阅读说明：本技术 基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台及应用方法 (Digital circuit training platform based on virtual chip and wireless management and application method ) 是由 邢文生 张燕 邓小飞 张彦锋 刘云朋 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台,包括管理服务器和若干实验箱、实训学生客户端；每个实验箱包括单片机、多个存储芯片、多个FPGA芯片、多个液晶模块、无线串口传输模块、实验箱编号设置开关；管理服务器包括USB口转串口模块、无线串口传输模块；实训学生客户端是实训学生的手机。应用方法中,平台编写出若干不同内容的FPGA程序、集中存放在管理服务器内,应用中管理服务器可对指定实验箱授权并能更改虚拟芯片型号,被授权后学生也可以辅助使用手机自主更改虚拟芯片的型号。本发明全程不需要进行电气连接或插拔、减少了损坏几率,设备安装方便、数据传输稳定性高,可以模拟出更多不同功能数字芯片、效果好,成本低、功能强、灵活性高。(The digital circuit training platform based on the virtual chip and the wireless management comprises a management server, a plurality of experimental boxes and a training student client; each experiment box comprises a single chip microcomputer, a plurality of storage chips, a plurality of FPGA chips, a plurality of liquid crystal modules, a wireless serial port transmission module and an experiment box serial number setting switch; the management server comprises a USB port-to-serial port module and a wireless serial port transmission module; the practical training student client is a mobile phone of a practical training student. In the application method, a platform writes a plurality of FPGA programs with different contents and stores the FPGA programs in a management server in a centralized manner, the management server in the application can authorize a specified experimental box and change the model of the virtual chip, and students can also assist in using the mobile phone to independently change the model of the virtual chip after being authorized. The invention does not need electrical connection or plug-in the whole process, reduces the damage probability, has convenient equipment installation and high data transmission stability, can simulate more digital chips with different functions, and has good effect, low cost, strong function and high flexibility.)

基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台及应用方法

技术领域

本发明涉及教学实训平台技术领域，特别是一种基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台及应用方法。

背景技术

“数字电路”的教学课程是高校电子、信息、控制等专业的基础课，具有很强的实践性。现在的数字电路实训设备因结构所限，存在以下缺点，一：由于每个试验台及其试验箱只能实现一种功能，功能单一，因此每次更换实验题目时需要为每个试验台及其试验箱重新准备芯片，实验准备的工作量大，实验设备使用率低，且还会增加试验台及试验箱的投资成本；二：在实训时，需要实训人员用若干导线对实验芯片的***管脚进行电气连接，不但操作麻烦，而且容易导致实验芯片的管脚等损坏；三：更换实验题目时，不同的实验芯片需要从芯片座插孔内插拔，容易造成管脚弯曲折断等损坏；四：由于可供实训的芯片品种不多，且功能单一，因此会对实训的效果带来影响。

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。基于上述，提供一种基于FPGA技术，能应用于“数字电路”的教学课程，克服现有“数字电路”的教学课程中使用的实训设备因结构所限，存在的各种缺点的数字电路实训平台及应用方法显得尤为必要。

发明内容

为了克服现有“数字电路”的教学课程中使用的实训设备，因结构所限存在的各种弊端，本发明提供了一种基于FPGA技术，应用汇中使用FPGA作为若干个实验箱的虚拟芯片，若干FPGA所需不同功能的若干程序存储在服务器内，通过无线方式实现服务器与若干实验箱之间的信息传输，实训中，管理服务器可对指定实验箱授权并能更改虚拟芯片型号，被授权后学生也可以辅助使用手机自主更改虚拟芯片的型号，使每个试验箱能达到不同的功能，实验箱的虚拟芯片能模拟接口接插件，使用液晶显示器显示其型号，使虚拟芯片有放大的DIP16(直插16引脚)封装外观，有与使用真实芯片一样的感官效果，由此达到全程不需要进行电气连接或插拔、减少了损坏几率，设备安装方便、数据传输稳定性高，可以模拟出更多不同功能的数字芯片、实训效果好，实验箱成本低、功能强、灵活性高的基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台及应用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台，其特征在于包括管理服务器和若干实验箱、实训学生客户端；所述每个实验箱包括单片机、多个存储芯片、多个FPGA芯片、多个液晶模块、无线串口传输模块、实验箱编号设置开关；所述多个存储芯片、多个FPGA芯片、多个液晶模块、无线串口传输模块、实验箱编号设置开关和单片机之间经导线连接；所述管理服务器包括USB口转串口模块、无线串口传输模块；所述USB口转串口模块的串口与无线串口传输模块的串口经导线连接，USB口转串口模块的USB插口***服务器的USB插座内；所述服务器和若干个试验箱之间经服务器无线串口传输模块、若干个试验箱内无线串口传输模块实现信息数据交互；所述实训学生客户端是实训学生的手机。

