现代电子技术实验网络教学平台的跨区域设计与实现
蒋锦健
摘 要： 为了提高现代电子技术实验教学的集成可靠性和智能性，设计一种基于通用串行总线控制的跨区域现代电子技术实验网络教学平台。平台包括了硬件设计和软件设计部分，硬件模块包括数据采集单元、现代电子技术实验的主控单元、网络教学的显示单元以及人机接口单元。软件设计包括串口接收控制程序设计、驱动配置程序设计和教学平台的监控软件设计。采用通用串行总线控制方法进行教学平台的硬件和软件的集成开发设计。实验结果表明，该教学平台能实现跨区域的网络教学，教学多媒体数据传输和收发性能较好，具有很好的实用性。
关键词： 現代电子技术； 实验网络教学平台； 跨区域设计； 软件设计
中图分类号： TN711?34； TP399 文献标识码： A 文章编号： 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
现代电子技术是高校电子信息专业和通信工程专业开设的一门专业课程。该课程主要包括模拟电子线路和数字电子线路等电子设计方面的教学内容。电子技术课程对实验教学的要求较高，需要完成较大课时的电子制作和电子测试等实验。当前的现代电子技术实验课主要是建立在面对面教学授课的实验环境中；因此，需要研究一种有效的电子技术实验教学平台，进行跨区域的网络实验教学，改善实验环境，提高电子技术实验教学的质量。为了提高现代电子技术实验教学的集成可靠性和智能性，本文提出一种基于通用串行总线控制的跨区域现代电子技术实验网络教学平台设计方法，进行实验平台的硬件设计和软件设计，并进行实验教学平台的系统测试和联调分析。
1 网络教学平台的总体设计构架
1.1 教学平台设计功能指标分析
本文设计的教学平台具有电子实验、网络授课和现场指导等功能。采用基于TCP/IP协议和C/S模型构建网络传输系统，进行远程教学信息传输以及跨区域的教学指导。教学平台的跨区域设计需要选择网络通信协议；在此采用了TCP/IP协议和UDP协议进行网络设计。该通信协议具有数据确认和数据重传的机制，并具有可靠、传输大小无限制等优点，适合现代电子技术实验网络教学的大数据量信息传输的需求。在教学平台的服务程序与客户机/服务器请求响应设计中，利用套接字（Socket）建立网络通信[1]，为实验教学平台的使用者提供身临其境的视景环境，满足网络实验教学的需求。其中，网络教学平台客户机/服务器的进程通信机制描述如图1所示[2]。
综上分析，本文设计的现代电子技术实验网络教学平台具有如下功能：总线传输控制功能、多媒体投影教学功能、输出显示功能和网络通信功能。结合上述功能分析，进行实验教学平台的总体设计和模块化开发设计。
1.2 网络教学平台的总体结构
在Multigen Creator 3.2开发环境下进行现代电子技术实验网络教学平台的总体设计[3]，系统以校园网、局域网和互联网为基础[4]，中枢位以DSP为核心的中央集中控制器，实现教学平台与在计算机网络中的通信和信息共享。基于基础的网络架构方法，现代电子技术实验网络教学平台下的各种设备的输入/输出端口得以规整集成，实现网络教学平台的远程的开机关机，教学电动幕布的启动、投影仪控制、电子实验器件的展示、实验教学步骤的传授等功能。网络教学平台包括了硬件设计和软件设计部分。其中，硬件模块采用Microsoft Visual Studio 开发组件进行集成设计[5]，包括数据采集单元、主控单元、网络教学的显示单元以及人机接口单元，视频电动屏幕的接口采用13～16位数据线进行总线扩展，采用上升沿锁存电平，对串口进行正确配置，通过编程和接口调用软件设计包括串口接收控制程序设计、驱动配置程序设计和教学平台的监控软件设计。
现代电子技术实验网络教学平台总体结构框架设计如图2所示。
2 硬件设计
对实验教学平台的硬件模块设计包括数据采集单元、现代电子技术实验的主控单元、网络教学的显示单元以及人机接口单元。
2.1 数据采集单元
