一种基于网络的远程电路实验教学系统设计

郭东亮

（中山大学电子与通信工程学院，广东广州510006）

电路实验课程在高校信息类专业本科生的专业课程体系中十分重要，由于目前高校的招生规模持续增加，电路实验课程的实验教学资源趋于紧张，受制于实验室场地、设备资源和时间的局限，学生的人均实验时间较短，对于验证性的实验，有部分学生在有限的实验课时内无法完成规定的实验内容，而对于难度较大的设计性实验，学生往往难以在规定学时内完成实验.因此，如何增加电路实验资源的利用率是亟待解决的问题.

传统的电路实验设备是电路实验箱、实验电路板，这类实验设备处于未联网的孤岛状态，难以实现资源共享.利用网络信息技术促进优质教学资源的整合与共享、建立网络化实验教学平台是克服实验室场地、设备和时间局限、促进实验室资源共享的重要途径，也是目前高校实验教学技术发展的大趋势[1-4]，本文提出了一种基于网络的远程电路实验教学系统，用户可通过网络对实验电路板进行实验数据采集和远程控制.

1 系统总体设计和控制方案

1.1 实验系统总体结构

实验系统总体框图如图1所示.系统总体上分为控制模块（控制电路板）、实验电路板两个独立部分，实验板与控制板之间经柔性扁平电缆（FFC）连接.

1)实验电路板：是针对具体实验内容开发的电路板，控制板可以控制整套实验电路板，二者间的接口采用规范化设计，不同实验电路板采用统一规格的接插件.

2)控制电路板：可分为微处理器模块和被控模块两部分.①微处理器模块：实现与计算机、局域网的通信以及对被控模块输出控制信号的功能.②被控模块：包括衰减网络、数控模拟开关、数字电位器、数字可调电阻.为实现系统的成本效益最优，将其设置于控制电路板中，由信号及测试点连接器连接至实验电路板.

该系统的设计特点如下：

1)采用ARM微处理器为核心的控制模块对实验电路板进行数字控制.

2)由于数控的需要，实验电路板需要全新设计，不再使用机械式开关，代之以数控模拟开关或数字电位器、数字可调电阻.

3)可以实现输入信号选择或衰减、电路组态切换、测量点切换三个维度的控制.

图1 实验系统框图Fig.1 Diagram of experimental system

1.2 控制方案

微控制器接入网络有以下几种方式：

1)通过专用来做网关的PC机与Internet连接

该方案需为每套实验系统配置一台PC机，成本高、耗电多、体积大.

2)低端单片机控制网卡芯片交换数据

该方案的优势是成本低，已有51 单片机与RTL8019AS 等网卡芯片接入以太网的成熟方案[5-6].该方案的劣势是对系统资源消耗大，要占用大量内存，一般需扩展RAM；此外，考虑TCP/IP协议的复杂性和单片机资源的有限性，必须对TCP/IP协议进行裁剪，软件工作量大.

3)使用集成以太网卡的高端微控制器

采用集成以太网模块并固化TCP/IP 协议的高端微控制器可以简化系统硬件设计，并提高系统可靠性.本设计采用第3方案.

2 控制模块和实验电路板设计

2.1 微控制器模块设计

微控制器承担着联系实验电路板与系统服务器的职责，是远程平台实验系统中的重要模块.本设计选择的STM32F107VCT6芯片是意法半导体（ST）公司推出的一款STM32互联型产品，基于采用ARMv7-M 架构的32位Cortex-M3处理器内核[8].远程实验系统选用该芯片作为微控制器，在其上进行微控制器软件的开发.

STM32F107VCT6 芯片内置了通信功能与控制功能所需模块.其中USART 模块，可以满足RS232 接口的串口通信功能；以太网MAC（Media Access Control）模块，通过RMII（Reduced Media Independent Interface）接口连接到DP83848 物理层芯片即可满足网络通信的需要；SPI（Serial Peripheral Interface）模块，满足对数字电位器的控制功能.STM32F107VCT6 芯片具有100 个引脚，其中包括了80 个GPIO（General Purpose Input/Output）端口，有足够的端口数量保证与被控模块的连接.

