本发明专利技术公布了一种基于FPGA与ARM的远程实验系统及设计方法，本发明专利技术由服务器、多个PC客户端和多个ARM客户端组成；ARM客户端的硬件基础为FPGA远程实验板卡，由ARM电路模块、FPGA及其实验外设构成，FPGA的被动配置接口与ARM连接，FPGA的IO引脚一部分连接实验外设实物，一部分连接到ARM，定义为仿真外设；由ARM客户端具体实现FPGA的远程配置与实验交互；连接通道是：PC客户端服务器ARM客户端FPGA远程实验板卡。本发明专利技术实现了远程硬件实验的双向交互，且满足了本地实验和远程实验的双重需求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及实验教学仪器的
，具体而言，是一种支持远程实验的FPGA实验系统。
技术介绍
实验是日常教学中非常重要的组成部分，也是科研过程中进行验证的主要手段。传统教学实验方式是在指定的时间，到实验室完成实验，其缺陷是实验时间地点受限制、实验设备利用率低、实验室及设备管理代价大。在提倡“在线学习”的今天，理论学习早已具备形式多样的远程与在线学习资源，然而，受实验时间、空间及实验设备的限制，实验教学的在线学习手段却远远落后。近年来，国内外也兴起了一些实验手段变革，譬如“虚拟仿真实验室”的建设，将实验设备用纯软件来模拟实现，使用者只需运行虚拟仿真软件，就可以进行虚拟实验。然而，虚拟设备说到底是软件，它和实际的实验设备还是有很大的差别，尤其涉及硬件设备的时序部分，虚拟设备很难模拟真实设备的全部性能。另一种变革是“远程实验系统”的提出，它和“虚拟仿真实验室”不同的是：“远程实验系统”是基于真实的实验室设备的远程实验，它借助网络，有些还借助视频监控设备，将实验室设备的状态反馈给远端的用户。但是，它们最大的缺陷是缺乏有效的交互，即用户在远端无法具体操控实验设备。究其原因，与实验设备本身的复杂特性有较大关系。FPGA由于其可编程性、高速性及容量大等特性，近年来成为计算机硬件课程实验的首选实验设备。FPGA是基于数字电路的逻辑结构，实验中的输入输出信号均为数字信号，可以由ARM输出控制或者直接获取；同时，ARM的网络接口与FPGA的被动配置模式使得远程配置成为可能，这些为FPGA远程实验系统的设计提供了有利的基础。
技术实现思路
本专利技术针对现有远程实验技术存在的问题，提供了一种基于FPGA与ARM的远程实验系统及设计方法，它借助Internet及其网络服务器，为远端的PC客户端用户提供基于FPGA与ARM的远程实验系统的远程硬件实验。该方法通过服务器与远程实验板卡上的ARM网络接口，利用FPGA的被动配置模式，实现远端用户对FPGA的远程配置；同时使用ARM实现对FPGA仿真设备引脚的信息采集与驱动控制，并与服务器和PC客户端进行双向交互，从而真正实现远程硬件实验。本专利技术所设计的基于FPGA与ARM的远程实验系统，其特征在于：系统基于Internet网和C/S架构，由服务器、多个PC客户端和多个ARM客户端组成，连接的网络拓扑结构是星形连接，使用基于TCP/IP协议的自定义应用层协议；其ARM客户端的硬件基础为FPGA远程实验板卡，由ARM及其外围(含网口)电路、FPGA及其实验外设构成，其特征在于：FPGA的被动配置接口与ARM连接，用以实现FPGA程序的远程配置；FPGA的IO引脚一部分连接实验外设实物，一部分连接到ARM，定义为仿真外设；PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的连接通道是：所述的实验外设为开关、LED灯。本专利技术提出了一种基于FPGA与ARM的远程实验系统的设计方法，其方法包含以下步骤：步骤一、实验预约：PC客户端是用户与服务器、ARM客户端的交互接口，用户通过客户端程序登陆并预约远程实验；服务器根据PC客户端发来的预约请求，提供实验预约服务，并将预约信息存入数据库；步骤二、远程登陆与配对：在规定的远程实验时间，用户通过PC客户端登陆后，由服务器在PC客户端和ARM客户端之间进行动态配对，记录在数据库中，并建立点对点的连接；步骤三、远程配置：远程实验时，用户需要将FPGA的实验程序，下载到远程的FPGA实验板卡，方法是：步骤1、PC客户端将配置程序传送给服务器，由服务器转发给配对的ARM客户端，ARM客户端程序将其存储于ARM的NAND Flash中；步骤2、ARM客户端程序打开该配置文件，读取一个字节；步骤3、ARM客户端程序按照FPGA的从串模式(对于Xilinx FPGA芯片)或者PS模式(对于Altera FPGA芯片)的时序将字节逐位写入FPGA；步骤4、如果配置文件没有读取完，则读取下一个字节，转③；否则，配置结束；步骤四、远程交互：远程实验实现的是双向交互，方法是：(1)从FPGA远程实验板卡到PC客户端，传送的是实验数据，步骤是：步骤1、在PC客户端和ARM客户端建立连接后，ARM客户端定时(譬如每隔500ms)采集FPGA的仿真输出外设对应的输出引脚状态(0、1)，按照自定义的应用层协议，打包传递给PC客户端；步骤2、PC客户端将这些FPGA输出引脚的状态定义为仿真输出外设(譬如LED灯、数码管等)，以可视化图形的形式，将仿真输出外设的状态(亮、灭)，展现在PC客户端用户画面上；(2)从PC客户端到FPGA远程实验板卡，传送的是实验操作指令，步骤是：步骤1、用户在PC客户端用户画面上，改变图形化的仿真输入设备(譬如开关、按键)的状态(开、关)，按照自定义的应用层协议，打包传递给ARM客户端；步骤2、ARM客户端程序将仿真输入设备的状态(开、关)，变成0或1，控制ARM输出到FPGA的对应输入引脚。