EDA实验教学远程共享模式的实现

张敏等

摘 要：文章设计了EDA实验室硬件远程开放对社会共享的实现方法。这种方法是网易公开课模式的补充和升级，它实现了EDA实验室硬件资源的社会共享和实验室全时段的高效利用。在远程社会共享教学模式中，实验人员通过网络对远程EDA实验箱进行操作，实验图像和声音信息通过网络传递回本地，实验人员会产生身临其境的感觉。实践结果表明，该教学模式解决了目前实验教学时间地点受限制、实验室资源利用率低的问题，具有较为重要的社会意义。

关键词：远程控制；硬件共享；EDA实验箱；网易公开课

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2014）22-0081-03

一、引言

随着现代信息网络技术的高速发展，目前大学实验室的教学模式改革和教学效果的提高势在必行。在教学实践中，我们体会到实验室教学改革主要是基于两个方面的考虑：一方面是如何才能为学生提供更多动手机会，目前的情况是学生往往只能在实验室课堂上，课堂以下无法使用实验资源，学生的动手实践需求无法满足；另一方面是大学实验室的实验设备使用率问题，特别是晚上，实验仪器往往处于闲置状态，怎么能最大效率使用教学设备是一个有待解决的实际问题。[1]

与大学实验室现状形成对比的是，近年来“在线开放课程”的教育模式迅速风靡全球。类似网易公开课，让学习者能随时随地的根据自己的兴趣来选择所要学习的科目。很显然，大学教育不能孤芳自赏，应该调动更多的人参与，高等教育与现代信息技术相结合的课程建设俨然成为我国现代高等教育发展的必然趋势。然而这种远程网络教育也有着明显的不足。现在因特网上仅实现了视频和软件的共享，像大学里大量的实验教学硬件资源却没有得到在网络上的共享。[2]

针对以上不足，本文提出硬件公开资源共享课这一思路。即根据现在流行的远程思想，对放置在实验室中的各类实验箱（如EDA实验箱），通过网络进行远程操作，再通过摄像头、麦克风将实验所得到的结果反馈给操作者，以此使远端用户得到在实验室操作的实感。这一技术的实现既能让学生不受时间地点的限制相对自由地进行实验，让网络公开课的学习者进行实践操作，还能让广大社会群众享受到实验室的设备与资源，进而会培养人们的创新意识、动手能力，对推动我国科技发展起到一定的积极作用。[3]

二、EDA实验室设备远程共享教学模式的系统构成及工作原理

1.系统的组成

该远程开放实验室系统由EDA实验箱构成。当远程实验用户通过互联网登录到开放实验室系统时，通过通信和控制模块取得QuartusII软件的控制，实现了EDA实验箱的控制，控制的现象和结果通过网络摄像头和其软件传输给远程实验用户，最后用户体验到身临其境的感觉。本文设计的系统的总体结构框图如图1所示。

2.工作原理

本系统所应用的工作原理主要为远程控制原理和硬件共享原理。远程控制是在网络上由一台电脑远距离去控制另一台电脑的技术，主要通过远程控制软件实现。如图2所示，使用时安装在主控端电脑中的客户端程序向被控端电脑中的服务器端程序发出信号，建立一个特殊的远程服务，然后通过这个远程服务发送远程控制命令，控制被控端电脑中的各种应用程序运行。

这里提出的硬件共享是指通过远程操控被控端的电脑，实现实验箱的使用权与他人进行共享的目标，其中该实验箱与被控端电脑相连接。再在受控方电脑上安装带双向语音功能的网络摄像头，操控者即可在主控端电脑上观看由摄像头传过来的实验箱所显示的实验效果。原理如图3所示。

三、EDA实验室设备远程共享教学模式的具体实现

该系统主要由远程控制模块、登录管理模块、摄像头控制模块这三个部分组成。

1.控制模块的系统设计

本设计直接利用远程控制软件进行通信和控制，其特点是成本低、易操作。为了方便用户登录以及避免合法用户发生登录碰撞，本文建立了用户远程登录管理系统。

（1）远程控制的建立

目前，远程操作较便捷的有三种方法：

首先是Windows系统远程协助应用。“远程协助”是Windows XP系统附带的功能，不过必须得安装MSN Messenger 6.1和Windows Messenger 4.7，并且要主控双方协调才能够进行“远程协助”。其次是Windows “远程桌面”的应用，这是一种C/S模式，客户机可以通过TELNET登录到高配置的服务器上，若要利用这种方式实现远程桌面控制需要经过复杂的设置，并且需要获得高权限才能完成电脑的完全操控。最后是远程控制软件。目前常用的远程控制软件有TeamViewer、灰鸽子、Netman、GoToMyCloud、Radmin等。用软件实现控制时操作简便，不需要进行复杂的设置并且使用时不需要与受控方协助完成，可以直接操作无人电脑。所以一般选择此种方法。

本设计采用的是Teamviewer远程控制软件，这是在任何防火墙和NAT代理的后台用于远程控制、桌面共享和文件传输的简单且快速的解决方案。为了连接到另一台计算机，必须在两台计算机上同时运行软件。该软件第一次启动时在两台计算机上自动生成伙伴ID，只需要输入你的伙伴的ID到TeamViewer，就会立即建立起连接。[4]