STM32F107VCT6芯片需要选用的端口包括串口通信端口2个、以太网通信端口10个、模拟开关控制端口15个、数字电位器控制端口7个，实验电路板识别端口3个.具体选用端口如表1所示.

表1 STM32F107VCT6芯片端口的使用Tab.1 Usage of STM32F107VCT6 chip port

2.2 被控模块设计

被控模块是控制系统的执行部件，具体设计如下：

1)衰减网络：衰减网络可增加实验信号的灵活性，也可使用衰减网络分压得到所需小信号.本设计中输出信号通过4选1模拟开关选择一路信号输入至实验电路板.

2)模拟开关：综合考虑实验系统的阻抗匹配和导通电阻要求，信号衰减网络所需的四选一模拟开关选择4选1模拟开关CD4052；测量点切换所需的十六选一开关选择CD4067；二选一开关选CD4053；双向开关选CD4066.

3)数字可调电阻：采用100 kΩ 的MCP41100数字电阻与10 kΩ 的MCP41010数字电阻相串联的方案，可调范围：0～110 kΩ，可实现调节精度：39.062 5 Ω.

4)数字电位器：由于电位器主要起分压作用，重要的是分压分辨率，由于均为8 位（256 级），兼顾电阻范围，采用100 kΩ数字电位器MCP41100.

2.3 控制板识别实验板方案

控制板需要能识别不同的实验电路板，可选方案有：

1)使用n 根信号线，将信号线分别上拉或接地.通过判断信号线的高低电平可以识别出2n种不同的实验板.

2)使用1 根信号线，不同实验板通过不同的电阻分压得到不同的电压值，微控制器通过模数转换器（ADC）读取电压值，从而识别不同的实验板.为提高系统可靠性，此方案需要额外提供基准电压.

本设计采用可靠性更高的第1)方案，用3根信号线识别8块实验板，该方案便于扩容（如用4根信号线识别16块实验板）.

2.4 实验电路板设计

实验电路板设计需要考虑的因素有：

1)增添电源指示灯；机械式可调电阻、开关更换为数控可调电阻、数控模拟开关.

2)由于需要切换电路组态，在原实验电路板中应增加各类切换开关.

3)考虑实验电路负载的变化情况，需要增加数控可调电阻、数控模拟开关等器件.

4)实验电路板采用的统一的接插件与控制电路板相连.

5)满足控制电路板对不同的实验电路板识别的需求.

以差动放大电路实验板为例，图2是重新设计的实验电路板原理图，新设计的主要改进如下：

1)使用了数控可调电阻.

2)考虑共模和差模信号的输入方式不同且需要切换，在信号输入端加入了2 个二选一开关和一个通断开关，可以实现差模、共模信号切换，具体为，①调零：SW1 闭合，SW3、SW4 接地；②差模输入：W1 开，SW3、SW4接信号端子；③共模输入：SW1闭合，SW3或SW4接信号端子.

图2 差动放大实验电路原理图Fig.2 Schematic diagram of differential amplification experiment circuit

加入连接器JSP和JSW，并进一步考虑LED 电源指示、数字可调电阻、数字电位器等布局进行改进设计，图3是差分放大电路PCB的3D效果图.

图3 差动放大电路的PCB的3D效果图Fig.3 3D rendering of PCB of differential amplification circuit

3 微控制器软件设计

3.1 微控制器软件整体设计

微控制器软件主要由三个线程与三个中断组成，包括串口通信线程、网络通信线程与协议栈线程，定时中断、串口接收中断与以太网接收中断.由μC/OS-II完成线程调度，定时中断为其提供轮转信号，接收中断为通信提供数据缓存功能.微控制器软件整体设计框图如图4所示.

