EDA实验系统远程共享平台的开发与利用

薛彩姣

(武警学院 基础部,河北 廊坊 065000)

EDA实验系统远程共享平台的开发与利用

薛彩姣

(武警学院 基础部,河北 廊坊 065000)

针对实验受空间和实验设备等限制的问题，利用现代通信技术，通过对EDA实验系统的软硬件进行图像、语音等信息的采集、传输和融合利用，实现了学员和EDA实验系统软硬件远程互动的功能。学员不用到实验室就能利用该系统的软件对电路进行虚拟仿真实验，并利用该系统的硬件设备对电路进行硬件实现，远程观察硬件实现后电路的声光等现象，取得了较好的实验效果。

EDA；实验系统；远程；共享

EDA(Electronic Design Automation，即电子设计自动化)实验系统主要用于武警学院消防工程、消防指挥、电子信息工程、火灾勘查、核生化消防等专业的《电工与电子技术》课程的实验教学。该实验系统有相应的软件、可编程芯片和其他硬件，可编程芯片具有丰富的功能单元和全开放式设计，支持学员做出超过大纲要求的具有复杂性和创造性的综合设计性实验。因此，该系统不仅适合实验教学、毕业设计，同时也是从事教学及科研的广大教师和电子爱好者的理想开发工具。但是大家必须到实验室利用EDA实验系统的软件才能进行虚拟仿真实验，利用EDA实验系统的硬件才能进行硬件实验，这就使实验受到时间、空间和实验设备等的限制。

基于此，响应教育部关于加强虚拟仿真实验和加强开放性实验的要求，对“EDA实验系统远程共享平台”进行设计和开发。使EDA实验系统的软件硬件资源可以被校内(甚至校外)的授权网络终端使用[1]，使软件和硬件实验均不受时间和地点的限制，提高学员进行实验的兴趣及效果，深化实验教学改革，提高实验教学水平和实验室使用效益。

1 “EDA实验系统远程共享平台”的框架设计

依托实验室已有的EDA实验系统软硬件、服务器和校园网网络资源开发“EDA实验系统远程共享平台”，实现客户端与服务器端EDA实验系统的软件硬件相互通信[2]的功能。“EDA实验系统远程共享平台”的框架设计如图1所示。下面通过“EDA实验系统远程共享平台”硬件功能设计与实现、“EDA实验系统远程共享平台”软件功能设计与实现详细介绍其具体工作过程。

图1 “EDA实验系统远程共享平台”框架设计图

2 “EDA实验系统远程共享平台”硬件功能设计与实现

硬件包括客户端电脑(含耳机或音箱)、交换机、服务器(含摄像头、话筒)、EDA实验系统的硬件资源。客户端电脑上安装该平台的客户软件和耳机；服务器上安装摄像头、话筒、EDA实验系统软件和该平台的服务器软件。客户端电脑通过交换机和服务器相连；服务器并口和EDA实验系统的可编程芯片相连；服务器上安装的摄像头和话筒分别采集EDA实验系统发声、发光器件的声音、光线效果。

学员完成电路设计工作后在客户端通过交换机和服务器进行互动，利用服务器的EDA实验系统软件进行虚拟仿真实验，观察仿真结果是否符合要求，符合要求后利用服务器的并口将程序下载到EDA实验系统的可编程芯片里，进行硬件实现。硬件实现后，给可编程芯片里面的电路输入信号，把输出信号送到芯片外面的发声或发光器件上供实验人员观察电路的反应。摄像头和话筒采集硬件电路的光线、声音信息，并通过服务器发送给客户端让学员判断电路是否满足需要，达到硬件资源共享的目的。硬件电路对输入激励信号的反应满足设计要求后就可以进行电路的固化操作了。

3 “EDA实验系统远程共享平台”软件功能设计与实现

3.1 服务器软件

服务器上安装的软件包括EDA实验系统软件和该平台的服务器软件。

EDA实验系统软件满足学员进行单机虚拟仿真实验和硬件实验的要求，具有电路输入、芯片选择、电路编译、电路仿真、管脚分配、程序下载的功能。

服务器软件管理所有数据及给客户软件回应。可以同时开N个客户端，每一个都跟服务器进行通信，所有服务由服务器进行调度[3]。该平台的服务器软件接收摄像头、话筒采集的信息，并和该平台的客户软件、EDA实验系统软件进行通信。服务器软件接收客户软件请求后把EDA实验系统软件的反应或摄像头、话筒采集的数据发送给客户软件。

