現代電子技術實驗網絡教學平臺的跨區域設計與實現

蔣錦健

摘 要： 為了提高現代電子技術實驗教學的集成可靠性和智能性，設計一種基于通用串行總線控制的跨區域現代電子技術實驗網絡教學平臺。平臺包括了硬件設計和軟件設計部分，硬件模塊包括數據采集單元、現代電子技術實驗的主控單元、網絡教學的顯示單元以及人機接口單元。軟件設計包括串口接收控制程序設計、驅動配置程序設計和教學平臺的監控軟件設計。采用通用串行總線控制方法進行教學平臺的硬件和軟件的集成開發設計。實驗結果表明，該教學平臺能實現跨區域的網絡教學，教學多媒體數據傳輸和收發性能較好，具有很好的實用性。

關鍵詞： 現代電子技術； 實驗網絡教學平臺； 跨區域設計； 軟件設計

中圖分類號： TN711?34； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0039?04

Abstract： In order to improve the integrated reliability and intelligence of experiment teaching platform based on modern electronic technology， a cross domain modern electronic technology experiment network teaching platform based on universal serial bus control was designed. The platform includes hardware design and software design. The hardware module includes data acquisition unit， main control unit for modern electronic technology experiment， display unit for network teaching and man?machine interface unit. The software design includes serial port receiving control program design， driver configuration program design and monitoring software design for teaching platform. The universal serial bus control method is adopted for integrated development and design of hardware and software for teaching platform. The experimental results show that the teaching platform can achieve cross regional network teaching and teaching multimedia data transmission， and has high transceiver performance and perfect practicality.

Keywords： modern electronic technology； experiment network teaching platform； cross region design； software design

0 引 言

現代電子技術是高校電子信息專業和通信工程專業開設的一門專業課程。該課程主要包括模擬電子線路和數字電子線路等電子設計方面的教學內容。電子技術課程對實驗教學的要求較高，需要完成較大課時的電子制作和電子測試等實驗。當前的現代電子技術實驗課主要是建立在面對面教學授課的實驗環境中；因此，需要研究一種有效的電子技術實驗教學平臺，進行跨區域的網絡實驗教學，改善實驗環境，提高電子技術實驗教學的質量。為了提高現代電子技術實驗教學的集成可靠性和智能性，本文提出一種基于通用串行總線控制的跨區域現代電子技術實驗網絡教學平臺設計方法，進行實驗平臺的硬件設計和軟件設計，并進行實驗教學平臺的系統測試和聯調分析。

1 網絡教學平臺的總體設計構架

1.1 教學平臺設計功能指標分析

本文設計的教學平臺具有電子實驗、網絡授課和現場指導等功能。采用基于TCP/IP協議和C/S模型構建網絡傳輸系統，進行遠程教學信息傳輸以及跨區域的教學指導。教學平臺的跨區域設計需要選擇網絡通信協議；在此采用了TCP/IP協議和UDP協議進行網絡設計。該通信協議具有數據確認和數據重傳的機制，并具有可靠、傳輸大小無限制等優點，適合現代電子技術實驗網絡教學的大數據量信息傳輸的需求。在教學平臺的服務程序與客戶機/服務器請求響應設計中，利用套接字（Socket）建立網絡通信[1]，為實驗教學平臺的使用者提供身臨其境的視景環境，滿足網絡實驗教學的需求。其中，網絡教學平臺客戶機/服務器的進程通信機制描述如圖1所示[2]。

綜上分析，本文設計的現代電子技術實驗網絡教學平臺具有如下功能：總線傳輸控制功能、多媒體投影教學功能、輸出顯示功能和網絡通信功能。結合上述功能分析，進行實驗教學平臺的總體設計和模塊化開發設計。

1.2 網絡教學平臺的總體結構

在Multigen Creator 3.2開發環境下進行現代電子技術實驗網絡教學平臺的總體設計[3]，系統以校園網、局域網和互聯網為基礎[4]，中樞位以DSP為核心的中央集中控制器，實現教學平臺與在計算機網絡中的通信和信息共享。基于基礎的網絡架構方法，現代電子技術實驗網絡教學平臺下的各種設備的輸入/輸出端口得以規整集成，實現網絡教學平臺的遠程的開機關機，教學電動幕布的啟動、投影儀控制、電子實驗器件的展示、實驗教學步驟的傳授等功能。網絡教學平臺包括了硬件設計和軟件設計部分。其中，硬件模塊采用Microsoft Visual Studio 開發組件進行集成設計[5]，包括數據采集單元、主控單元、網絡教學的顯示單元以及人機接口單元，視頻電動屏幕的接口采用13～16位數據線進行總線擴展，采用上升沿鎖存電平，對串口進行正確配置，通過編程和接口調用軟件設計包括串口接收控制程序設計、驅動配置程序設計和教學平臺的監控軟件設計。