进一步地，所述存储芯片是ATMEL公司256kbit串行电可擦的可编程只读存储器，FPGA型号是EP4CE6E22C8。

基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台应用方法如下，首先根据传统实验芯片功能，平台编写出若干不同内容的FPGA程序，并将不同FPGA程序文件集中存放在管理服务器内，管理服务器可以集中管理若干实验箱的虚拟芯片；应用中需要更改实验箱的芯片型号时，将对应程序文件从管理服务器发送到试验箱内的存储芯片内；对应程序文件从管理服务器发送到试验箱内的存储芯片内后，试验箱内FPGA采用PS模式进行配置，PS模式下由单片机先从外部储存部件存储芯片读取配置数据，再把数据写人到FPGA中，实现对FPGA的在线编程，试验箱内FPGA芯片重新上电启动后将配置文件读取到随机存储器，使对应实验箱内FPGA具有相应数字芯片一样的功能，进而对应试验箱内FPGA实现虚拟数字芯片功能。

进一步的，所述平台编写若干型号的FPGA程序中，使用Quartus II软件编写FPGA程序，根据实验芯片的功能配置FPGA的I/O引脚功能，编译形成rbf格式的文件，存储在服务器内；管理服务器软件选用微软.NET开发环境，使用C#语言开发，生成的软件直接安装即可使用，教师能在服务器上选择实训台芯片的功能，服务器能发送FPGA程序到实验箱，服务器能收集实训台使用信息。

进一步的，所述应用中需要更改实验箱的芯片型号中，管理服务器可对指定实验箱授权并能更改虚拟芯片型号，被授权后学生也可以辅助使用手机自主更改虚拟芯片的型号，步骤如下，A：管理服务器安装IIS组件，使计算机有web服务功能并建立web网站；B:网站根目录下建立文本文件s.txt；C：手机无线连接局域网，浏览器地址栏输入管理服务器IP，登录web网站；D：浏览器上选择芯片型号并发命令到s.txt文件；E：服务器计算机检测s.txt文件的修改日期，判断出是否有手机命令，如果有且已经被服务器授权则发送FPGA配置文件到实验箱；F：重新启动一次实验箱即完成虚拟芯片更换。

进一步的，所述单片机通过SPI总线方式读写存储芯片，FPGA采用PS配置模式时，其MSEL1～MSEL3引脚连接低电平，单片机的5个I/O端口与FPGA的DATA0、DCLK、nCONFIG、nSTATUS、CONF_DONE引脚经5根信号线分别连接在一起。

进一步的，所述实验箱的每个FPGA配置16个I/O引脚，连接到虚拟芯片的接插件上，引脚之间通过K2线和香蕉插座进行连接，能模拟接口接插件并使用液晶显示模块显示其芯片型号，使虚拟芯片有放大的DIP16(直插16引脚)封装外观，显示模块的驱动芯片型号是SSD1306，每个FPGA配置2个I/O引脚模拟IIC接口读写液晶。

进一步的，所述服务器无线串口传输模块、若干个试验箱内无线串口传输模块型号是CC1110，通过SPI接口方式与实现信息交互，单片机通过API指令控制CC1110的属性配置及发送、接收、中断等各项功能的实现，服务器端USB口转串口模块型号是CH340G。

进一步的，所述管理服务器与实验箱之间信息传输采用半双工模式通信，使用时控令牌协议，通信时服务器是主控端，循环发出命令到各实验箱，各实验箱被动执行命令，并返回执行结果到服务器，每个实验箱有编号，单片机单元上有拨码开关，通过设置拨码开关设置实验箱编号，管理服务器可以发出数据到指定编号的实验箱。

进一步的，所述每个实验箱内单片机具有以下功能，A：与管理服务器通过无线方式通信，如果接收到服务器命令信息，判断与本实验箱编号一致，将服务器的FPGA配置文件保存到存储芯片，并将对应试验箱实训状态发送到管理服务器；B：试验箱FPGA启动时，读取配置文件并加载到FPGA的随机存储芯片；C：试验箱启动时将服务器传输的虚拟芯片型号经液晶模块显示；D：读取编码开关状态，决定实验箱编号；E：如果配置FPGA失败，返回故障信号。

