追梦系列-FPGA远程云端硬件实验平台（升级版）

 

 

 

一、产品概述

对当今的硬件工程师而言，FPGA的应用是同PCB设计一样必须掌握的技能，在数字化逻辑支撑整个现代科技的今天，不会使用FPGA也就意味着无法用数字逻辑的思维方式来解决问题，也就很难成为一个优秀的系统工程师，将会错过蓬勃发展的物联网、工业4.0、人工智能等浪潮。

远程云端硬件实验平台是虚实一体实验系统，采用B/S架构，即兼顾了传统嵌入式实验系统的特征（连线）又结合了最新大数据、云计算技术实现了可远程操作硬件的实验平台，为学生搭建了一个随时随地自由发挥的硬件实验环境。学生将实验项目通过互联网上传至云端服务器相连的实验板卡，并实时反馈实验结果。旨在打破实验的空间和时间的限制，打破传统学科实验室的壁垒，建立“云端硬件实验室，在校实践不断线”的创新实践教学新体系。

本远程云端硬件板卡选用ALTERA的Cyclone IV EP4CE10F17C8的芯片，配套有相应的教材以及对应的实验指导书，课堂教学是主阵地，课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量，故而该FPGA远程平台是打造一流课程非常好的利器，能够达到所讲即所得，构建数字逻辑的思想、并行设计的理念来解决实际问题。

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+FPGA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FPGA程序、设置FPGA管脚输入状态以及采样输出管脚状态。

 

 

 

 

 

 

 

 

具体参数如下：

（1）CPU:ALTERA EP4CE10F17C8

（2）ARM:STM32F4

（3）SRAM（1M*16）

（4）NORFLASH（64K*8）

（5）AD/DA(TLC5620/0834)

（6）USB转串口(CH340G)

（7）USB接口*2（STM32/FPGA）

（8）以太网接口*2（STM32/FPGA）

（9）SD卡接口*2（STM32/FPGA）

（10）音频输出输入接口（WM8978）

（11）EEPRM(AT24C64)

（12）RTC(DS1302N)

3.数据中心

数据中心采用服务器实现，负责管理多个FPGA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FPGA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FPGA硬件设备单元。

具体如下：

1、 为学生动态分配FPGA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。

（三）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、FPGA板卡连接状态监控、学生实时操作信息监控、实验面板等功能。

（1）教师登陆

（2）学生列表监控

 

（3）学生操作记录监控

 

 

 

 

 

 

 

（4）FPGA板卡连接状态监控

（5）实验完成情况监控

（6）批量下载学生实验代码

（7）实验在线验证、评分，评论

（8）导出成绩单

（9）学生实时操作记录监控

 

 

 

 

 

 

（10）实验面板为主要操作区域，详细功能如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

①FPGA烧写

②运行实验

③切换HTML5模式

④清空面板

⑤面板设置：面板高度、画布偏移、缩放系数等参数功能

⑥面板操作：水平移动放大缩小等操作

⑦面板全屏

⑧导入实验

⑨导出实验

⑩隐藏器件面板功能

⑪器件面板：

A.基础器件：位输入、脉冲输入、电源VCC、电源GND、 时钟输入、多位输入、位输出、多位输出、频率测量输出;

B.实物器件：LED灯、按键、拨码开关、有源蜂鸣器、无源蜂鸣器、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；

C.逻辑器件：基本管脚FPGA、自定义管脚FPGA、内存探针、逻辑分析仪、本地串口设备、串口调试助手、网络调试助手、内存调试助手、RAM烧写;

D.其它：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：

 

 

 

 

 

 

 

①FPGA烧写

②运行实验

③切换HTML5模式

④清空面板

⑤面板设置：面板高度、画布偏移、缩放系数等参数功能

⑥面板操作：水平移动放大缩小等操作

⑦面板全屏

⑧导入实验

⑨导出实验

⑩分享实验：支持QQ、微博、微信

⑪隐藏器件面板功能

⑫器件面板：

A.基础器件：位输入、脉冲输入、电源VCC、电源GND、 时钟输入、多位输入、位输出、多位输出、频率测量输出;

B.实物器件：LED灯、按键、拨码开关、有源蜂鸣器、无源蜂鸣器、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；

C.逻辑器件：基本管脚FPGA、自定义管脚FPGA、内存探针、逻辑分析仪、本地串口设备、串口调试助手、网络调试助手、内存调试助手、RAM烧写;

D.其它：文字、图片、跳转框.

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综合编译后，形成下载文件的RBF文件，可远程下载到真实的FPGA板卡中，并且运行后看到电路运行的实验结果。改变了以前只能满堂灌去讲解编写程序，靠学生想象运行结果的现象。

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.                      语法基础知识

2.                      编码器实验

3.                      译码器实验

4.                      数据选择器实验

5.                      数值比较器实验

6.                      数据分配器实验

7.                      加法器实验

8.                      算数逻辑单元实验

9.                      触发器锁存器实验

10.                      寄存器移位寄存器实验

11.二进制加计数器实验

......

 

五、应用场景