一种EDA网络实验系统及实验方法

摘要

本发明公开了一种EDA网络实验系统及实验方法，该系统包括实验系统服务器、至少一个用户计算机和至少一个EDA实验平台，EDA实验平台包括以太网接口、核心控制模块、实验资源功能模块和可编程目标板，以太网接口、实验资源功能模块及可编程目标板与核心控制模块连接，可编程目标板与实验资源功能模块连接，优点在于该实验平台将复杂的硬件数字电路整合到一片核心控制模块内，集成度高，实现了体积小、功耗低、修改灵活等特点，使得硬件电路数字化、软件化，且大大节省了成本；由于该实验平台可根据用户的要求以软件编程来修改电路架构参数完成模式设置，在不同模式下给出不同的电路架构，用户可通过切换各种电路架构完成各种实验，增加了系统扩展性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种EDA实验技术，尤其是涉及一种EDA网络实验系统及实验方法。

背景技术

现代电子设计技术的核心是EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)技术，随着科学技术的飞速发展，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用领域的重要性日益突出，各高校电子、通信、工控乃至生物医学工程、计算机等非电类专业均包含EDA技术类及相关课程。EDA技术类课程主要阐述数字系统设计方法，该类课程的实验的综合性较强，通常学生在计算机上借助各种EDA工具完成实验项目的方案确定、系统设计、仿真，再将设计好的程序通过电缆等工具下载至实验设备上的FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)/CPLD(ComplexProgrammable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)芯片中，然后观测实验结果，并调试、修改设计直至最后完成实验。学生如果完全在实验室内完成实验，不仅耗时较长，而且由于在实验过程中对实验硬件设备依赖性较强，严重制约了实验室资源的合理有效利用。

为解决上述问题，提出了一种网络实验技术，网络实验技术主要是采用计算机和远程网络技术，实验者(学生)可以像在本地真实环境中一样完成各类实验项目，取得的学习或训练效果等于或大于真实环境中取得的效果。目前，常见的网络实验技术是基于远程控制技术的，该网络实验技术中引入了实际的实验仪器或设备，并可以通过网络实现对实验仪器或设备的控制，这样用户(学生)在用户端即可方便地通过访问远程端对实验仪器或设备进行真正的操作，而远程端通过网络同时将实验数据、结果传输至用户端，使得用户(学生)能够直观、真实、形象的观测自己进行的实验操作和实验结果，这种网络实验技术将网络实验与真实实验模式有效地结合，但目前基于这种网络实验技术的EDA网络实验系统在构成上普遍使用GPIB(General Purpose Interface Bus，通用接口总线)连接各类实验仪器或设备，如示波器，函数信号发生器等，而这些仪器需要采用附有GPIB接口且支持可编程的仪器，这样不仅增加了网络实验系统的成本，而且网络实验系统的构成也更为庞大、更为复杂了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小、成本低，且能够有效保证用户通过远程访问、共享实验设备进行网络实验，并取得良好的实验效果的EDA网络实验系统及实验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种EDA网络实验系统，其包括实验系统服务器、至少一个用户计算机和至少一个EDA实验平台，所述的EDA实验平台包括采用TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制/网际协议)通信协议的以太网接口、核心控制模块、实验资源功能模块和可编程目标板，所述的以太网接口、所述的实验资源功能模块及所述的可编程目标板与所述的核心控制模块连接，所述的可编程目标板与所述的实验资源功能模块连接，用户根据实验内容在所述的用户计算机上编写实验程序，并将编写好的实验程序提交给所述的实验系统服务器，所述的实验系统服务器利用因特网将实验程序通过所述的以太网接口，再通过所述的核心控制模块下载到所述的可编程目标板，所述的核心控制模块发出控制信号使所述的实验资源功能模块运行所述的可编程目标板中的实验程序，并将实验结果通过与所述的核心控制模块连接的视频设备利用因特网返回到所述的用户计算机上。