本发明有益效果是：本发明基于FPGA技术，采用若干试验箱可同时为多个学生实训提供支撑，每个实验箱内的虚拟芯片功能可以相同的，也可以不相同。应用中使用FPGA作为若干个实验箱内的虚拟芯片，若干FPGA所需不同功能的若干程序存储在服务器内，管理服务器可对指定实验箱授权并能更改虚拟芯片型号，被授权后学生也可以辅助使用手机自主更改虚拟芯片的型号，使每个试验箱能达到不同的功能。本发明中，实验箱的虚拟芯片能模拟接口接插件，使用液晶模块显示其型号，使虚拟芯片有放大的DIP16(直插16引脚)封装外观，有与使用真实芯片一样的感官效果。本发明全程不需要进行电气连接或插拔、减少了损坏几率，设备安装方便、数据传输稳定性高，可以模拟出更多不同功能的数字芯片、实训效果好，实验箱成本低、功能强、灵活性高。基于上述，本发明具有好的应用前景。

附图说明

图1是本发明架构示意图。

图2是本发明原理框图。

图3是本发明电路图。

图4是本发明单片机工作示意流程图。

具体实施方式

图1、2、3中所示，基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台，包括一台管理服务器和若干实验箱、实训学生客户端；所述每个实验箱包括STM32型号的单片机、4个M25P16型号的存储芯片、4个FPGA芯片、4个0.91寸液晶模块、无线串口传输模块、实验箱编号设置开关；所述4个M25P16存储芯片、4个FPGA芯片、4个0.91寸液晶模块、无线串口传输模块、实验箱编号设置开关和STM32单片机之间经导线连接；所述管理服务器包括USB口转串口模块、无线串口传输模块；所述USB口转串口模块的串口与无线串口传输模块的串口连接，USB口转串口模块的USB插口***服务器的USB插座内；所述服务器和若干个试验箱之间经服务器无线串口传输模块、若干个试验箱内无线串口传输模块实现信息数据交互；所述实训学生客户端是实训学生的手机。

图1、2、3中所示，存储芯片M25P16是ATMEL公司256kbit串行电可擦的可编程只读存储器，擦写次数约为100万次，FPGA型号是EP4CE6E22C8，是Altera公司的Cyclone IV系列产品，存储芯片M25P16具有存储的配置数据掉电后不会丢失。

