基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验平台

张彦航, 刘宏伟, 陈惠鹏, 苏小红, 娄 久

(哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验平台

张彦航, 刘宏伟, 陈惠鹏, 苏小红, 娄 久

(哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

针对当前计算机硬件类实验课程存在的“一课一平台”的现象,提出建立基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验平台,较好地解决了硬件实验课受时间和场地限制的弊端,实现了“一台多用”和“多课程贯通”。试点应用表明,该平台有助于学生的自主学习和探究学习,使用该平台能有效提高学生的学习效率,并进一步加强学生的思维创新能力、系统综合和系统分析能力的培养。

硬件类课程； 虚拟实验平台； 多课程贯通

虚拟实验室(virtual laboratory)的概念于1989年由美国的William Wolf教授最早提出。由于基于网络技术的虚拟实验室突破了传统实验教学受时间地点限制的问题,具有节省教学资源、降低实验成本、提高实验效率、方便互动学习、提高实验的自主性和灵活性等特点,长期以来,欧美等国(如美国、英国、德国、西班牙、法国等)一直十分重视对虚拟实验室的研究与开发,并有专门的基金资助[1]。虚拟实验室在国外高校目前主要应用于工程技术、控制工程[2]、机器人[3]、物理以及一些其他通用性课程[4]的实验教学中。虚拟实验室主要包括以下几类:纯虚拟过程技术类实验室[5-6]、基于FPGA技术的虚拟实验室[7]、借助机器人操作的虚拟实验室[8-9]、基于Arduino系统的虚拟实验室[10]、用于模型控制类问题的虚拟实验室[11]、工业控制系统网络安全远程虚拟实验室[12]、基于Web并集成自动化设备的编程虚拟实验室[13]以及专门用于编程语言训练的虚拟实验室等。国内高校的虚拟实验室建设起步于2012年,自2013年教育部在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来,极大地推动了国内高校实验教学示范中心内涵建设的提升和可持续发展。截至2016年3月,全国已建设有300个国家级虚拟仿真实验教学中心,涵盖工学、理学、农学、医学、管理学等11个主要学科领域,至今已涌现出一批理念先进、特点突出的建设成果[14-17]。

1 传统的硬件类课程实验台及其存在的问题

目前国内高校的大部分硬件类课程的实验台及实践教学普遍存在以下一些问题:

1.1 一课一平台

由于每个硬件实验台只针对一门具体课程,因而一课一平台现象普遍存在,如图1所示。实验平台各异,开发软件也各自独立,这不仅需要学生熟悉不同的实验设备和多种集成开发环境,也给实验室的设备管理和维护带来巨大的工作量,致使教学效率不高。

图1 不同课程使用的实验台

1.2 实验台可移动性差

传统的硬件类实验台体积较大,可移动性差,学生要完成硬件实验项目必须到固定的实验室做实验。加之受实验室开放时间的限定,不利于学生的自主学习和探究学习。

1.3 不具有扩展性

目前国内高校的大部分硬件类实验设备都具有高度集成化的特点。做硬件实验时,学生只能依据实验指导书上的项目做一些验证性的或者相对简单的设计型实验。由于实验箱上其他辅助电路以及扩展等电路已经分配好,学生做实验时只需连接几根导线,然后进行相关的输入操作,最后查看实验结果。每次实验用到的模块较少,扩展性不好。

1.4 实验开发内容受限

由于无法便捷地更改优化实验箱硬件结构,一些综合性、设计性和探索性的拓展实验项目难以实施,进而限制了学生的思维创新能力、系统综合和系统分析能力的培养。

此外,传统意义上的实验平台与新技术不匹配,与学生将来从事的技术开发工作关联不大,不利于校企衔接。

2 基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验平台

2.1 硬件类课程远程实验平台建设的新思路

传统的硬件实践环节要求学生必须到实验室完成各种硬件实验操作。实验项目的验收一般也需要学生与教师的面对面交流,实验过程和实验结果受元器件质量、实验室时间、实验场地、操作者个人经验等诸多因素的制约,使学生在有限时间内难以获得最佳的实践效果。随着大规模可编程逻辑器件技术及物联网技术、云计算的快速发展,针对当前的实际情况,哈尔滨工业大学计算机学院提出了硬件类课程远程虚拟实验平台建设的新思路,具体包括:

(1) 实验平台要具有通用性,能够将硬件类课程贯通,并能够实现课程之间互用;

(2) 使用实验开发平台的课程之间在实验项目的设计上有延续性,能体现出课程之间的衔接;

(3) 学生能够利用实验平台设计更为复杂的实验项目;