所述的核心控制模块包括处理器、Flash控制器、SDRAM(Synchronous DynamicRandom Access Memory，同步动态随机存取存储器)控制器、SRAM(Static RandomAccess Memory，静态随机存取存储器)控制器、SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口、以太网接口控制器、USB(Universal Serial BUS，通用串行总线)接口控制器、JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组)调试模块、模式控制模块、通用I/O(Input/Output，输入/输出)模块、DA(Digital-Analog)控制模块、AD(Analog-Digital)控制模块、目标板配置模块、等精度测频模块、脉冲信号产生模块和逻辑笔模块；所述的实验资源功能模块包括高速AD转换器、串行AD转换器、高速DA转换器、DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)芯片、按键模块、显示模块和目标板插座I/O；所述的SPI接口与所述的DDS芯片连接，并根据所述的按键模块的按键设置产生对应的函数信号；所述的以太网接口控制器与所述的以太网接口连接，所述的以太网接口以TCP/IP通信协议与所述的实验系统服务器通信；所述的USB接口控制器与所述的视频设备连接，通过所述的视频设备实时传输实验结果；所述的模式控制模块分别与所述的按键模块、所述的显示模块及所述的目标板插座I/O连接，所述的模式控制模块根据用户的模式设置，对所述的按键模块进行信号配置，对所述的显示模块进行显示方式配置，对所述的目标板插座I/O进行连接方式配置，并将配置好的信息通过所述的通用I/O模块进行传输；所述的DA控制模块与所述的高速DA转换器连接；所述的AD控制模块分别与所述的串行AD转换器和所述的高速AD转换器连接；所述的目标板配置模块与所述的可编程目标板连接。

一种上述的EDA网络实验方法，它包括以下具体步骤：

a.用户计算机、实验系统服务器和EDA实验平台上电，上电后实验系统服务器对EDA实验平台进行自检；

b.用户在该用户计算机上利用因特网向实验系统服务器发出实验请求；

c.处于循环等待实验请求的实验系统服务器接收到该用户计算机发出的实验请求后，实验系统服务器查看当前的EDA实验平台是否处于空闲，如果是，则继续执行；否则，该用户计算机继续等待并再次向实验系统服务器发出实验请求，然后执行步骤c；

d.实验系统服务器将当前的EDA实验平台分配给该用户计算机，并建立连接，同时将控制权交给该用户计算机；

e.该用户计算机得到当前的EDA实验平台的控制权后，该用户计算机向实验系统服务器发出可编程目标板的配置命令，实验系统服务器执行配置命令完成EDA实验平台的模式配置；

f.用户根据实验内容在该用户计算机上编写实验程序，并将编写好的实验程序提交给实验系统服务器；

g.实验系统服务器利用因特网将实验程序通过以太网接口，再通过核心控制模块下载到可编程目标板；

h.该用户计算机向实验系统服务器发出实验调试命令，实验系统服务器执行实验调试命令，并通过以太网接口向核心控制模块发出调试信号，核心控制模块接收到调试信号后发出控制信号使实验资源功能模块运行可编程目标板中的实验程序，得到实验结果；

i.用户在该用户计算机上打开视频窗口请求观察实验结果，同时该用户计算机向实验系统服务器发出结果采集命令，并等待接收实验结果；

j.实验系统服务器接收到结果采集命令后通过以太网接口向核心控制模块发出返回结果信号，并为EDA实验平台和该用户计算机之间建立高速连接通道，核心控制模块接收到返回结果信号后通过与其连接的视频设备向该用户计算机返回实验结果；

k.该用户计算机接收到实验结果后，判断该实验结果是否与预期结果相符，如果相符，则保存该实验结果，并释放控制权，结束实验；否则，继续向实验系统服务器提交用户修改后的用户程序，并继续执行步骤g。

