场景