3.2 客户软件

客户软件包括“远程连接”、“图像采集”、“声音采集”、“视频资料”和“文字资料”五部分，如图2所示。“远程连接”成功后，学员在客户端连接到装有EDA实验系统软硬件的服务器上，可以进行虚拟仿真实验和电路的硬件实现；点击“图像采集”即可观察硬件实验后的光线效果；点击“声音采集”即可收听硬件实验后的声音效果；“视频资料”和“文字资料”帮助学员熟练掌握EDA实验系统的操作使用。“远程连接”、“图像采集”、“声音采集”一起实现软件硬件远程共享[4]的目的。

3.2.1 远程连接

学员在客户端点击该平台客户软件中的“远程连接”后，软件主动请求平台服务器软件响应，进入排队池中等待，服务器响应后，客户端与服务器桌面相连。针对客户端远程连接后服务器系统安全的问题，为了避免客户端对服务器端软件或者硬盘上的数据进行修改，设置客户端登录专用的用户。以管理员身份登录系统设置“组策略”对该用户的部分功能进行禁用，不允许该用户进行软硬件的安装或卸载，不允许该用户访问部分硬盘等[5]。

“远程连接”成功后，学员就可以访问服务器上的EDA实验系统软件进行虚拟仿真实验和硬件实现了。“电路输入”、“芯片选择”、“电路编译”、“电路仿真”实现了EDA实验系统软件远程共享[6]的目的，学员在客户端和服务器互动，观察从服务器传输到客户端的虚拟仿真实验的各个环节工作的结果；“管脚分配”、“程序下载”实现了EDA实验系统远程下载电路程序的目的，让学员用服务器端EDA实验系统的可编程芯片实现自己的电路。

3.2.1.1 电路输入

一个完整的电路包括输入管脚、电路元器件集合、输出管脚。软件提供四种输入方式，即原理图、硬件描述语言、波形、层次化输入方式。学员通常用原理图方式输入电路，选中元器件库中的所需元件放到窗口里，添加连线，给每个管脚命名，然后保存并设置该文件为默认文件即完成电路的输入过程。

3.2.1.2 芯片选择

软件提供其支持的所有可编程芯片的型号，学员要选择EDA实验箱里面的实际可编程芯片进行编译适配,才能下载程序。

3.2.1.3 电路编译

编译过程中，首先进行语法检验，例如信号有无双重来源、漏连信号线、没有输出管脚等，及时列出错误信息供学员修改；然后进行设计规则检验，检查总的设计有无超出芯片资源或规定的限制，并列出编译报告。合格后进行逻辑优化和综合、适配和分割、布局和布线，最后生成可供芯片下载使用的程序文件。

3.2.1.4 电路仿真

给电路输入管脚添加激励波形，选择仿真时间，保存激励信号编辑结果，然后启动仿真器开始仿真，仿真完成后软件会计算出输出信号。学员远程观察电路的输出和输入信号波形之间的关系是否满足设计要求，如果不满足设计要求继续修改电路。学员在客户端进行了远程虚拟仿真实验，实现了EDA实验系统的软件共享功能。

3.2.1.5 管脚分配

管脚分配窗口如图3所示，窗口上方的IP地址是服务器的IP地址，说明该窗口是服务器传输到客户端的(图4也是服务器传输到客户端的图，下面不再重复)。可编程芯片有很多管脚作为电路与外界交流的窗口，部分管脚用来写入电路，部分管脚用来输入或输出信号，分配时必须符合它的功能。因为下载程序文件中体现了管脚顺序，所以学员远程分配管脚后必须重新编译生成下载程序文件。因为远程无法进行硬件操作，所以教员事先在服务器端可编程芯片的部分输入管脚上接入按键开关、拨码开关、“0”、“1”、时钟等常用的信号，把部分输出管脚上的信号连接到声、光等器件上等待学员使用。学员必须选择教员连好的管脚作为输入输出管脚才能通过网络观察到硬件的反应。