（2）远程用户登录界面

登录系统界面主要是通过Microsoft Visual Basic 6.0 和Microsoft Office Access 2007软件进行设计。设置后，每个用户将拥有自己的用户名和密码以及限定的登录时间。用户输入登录信息后系统会将数据传到数据库中进行比对，使合法用户成功登录。登录系统框如图4所示。

（3）摄像头和声音信号采集

本设计使用的是凯聪公司的SIP1018网络摄像机，它支持1个MJPEG码流，适于本地、互联网以及跨平台访问；采用CMOS传感器，支持640*480、320*240实时视频编码；内置拾音器，并可外接麦克风，远程监听现场声音；也可外接音箱，远程传送声音至现场，实现双向对讲功能，支持回声抑制功能；自带红外灯，支持8米夜视范围；支持红外、彩色滤光片切换，图像不偏色（内置IR-CUT加强版）；内置WEB服务器，使用一个端口传送所有数据，便于用户进行网络设置。

使用前首先设置好网络摄像机的各项局域网参数事项，例如名称、端口号、IP地址、子网掩码、网卡、主DNS服务器等设置，使摄像头与受控端电脑在同一局域网下。再安装ActiveX控件，并在IE浏览器中启用此控件，即可通过浏览器看到由摄像头传过来的监控影像和声音。

用户登录成功后进入摄像头连接界面。界面中会显示合法用户的使用时间权限段，用户在此时间段中能通过摄像头站点的连接窗口顺利使用监控镜头。

（4）数据库建立

数据库的建立主要是使用Microsoft Office Access 2007存储用户和密码的相关数据，用以辨别使用者是否为合法的用户和用户规定上网的时段合法；如果是合法用户则进入摄像头连接页面，相反则提示“用户错误”信息。[5]

2.受控的软硬件平台

（1）软件平台

EDA的开发软件使用Quartus II，该软件支持远程调用。该设计工具完全支持VHDL、Verilog的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。QuartusII与MATLAB和DSP Builder结合可以进行基于FPGA的DSP系统开发，是DSP硬件系统实现的关键EDA工具。目前能够进行远程的实验包括流水灯实验、八段数码管动态显示实验、16*16点阵显示实验、电子琴实验等。

（2）硬件平台

目的是进行网络教学的本实验箱，重点突出了声光的效果。这样能够让远程用户感受到效果，该实验箱由EP2C5芯片为核心构成，上面有LED、八段数码管、16*16点阵、喇叭、蜂鸣器等资源，实验现象很容易远程表现。电路如图5所示。

四、EDA实验室设备远程共享教学模式的实现效果

该系统显示界面效果如图6所示，系统实物图如图7所示。远程登录后采集到实验箱效果如图8所示。

五、结论

由于该系统可以在宿舍和学校其他实验室里很方便地使用EDA实验箱，学生能够主动自学EDA技术，因此将极大地激起他们对电子设计的兴趣，鼓励更多学生投入到各种电子设计的比赛中。进一步，在学生学习数字电路技术基础等课程时，他们可以在课余时间利用此系统在EDA实验箱上自己动手设计电路，将所学的知识活学活用到实际中，直观地感受到电路产生的实际效果，这有助于他们更好地理解书本上的知识点，避免了书本和实际的脱离，因此，该教学模式将推动本课程的教学水平和教学质量得到极大地提高。

实际测试结果表明，此硬件共享系统可以满足用户对于不受空间限制地使用实验设备的需要，具有较高的可用性及实用性。针对在登录过程中出现合法用户碰撞登录的问题，本文提出了设置各合法用户使用时间权限的方案，通过登录测试证明此方案的可行性和有效性。与此同时，本教学实验系统也具有一定的局限性，例如用户过多时限制使用时间的分配等。如果可建立更大的网络，将更多的实验室添加到此网络中进行公开，再继续完善登录界面以及用户数据库，则可让社会上更多的人使用到这些实验设备，让实验室资源得到充分利用。本硬件共享系统具有强大的推广、提升潜力和广阔的实际应用前景。[6]

参考文献：

[1]金高松，郑萍，任凤娟，张建刚.基于WebAccess的新型远程实验控制系统研究[J].微计算机信息， 2009（19）：41-42，10.

[2]桑托希·潘德.在国际背景下远程教育的规划与管理[J].中国远程教育，2004（11）：40-47.

[3]刘外喜，刘文喜，喻萍等.基于在线实验室的教学模式的研究[J].微型机与应用，2011（14）：51-53.

[4]Deepak Srinivasa gup ta and Babu Joseph. An Internet-mediated process control laboratory[J]. IEEE Control Systems Magazine， 2003， 23（1）：11-18.

[5]唐鸿儒.刘大年，杨鹏等.基于internet 的远程监控系统开发技术研究[J].测控技术，2003，22（4）：48-51.

[6]林连冬. EDA技术开放实验室研究型实验的教学探索[J].实验室研究与探索，2013（5）：216-218，226.

（编辑：鲁利瑞）