現代電子技術實驗網絡教學平臺總體結構框架設計如圖2所示。

2 硬件設計

對實驗教學平臺的硬件模塊設計包括數據采集單元、現代電子技術實驗的主控單元、網絡教學的顯示單元以及人機接口單元。

2.1 數據采集單元

數據采集單元是進行網絡實驗教學的多媒體課程教學內容采集，它們與A/D轉換器、D/A轉換器相連構成兩級程控增益控制放大器，對SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口發送控制寄存器）進行初始化。在實驗教學平臺的控制終端設定壓控放大器，控制D/A轉換器進行數/模轉換。由D/A轉換器輸出開關控制電平或輸出動態增益控制碼，采集、處理整個系統的傳輸數據與上位機通信，在幾個周期內完成增益調整，數據采集單元的電路設計如圖3所示。

2.2 主控單元

主控單元是實現現代電子技術實驗網絡教學平臺程序控制的核心模塊。采用EM B3803主控DSP芯片進行主控模塊設計，由Mux101多路開關進行程控放大，ADC要求穩定到[14 096，]運算放大器穩定到[11 024]的一半，主控單元的第二級選用VCA810，數據線的放大分貝數由DSP控制。根據多媒體教學平臺的VGA輸入/輸出信號的形式，設計RS 232 芯片的控制串口接口，通過集中控制，實現了對系統的開關控制功能和教學多媒體資源回放。主控單元還能控制教學平臺的電動幕布的升降、移動、分辨率調整，進行通用串行總線控制，實現跨區域教學。綜上分析，得到主控單元的電路設計如圖4所示。

2.3 顯示單元

現代電子技術實驗網絡教學平臺需要實現跨區域的輸出顯示和電子實驗產品制作展示，在顯示單元可以實現對教學課件的打包傳輸，課件拷貝等功能，有效實現教學資源的共享。

采用 8 位和 16 位微控制器進行全息顯示，實驗平臺的顯示單元具有16位定點STM32內核，核心處理器選擇意法半導體公司的STM32F101xx芯片[6]，構建MifareRFID卡識別系統，以提高教學平臺的輸出安全性和可靠性。顯示單元的電路設計如圖5所示。

2.4 人機接口單元

人機接口單元使用低功耗的接口輸出技術，采用現代MOS技術構造人機交互模塊的數據輸出接口，采用SPI接口方式實現TRF7960與STM32F101xx的通信。

采用并行外設接口（PPI）構建現代電子技術實驗網絡教學平臺的傳感器模塊[7]。它是半雙工形式，網絡教學平臺的傳感器模塊的接口方式為串行，與嵌入式STM32宿機連接。當應答器靠近現代電子技術實驗網絡教學平臺時，應答器上的信號經過天線感應，與應答器進行數據交互，由此實現網絡教學平臺的跨區域信息輸出和交互，得到人機接口單元設計如圖6所示。

3 軟件設計

現代電子技術實驗網絡教學平臺跨區域設計的軟件設計包括串口接收控制程序設計、驅動配置程序設計和教學平臺的監控軟件設計。采用通用串行總線控制方法進行教學平臺的硬件和軟件的集成開發設計。采用基于網絡技術的現代電子技術實驗網絡教學平臺遠程控制系統，根據上述設計，得到電子技術實驗的跨區域網絡教學平臺軟件設計流程如圖7所示。

根據圖7所示的教學平臺的指針分布流程。輸出接口通過與通用串行總線控制，通過功放系統的接口連接，構建視頻電動屏幕的接口；根據實驗教學平臺的VGA輸入/輸出內容，采用RS 232 控制串口接口，實現遠程數據傳輸和教學進程控制。

4 實驗測試分析

為了測試本文設計的實驗教學平臺的性能，進行系統調試分析。本系統的開發測試建立在計算機網絡通信平臺基礎上，創建一個客戶端，基于TCP/IP協議和C/S模型構建網絡傳輸系統，構建的現代電子技術實驗網絡教學平臺遠程控制傳輸終端，進行輸出性能顯示。在系統Filesystem的lib中建立起了現代電子技術實驗網絡教學平臺的通用串行總線控制采集的根文件系統，進行遠程教學的程序控制加載。在Visual DSP++ 4.5中進行軟件調試和開發，程序控制模塊的觸發電平為2.5 V，截止頻率為12 kHz。根據上述測試環境描述，以網絡教學平臺的輸出數據保真率為測試指標，進行性能分析，得到結果如圖8所示。

分析上述結果得知，該教學平臺能實現跨區域的網絡教學，教學多媒體數據傳輸和收發性能較好，保真率較高，具有很好的實用性。

5 結 語

本文設計一種基于通用串行總線控制的跨區域現代電子技術實驗網絡教學平臺。平臺包括了硬件設計和軟件設計部分，硬件模塊包括數據采集單元、現代電子技術實驗的主控單元、網絡教學的顯示單元以及人機接口單元。軟件設計包括串口接收控制程序設計、驅動配置程序設計和教學平臺的監控軟件設計。采用通用串行總線控制方法進行教學平臺的硬件和軟件的集成開發設計。實驗結果表明，該教學平臺能實現跨區域的網絡教學，教學多媒體數據傳輸和收發性能較好，具有較高的應用性能。

參考文獻

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