图4 微控制器软件设计框图Fig.4 Software design diagram of microcontroller

3.2 通信功能设计

1)串口通信功能设计

串口选择了常用的RS232 接口，可以与个人计算机的RS232 接口连接，或者通过CH340 芯片连接至个人计算机的USB（Universal Serial Bus）接口.串口通信功能由USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）接收中断与USART线程配合实现.串口发送数据时，由USART线程直接发出；串口接收数据时，触发USART 接收中断，USART 接收中断将接收数据保存至缓存数组，通过信号量通知USART线程，USART线程从缓存数组获取数据进行处理，避免了处理接收数据过慢导致数据丢失.

2)网络通信功能设计

为实现网络通信功能，移植了轻量级的TCP/IP协议栈，由于只需要与系统服务器进行网络交互，交互数据量较小，选用了UDP（User Datagram Protocol）传输层协议.具体的通信功能由UDP 线程、LwIP 线程和以太网中断三者配合实现，三者之间的通信数据通过消息邮箱投递.发送网络数据时，UDP线程将待发送数据投递至LwIP 线程的消息邮箱，LwIP 线程添加相应的网络包头后，通过调用底层以太网驱动函数将数据包发出.接收网络数据时，以太网接收中断接收到完整消息后，投递至LwIP线程，由协议栈对数据包进行解析，发现为对应UDP端口数据包后再投递至UDP线程.

3.3 控制功能设计

1)指令解析函数

微控制器的控制功能通过调用指令解析函数执行，该函数为各种具体的功能执行提供了一个统一的调用接口.由UDP 线程与USART 线程调用传入指令，函数对传入指令进行解析，过滤掉非法指令，对于合法指令，再调用相应的指令执行函数，完成控制功能.函数的返回值为指令执行结果的反馈，再由UDP线程反馈回服务器或USART线程反馈回进行串口通信的上位机.

2)指令执行函数

指令执行函数为具体实现控制功能的函数集合，包括了4 类函数，模拟开关控制函数、数字电位器控制函数、网络参数设置函数和实验板识别函数.前两类函数完成了对被控模块的控制功能，网络参数设置函数提供了设置微控制器网络参数的方法，可以配置微控制器接入某一子网，实验板识别函数用于获取当前连接实验电路板的编码，表明当前可进行的实验项目.

3.4 微控制器软件测试

1)串口通信功能测试

在通信调试软件中设置串口通信参数，包括波特率、校验位、数据位和停止位的设置，确保与USART模块的配置参数相同.通过串口向微控制器发送了模拟开关控制指令0x0000、实验板识别指令0x1C00和错误指令0xFFFF，得到的返回值为0xF0、0x07、0xF1，分别表示指令成功执行、实验电路板识别码和指令错误，其中由于GPIO 端口PD13～PD15 悬空，识别为高电平状态，因此识别码为0x07.串口通信的测试情况记录如图5所示.

2)网络通信功能测试

在通信调试软件中设置目标主机的IP地址为192.168.2.2，这是微控制器软件的初始网络地址，以及固定的UDP 端口1080，选择使用UDP 协议进行通信. 通过网络向微控制器发送了模拟开关控制指令0x0FFF、实验板识别指令0x1CFF 和错误指令0xDCBA，得到的返回值为0xF0、0x07、0xF1，分别表示指令成功执行、实验电路板识别码和指令错误.网络通信的测试情况记录如图6所示.

图5 串口通信功能测试Fig.5 Serial communication function test

图6 网络通信功能测试Fig.6 Network communication function test

4 结语

本设计将计算机网络控制技术引入到电路实验教学平台，基于ARM 微控制器实现了远程电路实验系统.该系统允许用户进行远程电路实验操作，有效提高了实验资源的利用率，该平台便于学生利用课余时间进行实验，可作为电路实验室实验教学形式的重要补充.