3.2.1.6 程序下载

通过远程下载功能把电路编译时生成的程序文件下载到服务器端的可编程芯片里，生成一个独立的硬件电路，电路下载窗口如图4所示。该芯片可以取下来单独使用，也可以擦除后下载新的电路。

硬件电路生成后，按照“管脚分配”中定义的管脚顺序给输入管脚发送信号，并把输出管脚的信号送给发声、发光器件，加电后观察不同输入信号激励时电路的反应来判断电路的功能。

图4 电路下载窗口

3.2.2 图像采集

摄像头安装在服务器上，对准EDA实验系统的发光器件，实时采集硬件实现后电路的发光效果，把该效果远程传输到客户端让学员看到什么时间指示灯亮灭，进而判断电路硬件实现后是否满足设计要求。如果不满足要求，修改电路，重复以上步骤。图像采集效果示例如图5所示。

图5 图像采集效果示例

3.2.3 声音采集

话筒安装在服务器上，对准EDA实验系统的发声器件，实时采集硬件实现后电路的声音，把该声音远程传输到客户端让学员听到声音，进而判断该电路是否满足设计要求。如果不满足设计要求，修改电路，重复以上部分步骤。

3.2.4 文字资料

文字资料详细介绍了EDA技术、EDA实验系统软件(含软件功能、软件安装、可编程设计流程、可编程逻辑常用设计输入法、软件设计与应用举例)、EDA实验系统硬件、实验举例(含抢答器设计、数字钟设计、游戏机设计等实验项目)。文字资料打包放进客户软件里，单击时直接打开就可以学习。

3.2.5 视频资料

视频资料通过举例详细演示了该实验系统软硬件的使用方法、步骤。视频资料也打包放进客户软件里，单击时直接打开就可以观看，有助于学员更好地掌握该实验系统的操作使用。

4 “EDA实验系统远程共享平台”的实践检验效果

该平台已投入武警学院电子虚拟仿真实验教学、开放实验以及电子爱好者、教师和科研人员定制专用芯片前进行的电路软硬件调试。学员在客户端通过该平台的“远程连接”模块连接到了装有EDA实验系统的服务器上，进行了虚拟仿真实验、硬件实现实验。通过“图像采集”模块观察到了硬件实验后的发光效果，通过“语音传输”模块听到了远程硬件实现后电路的声音效果，可以判断该电路是否满足自己的设计要求。该平台实现了EDA实验系统软硬件远程共享的目的，极大地激发了学员的主动性、探索性和创新性,对全面培养学生的科学作风、创新意识和实践能力具有极其重要的意义。

5 结束语

设计和开发出的计算机软件“EDA实验系统远程共享平台”客户软件和服务器软件与客户电脑(安装耳机)、交换机、服务器(安装摄像头、话筒、EDA实验系统软硬件)配合完成把EDA实验系统通过网络远程共享给学员的功能，创造性地解决了实验室软硬件远程共享的问题。为学员自主学习提供了平台，真正实现了实验室软硬件资源的全天候开放。不足之处是可编程芯片外围的管脚只能按照教师事先连接好的管脚进行分配，给设计工作增加了工作量。可以多安装几台服务器，多提供几种管脚分配方案供学员选择。今后还要及时增加可共享的软硬件资源，进一步提高实验室的利用率。

[1] 胡欣杰，路川，廖葵.基于Web的远程仪器设备共享服务平台研究[J].实验室研究与探索,2011,30(11):402-404.

[2] 钟映春，华星，罗岩.基于互联网的过程控制远程实验教学改革[J].实验技术与管理,2012,29(7):96-98.

[3] 张玉成.基于分布式网络远程开放实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索,2011,30(6):134-137.

[4] 孟庆浩,闫慈,曾明.基于互联网的远程交互式工学实验[J].高等工程教育研究，2011,(3):147-151.

[5] 吴文婷,黄凤良,蒋翰诚.远程实验系统管理机制的研究与实现[J].实验技术与管理,2011,28(6):97-99.

[6] 曲丽荣，凌秀泽.远程虚拟实验室的研究与开发[J].计算机测量与控制,2011,19(11):2752-2754.

(责任编辑 李献惠)

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

武警学院教改项目“EDA实验系统远程共享平台的开发与利用”

薛彩姣(1978— )，女，河南平顶山人，副教授，硕士。

TN402;TP391.6

A

1008-2077(2015)07-0051-04