(4) 系统开放,支持掌上远程操作,并能支持学生的自主创新。

2.2 远程虚拟实验平台的总体结构

基于FPGA的远程虚拟实验平台采用“本地计算机虚拟仿真软件+可远程访问的真实硬件平台”相结合的设计理念,达到“虚实结合、能实不虚”“以实验虚”的建设目标,总体结构如图2所示。通过引入Xinlinx N4掌上移动开发板以及专用服务器、AGV智能小车等,借助云平台,构建基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验室。实验平台的服务器端与客户端如图3所示,主要硬件如图4所示。虚拟实验平台投入使用后,学生先在课下完成实验预习,并在本地个人电脑进行仿真设计,之后通过登录远程实验平台,再到真实仪器上进行验证,达到以实验虚的目的。

图2 基于FPGA的远程虚拟实验平台总体结构

图3 基于FPGA的远程虚拟实验平台服务器端与客户端

图4 基于FPGA的虚拟远程实验平台的主要硬件

2.3 远程虚拟实验平台的应用情况

基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验平台已在哈尔滨工业大学计算机学院及软件学院的本科教学中完成试点应用,正逐步推广。目前该平台支持数字逻辑设计、计算机组成原理、计算机设计与实践总共3门课程共16个实验项目,如表1所示。

实践证明使用该平台后,不仅节约了学生实验室占机时间,提高了实验效率,而且大幅度减少了实验管理的工作量。在极大方便师生的同时,能使师生利用节省下来的时间去做更有意义的事情。

2.4 远程虚拟实验平台的未来扩展应用

经过进一步扩展,在目前已有的应用基础上,基于FPGA的远程虚拟实验平台未来还将把计算机体系结构、编译原理、操作系统、计算机组成原理与接口技术等课程的实验环节囊括进来,进而实现更大范围内的计算机类课程的贯通,并使多门课程的教学资源得到整合和共享,为学生提供丰富的学习资源。

2.5 远程虚拟实验平台的特色与创新

(1) 以实为主、以虚补实、以实验虚、虚实结合 。虚拟实验能够补充真实实验不具备或难以完成的实验教学,可以用于高成本、高消耗、大型或综合性的实践训练。远程虚拟实验平台通过虚实互补、以实验虚的方式将虚拟仿真与实物验证相结合,较好地满足了学生对实验资源及实验方式多样化的不同需求。

(2) 有效促进实验教学手段与教学模式的变革。虚拟仿真实验平台使学生的课外实验落到实处,并使MOOC/SPOC等在线大规模课程的实验环节得以实施,真正做到理论与实践密切结合。

表1 虚拟实验平台目前支持的课程及实验项目

(3) 实验过程可监控,提升了实验教学效果。教师可通过远程监控查看在线学生实验操作过程,实验结果在线提交,有助于提升教学效果。

(4) 实现多课程贯通,提高学生的系统能力。远程虚拟实验平台可以实现大范围内的计算机类课程的贯通,并能促进多门课程的教学资源整合和共享,进一步提高学生的系统分析能力和系统设计能力。

3 结语

基于FPGA的远程虚拟仿真实验平台以大规模可编程逻辑器件技术以及物联网技术为依托,采用“本地计算机虚拟仿真软件 + 可远程访问的真实硬件平台”相结合的设计理念,具有高扩展性、高灵活性的特点,突破传统实验的时间和场地限制,真正实现了一台多用、多课程贯通。实践表明,该平台不仅可以实现无处不在的硬件课程学习和硬件实验操作,有效提高学生的学习效率,更能进一步培养学生的创新能力,并有助于提高学生独立分析和解决复杂的实际问题的综合能力。

References)

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Remote virtual experimental platform of hardware courses based on FPGA

Zhang Yanhang, Liu Hongwei, Chen Huipeng, Su Xiaohong, Lou Jiu

(School of Computer Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China)

Aiming at a new type of experimental teaching method, the virtual experiment platform provides a new idea for the reform of experimental teaching in colleges and universities. Phenomenon of “One course, one platform” exists in the current computer hardware experiment courses. The proposed remote virtual experiment platform based on FPGA is a good way to solve the disadvantages of the time and place limitation of hardware experiment course, by applying this platform to achieve the effect of multi-use of one platform as well as connection of multiple courses. Pilot application shows that the proposed platform is helpful for students’ autonomous learning and inquiry learning. Using this platform can effectively improve the students’ learning efficiency, and further strengthen the students’ ability of thinking and innovation, system integration and system analysis ability.

hardware courses; virtual experimental platform; connection of multiple courses

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.004

2016-10-14

张彦航(1971—)，女，吉林白城，博士，副教授，研究方向为信息融合与多目标检测.

E-mail:zhangyanhang@hit.edu.cn

G482；TP391.9

A

1002-4956(2017)1-0016-05