图1、2、3、4中所示，基于虚拟芯片和无线管理的数字电路实训平台的应用方法，首先根据传统实验芯片功能，平台编写出若干不同内容的FPGA程序，并将不同FPGA程序文件集中存放在管理服务器内，管理服务器可以集中管理若干实验箱的虚拟芯片；应用中需要更改实验箱的芯片型号时，将对应程序文件从管理服务器发送到试验箱内的M25P16存储芯片内；所述对应程序文件从管理服务器发送到试验箱内的M25P16存储芯片内后，试验箱内FPGA采用PS模式(被动配置方式)进行配置，PS模式下由单片机先从外部储存部件M25P16存储芯片读取配置数据，再把数据写人到FPGA中，实现对FPGA的在线编程，试验箱内FPGA芯片重新上电启动后将配置文件读取到SRAM(随机存储器)，使对应实验箱内FPGA具有相应数字芯片一样的功能，进而对应试验箱内FPGA实现虚拟数字芯片功能。平台编写若干型号的FPGA程序中，使用Quartus II软件编写FPGA程序，根据实验芯片的功能配置FPGA的I/O(输入/输出)引脚功能，编译形成rbf格式的文件，存储在服务器内；管理服务器软件选用微软NET开发环境，使用C#语言开发，生成的软件直接安装即可使用，教师能在服务器上选择实训台(试验箱)芯片的功能，服务器能发送FPGA程序到实验箱，服务器能收集实训台使用信息。单片机通过SPI总线方式读写M25P16，其中M25P16引脚Q是输出串行数据，引脚D是输入串行数据，引脚C是串行时钟信号输入，引脚S是片选，单片机使用PA0～PA2引脚模拟SPI总线，PA3～PA7引脚选择4个FPGA芯片。FPGA采用PS配置模式时，其MSEL1～MSEL3引脚连接低电平，单片机的5个I/O端口与FPGA的DATA0、DCLK、nCONFIG、nSTATUS、CONF_DONE引脚经5根信号线分别连接在一起，FPGA的nCE引脚是片选信号引脚，单片机PB0～PB3选择4个FPGA芯片，实验箱的单片机使用内部定时器，能产生5路可调脉冲频率，分别输出在单片机的PB4～PB8引脚。实验箱的每个FPGA配置16个I/O引脚，连接到虚拟芯片的接插件上，引脚之间通过K2线和香蕉插座进行连接，能模拟接口接插件并使用液晶显示模块显示其芯片型号，使虚拟芯片有放大的DIP16(直插16引脚)封装外观，有与使用真实芯片一样的感官效果，显示模块的驱动芯片型号是SSD1306，每个FPGA配置2个I/O引脚模拟IIC接口读写液晶显示模块。服务器无线串口传输模块、若干个试验箱内无线串口传输模块型号是CC1110，工作在433MHz频率，传输距离可达200米，通过SPI接口方式与实现信息交互，单片机通过API指令控制CC1110的属性配置及发送、接收、中断等各项功能的实现，服务器端USB口转串口模块型号是CH340G。管理服务器(位于实验室内)与实验箱之间信息传输采用半双工模式通信，使用时控令牌协议(timed-token protocol)，通信时服务器是主控端，循环发出命令到各实验箱，各实验箱被动执行命令，并返回执行结果到服务器，服务器发出命令数据格式是，开始(0xaacc)+地址(1byte)+命令类别(1byte)+校验(2byte)；实验箱返回数据格式是开始(0xaadd)+地址(1byte)+命令类别(1byte)+数据个数(1byte)+数据校验(2byte)；每个实验箱有编号，单片机单元上有7位的拨码开关，通过设置拨码开关设置实验箱编号，其中实验箱编号可以是1-127，广播地址编号是0，管理服务器可以发出数据到指定编号的实验箱。每个实验箱内单片机具有以下功能，A：与管理服务器通过无线方式通信，如果接收到服务器命令信息，判断与本实验箱编号一致，将服务器的FPGA配置文件保存到存储芯片，并将对应试验箱实训状态发送到管理服务器；B：试验箱FPGA启动时，读取配置文件并加载到FPGA的SRAM；C：试验箱启动时将服务器传输的虚拟芯片型号经液晶模块显示；D：读取编码开关状态，决定实验箱编号；E：如果配置FPGA失败，返回故障信号。

图1、2、3中所示，本发明应用中需要更改实验箱的芯片型号中，管理服务器可对指定实验箱授权并能更改虚拟芯片型号，被授权后学生也可以辅助使用手机自主更改虚拟芯片的型号。步骤如下A：管理人员管理服务器安装IIS组件，使计算机具有web服务功能，并建立起web网站；B:在网站根目录下建立文本文件s.txt，根据传统实验芯片功能，平台编写出若干不同内容的FPGA程序，并将不同FPGA程序文件集中存放在管理服务器内；C：实训学生通过手机无线连接局域网，在浏览器地址栏输入管理服务器IP，登录web网站；D：浏览器上选择服务器具有的不同功能芯片并发命令到s.txt文件；E：服务器计算机检测s.txt文件的修改日期，判断出是否有手机命令，如果有且已经被服务器授权则发送FPGA配置文件到实验箱；F：对应试验箱重新启动一次实验箱即完成虚拟芯片更换。

图1、2、3中所示，本发明基于FPGA技术，采用若干试验箱可同时为多个学生实训提供支撑，每个实验箱内的虚拟芯片功能可以相同的，也可以不相同。应用中使用FPGA作为若干个实验箱内的虚拟芯片，若干FPGA所需不同功能的若干程序存储在服务器内，管理服务器可对指定实验箱授权并能更改虚拟芯片型号，被授权后学生也可以辅助使用手机自主更改虚拟芯片的型号，使每个试验箱能达到不同的功能。本发明中，实验箱的虚拟芯片能模拟接口接插件，使用液晶模块显示其型号，使虚拟芯片有放大的DIP16(直插16引脚)封装外观，有与使用真实芯片一样的感官效果。本发明全程不需要进行电气连接或插拔、减少了损坏几率，设备安装方便、数据传输稳定性高，可以模拟出更多不同功能的数字芯片、实训效果好，实验箱成本低、功能强、灵活性高。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。