与现有技术相比，本发明的优点在于本发明的EDA实验平台将复杂的硬件数字电路整合到一片核心控制模块内，集成度高，芯片少，实现了体积小、功耗低、成本低、修改灵活方便等特点，使得硬件电路数字化、软件化，且大大节省了成本；由于该EDA实验平台可根据用户的要求在该EDA实验平台的处理器的控制下通过以软件编程来修改电路架构参数完成模式设置，在不同模式下呈现给用户不同的电路架构，使用户可方便地通过切换各种实验电路架构形式完成各种实验与开发项目，大大增加了系统扩展性；由于可编程目标板在该EDA实验平台中即插即用，可以更换各种类型的可编程目标板，适应更多的实验与开发项目，进一步增强了该EDA实验平台的通用性；由于EDA实验平台上配置有丰富的资源功能模块，不需要其他额外的仪器即中完成全部的实验；本发明实验系统及实验方法可广泛应用于EDA技术类课程及现代可编程技术等相关课程的远程网络实验中。

附图说明

图1为本发明的EDA网络实验系统的结构图；

图2为本发明的EDA实验平台的系统结构图；

图3为本发明的EDA网络实验方法的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，一种EDA网络实验系统，其包括实验系统服务器、多个用户计算机和多个EDA实验平台，EDA实验平台上设置有采用TCP/IP通信协议的以太网接口(型号为DM9000A)，用户计算机利用因特网登陆实验系统服务器，实验系统服务器利用因特网与EDA实验平台相互通信。

EDA实验平台采用Altera公司cyclone II系列FPGA EP2C35为核心，构架一个基于32位的嵌入式软核处理器Nios II的片上系统。EDA实验平台包括采用TCP/IP通信协议的以太网接口、核心控制模块、资源功能模块(FPGA EP2C35)和FPGA/CPLD可编程目标板，以太网接口、资源功能模块及可编程目标板与核心控制模块连接，可编程目标板与资源功能模块连接，用户根据实验内容在用户计算机上编写实验程序，并将编写好的实验程序提交给实验系统服务器，实验系统服务器利用因特网将实验程序通过以太网接口，再通过核心控制模块下载到可编程目标板，核心控制模块发出控制信号使实验资源功能模块运行可编程目标板中的实验程序，并将实验结果通过与核心控制模块连接的视频设备利用因特网返回到用户计算机上，本实施例中视频设备采用摄像头。本EDA实验平台解决了以往硬件电路复杂等问题，其把复杂的硬件数字电路整合到一片集成电路内，大量的复杂逻辑功能由一片小体积的资源功能模块内完成，集成度高，并使得硬件电路数字化、软件化，大大节省了成本。

核心控制模块包括处理器、Flash控制器、SDRAM控制器、SRAM控制器、SPI接口、以太网接口控制器、USB接口控制器、JTAG调试模块、模式控制模块、通用I/O模块、DA控制模块、AD控制模块、目标板配置模块、等精度测频模块、脉冲信号产生模块和逻辑笔模块；资源功能模块包括高速AD转换器(型号为TLC5510A)、串行AD转换器(型号为LTC11962B)、高速DA转换器(型号为THS5651)、DDS专用芯片、按键模块、显示模块和目标板插座I/O；按键模块包括8位按键和8位按键指示灯；显示模块包括8位数码管和8位LED逻辑显示灯。

处理器(Nios II)是整个EDA实验平台的控制核心，其输入为50M时钟(Clock)，它通过片上系统的Avalon总线对资源功能模块中的各个硬件外设进行操作和交互，进行配置和控制；