本专利技术的有益效果本专利技术在普通的FPGA实验板卡上，加设了ARM芯片及其网口电路，辅以C/S架构的服务器与客户端软件，使得FPGA实验板卡具备了远程实验的能力；利用FPGA的被动配置模式，使用ARM的网络功能及其对FPGA的驱动程序，实现了FPGA的远程配置；除了FPGA实验板卡上原有的实物实验外设之外，又设计了一组专用的仿真设备与ARM连接，供远程实验使用，该设计有两个优点：一是真正实现了硬件实验的双向交互，达到了远程硬件实验的目的；二是使得FPGA远程实验板卡既具有远程实验的功能，也具有本地实验的功能。附图说明图1是本专利技术基于FPGA与ARM的远程实验系统的整体架构；图2是系统信息交互图；图3是基于FPGA与ARM的远程实验板卡的结构；图4(A)是PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的连接通道；图4(B)是PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的优化连接通道；图5是ARM客户端程序结构；图6是实现FPGA远程配置的ARM程序流程图；具体实施方式本专利技术针对现有远程实验技术存在的问题，提供了一种基于FPGA与ARM的远程实验系统及设计方法，它借助Internet及其网络服务器，为远端的PC客户端用户提供基于FPGA与ARM的远程实验系统的远程硬件实验。该方法通过服务器与远程实验板卡上的ARM网络接口，利用FPGA的被动配置模式，实现远端用户对FPGA的远程配置；同时使用ARM实现对FPGA仿真设备引脚的信息采集与驱动控制，并与服务器和PC客户端进行双向交互，从而真正实现远程硬件实验。以下举例说明本专利技术整个过程的具体实施方式：1、基于FPGA与ARM的远程实验系统的架构，如图1所示。系统基于Internet网和C/S架构，由服务器、多个PC客户端和多个ARM客户端组成，连接的网络拓扑结构是星形连接，使用基于TCP/IP协议的自定义应用层协议。自定义的应用层协议的帧结构如表1所示。表1 自定义协议字段格式表1)编号：传输时本地的计数字段，对发送帧计数；2)类型码：指示传输数据段的数据类型，0x01代表操作命令(具体操作命令由操作码规定)，0x02代表实验数据，0x04代表传输文件，0x08代表应答数据。3)操作码：0x00代表无效，0x01-0x0C代表各种操作指令，具体本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于FPGA的远程实验系统，其特征在于：系统基于Internet网和C/S架构，由服务器、多个PC客户端和多个ARM客户端组成，连接的网络拓扑结构是星形连接，使用基于TCP/IP协议的自定义应用层协议；其ARM客户端的硬件基础为FPGA远程实验板卡，由ARM及其外围电路、FPGA及其实验外设构成，FPGA的被动配置接口与ARM连接，用以实现FPGA程序的远程配置；FPGA的IO引脚一部分连接实验外设，一部分连接到ARM，定义为仿真外设；PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的连接通道是：
【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的远程实验系统，其特征在于：系统基于Internet网和C/S架构，由服务器、多个PC客户端和多个ARM客户端组成，连接的网络拓扑结构是星形连接，使用基于TCP/IP协议的自定义应用层协议；其ARM客户端的硬件基础为FPGA远程实验板卡，由ARM及其外围电路、FPGA及其实验外设构成，FPGA的被动配置接口与ARM连接，用以实现FPGA程序的远程配置；FPGA的IO引脚一部分连接实验外设，一部分连接到ARM，定义为仿真外设；PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的连接通道是：2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的远程实验系统，其特征在于：所述的实验外设为开关、LED灯。3.一种基于FPGA的远程实验系统的设计方法，其方法包含以下步骤：步骤一、实验预约：PC客户端是用户与服务器、ARM客户端的交互接口，用户通过客户端程序登陆并预约远程实验；服务器根据PC客户端发来的预约请求，提供实验预约服务，并将预约信息存入数据库；步骤二、远程登陆与配对：在规定的远程实验时间，用户通过PC客户端登陆后，由服务器在PC客户端和ARM客户端之间进行动态配对，记录在数据库中，并建立点对点的连接；步骤三、远程配置：远程实验时，用户需要将FPGA的实验程序，下载到...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯建文，丁强，姜周曙，黄康宁，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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