基于FPGA的硬件類課程遠程虛擬實驗平臺

張彥航, 劉宏偉, 陳惠鵬, 蘇小紅, 婁 久

(哈爾濱工業大學 計算機科學與技術學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

基于FPGA的硬件類課程遠程虛擬實驗平臺

張彥航, 劉宏偉, 陳惠鵬, 蘇小紅, 婁 久

(哈爾濱工業大學 計算機科學與技術學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

針對當前計算機硬件類實驗課程存在的“一課一平臺”的現象,提出建立基于FPGA的硬件類課程遠程虛擬實驗平臺,較好地解決了硬件實驗課受時間和場地限制的弊端,實現了“一臺多用”和“多課程貫通”。試點應用表明,該平臺有助于學生的自主學習和探究學習,使用該平臺能有效提高學生的學習效率,并進一步加強學生的思維創新能力、系統綜合和系統分析能力的培養。

硬件類課程； 虛擬實驗平臺； 多課程貫通

虛擬實驗室(virtual laboratory)的概念于1989年由美國的William Wolf教授最早提出。由于基于網絡技術的虛擬實驗室突破了傳統實驗教學受時間地點限制的問題,具有節省教學資源、降低實驗成本、提高實驗效率、方便互動學習、提高實驗的自主性和靈活性等特點,長期以來,歐美等國(如美國、英國、德國、西班牙、法國等)一直十分重視對虛擬實驗室的研究與開發,并有專門的基金資助[1]。虛擬實驗室在國外高校目前主要應用于工程技術、控制工程[2]、機器人[3]、物理以及一些其他通用性課程[4]的實驗教學中。虛擬實驗室主要包括以下幾類:純虛擬過程技術類實驗室[5-6]、基于FPGA技術的虛擬實驗室[7]、借助機器人操作的虛擬實驗室[8-9]、基于Arduino系統的虛擬實驗室[10]、用于模型控制類問題的虛擬實驗室[11]、工業控制系統網絡安全遠程虛擬實驗室[12]、基于Web并集成自動化設備的編程虛擬實驗室[13]以及專門用于編程語言訓練的虛擬實驗室等。國內高校的虛擬實驗室建設起步于2012年,自2013年教育部在全國啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來,極大地推動了國內高校實驗教學示范中心內涵建設的提升和可持續發展。截至2016年3月,全國已建設有300個國家級虛擬仿真實驗教學中心,涵蓋工學、理學、農學、醫學、管理學等11個主要學科領域,至今已涌現出一批理念先進、特點突出的建設成果[14-17]。

1 傳統的硬件類課程實驗臺及其存在的問題

目前國內高校的大部分硬件類課程的實驗臺及實踐教學普遍存在以下一些問題:

1.1 一課一平臺

由于每個硬件實驗臺只針對一門具體課程,因而一課一平臺現象普遍存在,如圖1所示。實驗平臺各異,開發軟件也各自獨立,這不僅需要學生熟悉不同的實驗設備和多種集成開發環境,也給實驗室的設備管理和維護帶來巨大的工作量,致使教學效率不高。

圖1 不同課程使用的實驗臺

1.2 實驗臺可移動性差

傳統的硬件類實驗臺體積較大,可移動性差,學生要完成硬件實驗項目必須到固定的實驗室做實驗。加之受實驗室開放時間的限定,不利于學生的自主學習和探究學習。

1.3 不具有擴展性

目前國內高校的大部分硬件類實驗設備都具有高度集成化的特點。做硬件實驗時,學生只能依據實驗指導書上的項目做一些驗證性的或者相對簡單的設計型實驗。由于實驗箱上其他輔助電路以及擴展等電路已經分配好,學生做實驗時只需連接幾根導線,然后進行相關的輸入操作,最后查看實驗結果。每次實驗用到的模塊較少,擴展性不好。

1.4 實驗開發內容受限

由于無法便捷地更改優化實驗箱硬件結構,一些綜合性、設計性和探索性的拓展實驗項目難以實施,進而限制了學生的思維創新能力、系統綜合和系統分析能力的培養。

此外,傳統意義上的實驗平臺與新技術不匹配,與學生將來從事的技術開發工作關聯不大,不利于校企銜接。

2 基于FPGA的硬件類課程遠程虛擬實驗平臺

2.1 硬件類課程遠程實驗平臺建設的新思路

傳統的硬件實踐環節要求學生必須到實驗室完成各種硬件實驗操作。實驗項目的驗收一般也需要學生與教師的面對面交流,實驗過程和實驗結果受元器件質量、實驗室時間、實驗場地、操作者個人經驗等諸多因素的制約,使學生在有限時間內難以獲得最佳的實踐效果。隨著大規模可編程邏輯器件技術及物聯網技術、云計算的快速發展,針對當前的實際情況,哈爾濱工業大學計算機學院提出了硬件類課程遠程虛擬實驗平臺建設的新思路,具體包括:

(1) 實驗平臺要具有通用性,能夠將硬件類課程貫通,并能夠實現課程之間互用;

(2) 使用實驗開發平臺的課程之間在實驗項目的設計上有延續性,能體現出課程之間的銜接;

(3) 學生能夠利用實驗平臺設計更為復雜的實驗項目;

(4) 系統開放,支持掌上遠程操作,并能支持學生的自主創新。

2.2 遠程虛擬實驗平臺的總體結構

基于FPGA的遠程虛擬實驗平臺采用“本地計算機虛擬仿真軟件+可遠程訪問的真實硬件平臺”相結合的設計理念,達到“虛實結合、能實不虛”“以實驗虛”的建設目標,總體結構如圖2所示。通過引入Xinlinx N4掌上移動開發板以及專用服務器、AGV智能小車等,借助云平臺,構建基于FPGA的硬件類課程遠程虛擬實驗室。實驗平臺的服務器端與客戶端如圖3所示,主要硬件如圖4所示。虛擬實驗平臺投入使用后,學生先在課下完成實驗預習,并在本地個人電腦進行仿真設計,之后通過登錄遠程實驗平臺,再到真實儀器上進行驗證,達到以實驗虛的目的。

圖2 基于FPGA的遠程虛擬實驗平臺總體結構

圖3 基于FPGA的遠程虛擬實驗平臺服務器端與客戶端

圖4 基于FPGA的虛擬遠程實驗平臺的主要硬件

2.3 遠程虛擬實驗平臺的應用情況

基于FPGA的硬件類課程遠程虛擬實驗平臺已在哈爾濱工業大學計算機學院及軟件學院的本科教學中完成試點應用,正逐步推廣。目前該平臺支持數字邏輯設計、計算機組成原理、計算機設計與實踐總共3門課程共16個實驗項目,如表1所示。

實踐證明使用該平臺后,不僅節約了學生實驗室占機時間,提高了實驗效率,而且大幅度減少了實驗管理的工作量。在極大方便師生的同時,能使師生利用節省下來的時間去做更有意義的事情。

2.4 遠程虛擬實驗平臺的未來擴展應用

經過進一步擴展,在目前已有的應用基礎上,基于FPGA的遠程虛擬實驗平臺未來還將把計算機體系結構、編譯原理、操作系統、計算機組成原理與接口技術等課程的實驗環節囊括進來,進而實現更大范圍內的計算機類課程的貫通,并使多門課程的教學資源得到整合和共享,為學生提供豐富的學習資源。

2.5 遠程虛擬實驗平臺的特色與創新

(1) 以實為主、以虛補實、以實驗虛、虛實結合 。虛擬實驗能夠補充真實實驗不具備或難以完成的實驗教學,可以用于高成本、高消耗、大型或綜合性的實踐訓練。遠程虛擬實驗平臺通過虛實互補、以實驗虛的方式將虛擬仿真與實物驗證相結合,較好地滿足了學生對實驗資源及實驗方式多樣化的不同需求。

(2) 有效促進實驗教學手段與教學模式的變革。虛擬仿真實驗平臺使學生的課外實驗落到實處,并使MOOC/SPOC等在線大規模課程的實驗環節得以實施,真正做到理論與實踐密切結合。

表1 虛擬實驗平臺目前支持的課程及實驗項目

(3) 實驗過程可監控,提升了實驗教學效果。教師可通過遠程監控查看在線學生實驗操作過程,實驗結果在線提交,有助于提升教學效果。

(4) 實現多課程貫通,提高學生的系統能力。遠程虛擬實驗平臺可以實現大范圍內的計算機類課程的貫通,并能促進多門課程的教學資源整合和共享,進一步提高學生的系統分析能力和系統設計能力。

3 結語

基于FPGA的遠程虛擬仿真實驗平臺以大規模可編程邏輯器件技術以及物聯網技術為依托,采用“本地計算機虛擬仿真軟件 + 可遠程訪問的真實硬件平臺”相結合的設計理念,具有高擴展性、高靈活性的特點,突破傳統實驗的時間和場地限制,真正實現了一臺多用、多課程貫通。實踐表明,該平臺不僅可以實現無處不在的硬件課程學習和硬件實驗操作,有效提高學生的學習效率,更能進一步培養學生的創新能力,并有助于提高學生獨立分析和解決復雜的實際問題的綜合能力。

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

張彥航(1971—)，女，吉林白城，博士，副教授，研究方向為信息融合與多目標檢測.

E-mail:zhangyanhang@hit.edu.cn

G482；TP391.9

A

1002-4956(2017)1-0016-05