Flash控制器控制外部4MB的Flash的读写，EDA实验平台的应用程序和固定数据是存储在Flash中的；

SDRAM控制器控制外部8MB的SDRAM的读写，EDA实验平台上电后，系统会自行将程序拷贝到SRAM中执行，此外，SDRAM中还存放程序中可读写的数据；

SRAM控制器控制外部512KB的SRAM的读写，用于存放读写速度要求较高的数据；

SPI接口控制资源控制模块中的DDS专用芯片(型号为AD9833)，根据按键模块的按键设置产生对应的函数信号；

以太网接口控制器控制以太网接口，以太网接口以TCP/IP通信协议与实验系统服务器通信，传输数据，接受指令；

USB接口控制器控制摄像头，通过摄像头实时传输实验结果；

JTAG调试模块主要用于软件调试；

模式控制模块分别与按键模块、显示模块及目标板插座I/O连接，模式控制模块根据用户的模式设置，将8位按键配置为高低电平、脉冲、16进制信号等多种信号，同时将8位LED逻辑显示灯、8位数码管配置为不同的显示方式，对目标板插座I/O进行连接方式配置，并将配置好的信息通过通用I/O模块进行传输；

通用I/O模块通过与Avalon总线交互，将数据交由处理器进行处理；

DA控制模块控制资源控制模块中的10位高速DA转换器，对用户呈现正确的工作模式；

AD控制模块控制资源控制模块中的高速AD转换器和串行AD转换器，对用户呈现正确的工作模式；

目标板配置模块根据设定的配置方式(PS(Passive Serial，被动串行)、PPS(PassiveParallel Synchronous，被动并行同步)、PPA(Passive Parallel Asynchronous，被动并行异步)、PSA(Passive Serial Asynchronous，被动串行异步)和JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组))，根据用户编写的程序对EDA实验平台上的可编程目标板进行配置；

等精度测频模块对外部待测信号fx进行测量；

脉冲信号产生模块将系统50M时钟进行分频，分成2路脉冲信号，脉冲信号CLK1和脉冲信号CLK2；

逻辑笔模块对外部待测电平进行测量，区分高、中、低、电平和高阻态。

基于上述的EDA网络实验系统的EDA网络实验方法，如图3所示，它包括以下具体步骤：

a.对用户计算机、实验系统服务器和EDA实验平台进行上电，上电后实验系统服务器对EDA实验平台进行自检；

b.用户在该用户计算机上利用因特网向实验系统服务器发出实验请求，要求进行EDA实验；

c.处于循环等待实验请求的实验系统服务器接收到该用户计算机发出的实验请求后，实验系统服务器查看当前的EDA实验平台是否处于空闲，如果当前的EDA实验平台处于空闲状态，则继续执行；如果当前的EDA实验平台处于忙状态，则该用户计算机继续等待并再次向实验系统服务器发出实验请求，然后执行步骤c；

d.实验系统服务器将处于空闲状态的当前的EDA实验平台分配给该用户计算机，并建立连接，同时将控制权交给该用户计算机；

e.该用户计算机得到当前的EDA实验平台的控制权后，该用户计算机向实验系统服务器发出可编程目标板的配置命令和配置文件，实验系统服务器将配置文件转发到EDA实验平台，并执行配置命令完成EDA实验平台的模式配置；

f.用户根据实验内容在该用户计算机上编写实验程序，并将编写好的实验程序提交给实验系统服务器；

g.实验系统服务器利用因特网将实验程序通过以太网接口，再通过核心控制模块下载到可编程目标板；

h.该用户计算机向实验系统服务器发出实验调试命令，实验系统服务器执行实验调试命令，并通过以太网接口向核心控制模块发出调试信号，核心控制模块接收到调试信号后发出控制信号使实验资源功能模块运行可编程目标板中的实验程序，得到实验结果；

i.用户在该用户计算机上打开视频窗口请求观察实验结果，同时该用户计算机向实验系统服务器发出结果采集命令，并等待接收实验结果；

j.实验系统服务器接收到结果采集命令后通过以太网接口向核心控制模块发出返回结果信号，并为EDA实验平台和该用户计算机之间建立高速连接通道，核心控制模块接收到返回结果信号后通过与其连接的视频设备向该用户计算机返回实验结果；

k.该用户计算机接收到实验结果后，判断该实验结果是否与预期结果相符，如果相符，则保存该实验结果，并释放控制权，结束实验；否则，继续向实验系统服务器提交用户修改后的用户程序，并继续执行步骤g。