数据采集单元是进行网络实验教学的多媒体课程教学内容采集，它们与A/D转换器、D/A转换器相连构成两级程控增益控制放大器，对SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口发送控制寄存器）进行初始化。在实验教学平台的控制终端设定压控放大器，控制D/A转换器进行数/模转换。由D/A轉换器输出开关控制电平或输出动态增益控制码，采集、处理整个系统的传输数据与上位机通信，在几个周期内完成增益调整，数据采集单元的电路设计如图3所示。
2.2 主控单元
主控单元是实现现代电子技术实验网络教学平台程序控制的核心模块。采用EM B3803主控DSP芯片进行主控模块设计，由Mux101多路开关进行程控放大，ADC要求稳定到[14 096，]运算放大器稳定到[11 024]的一半，主控单元的第二级选用VCA810，数据线的放大分贝数由DSP控制。根据多媒体教学平台的VGA输入/输出信号的形式，设计RS 232 芯片的控制串口接口，通过集中控制，实现了对系统的开关控制功能和教学多媒体资源回放。主控单元还能控制教学平台的电动幕布的升降、移动、分辨率调整，进行通用串行总线控制，实现跨区域教学。综上分析，得到主控单元的电路设计如图4所示。
2.3 显示单元
现代电子技术实验网络教学平台需要实现跨区域的输出显示和电子实验产品制作展示，在显示单元可以实现对教学课件的打包传输，课件拷贝等功能，有效实现教学资源的共享。
采用 8 位和 16 位微控制器进行全息显示，实验平台的显示单元具有16位定点STM32内核，核心处理器选择意法半导体公司的STM32F101xx芯片[6]，构建MifareRFID卡识别系统，以提高教学平台的输出安全性和可靠性。显示单元的电路设计如图5所示。
2.4 人机接口单元
人机接口单元使用低功耗的接口输出技术，采用现代MOS技术构造人机交互模块的数据输出接口，采用SPI接口方式实现TRF7960与STM32F101xx的通信。
采用并行外设接口（PPI）构建现代电子技术实验网络教学平台的传感器模块[7]。它是半双工形式，网络教学平台的传感器模块的接口方式为串行，与嵌入式STM32宿机连接。当应答器靠近现代电子技术实验网络教学平台时，应答器上的信号经过天线感应，与应答器进行数据交互，由此实现网络教学平台的跨区域信息输出和交互，得到人机接口单元设计如图6所示。
3 软件设计
现代电子技术实验网络教学平台跨区域设计的软件设计包括串口接收控制程序设计、驱动配置程序设计和教学平台的监控软件设计。采用通用串行总线控制方法进行教学平台的硬件和软件的集成开发设计。采用基于网络技术的现代电子技术实验网络教学平台远程控制系统，根据上述设计，得到电子技术实验的跨区域网络教学平台软件设计流程如图7所示。
根据图7所示的教学平台的指针分布流程。输出接口通过与通用串行总线控制，通过功放系统的接口连接，构建视频电动屏幕的接口；根据实验教学平台的VGA输入/输出内容，采用RS 232 控制串口接口，实现远程数据传输和教学进程控制。
4 实验测试分析
为了测试本文设计的实验教学平台的性能，进行系统调试分析。本系统的开发测试建立在计算机网络通信平台基础上，创建一个客户端，基于TCP/IP协议和C/S模型构建网络传输系统，构建的现代电子技术实验网络教学平台远程控制传输终端，进行输出性能显示。在系统Filesystem的lib中建立起了现代电子技术实验网络教学平台的通用串行总线控制采集的根文件系统，进行远程教学的程序控制加载。在Visual DSP++ 4.5中进行软件调试和开发，程序控制模块的触发电平为2.5 V，截止频率为12 kHz。根据上述测试环境描述，以网络教学平台的输出数据保真率为测试指标，进行性能分析，得到结果如图8所示。
分析上述结果得知，该教学平台能实现跨区域的网络教学，教学多媒体数据传输和收发性能较好，保真率较高，具有很好的实用性。
5 结 语
本文设计一种基于通用串行总线控制的跨区域现代电子技术实验网络教学平台。平台包括了硬件设计和软件设计部分，硬件模块包括数据采集单元、现代电子技术实验的主控单元、网络教学的显示单元以及人机接口单元。软件设计包括串口接收控制程序设计、驱动配置程序设计和教学平台的监控软件设计。采用通用串行总线控制方法进行教学平台的硬件和软件的集成开发设计。实验结果表明，该教学平台能实现跨区域的网络教学，教学多媒体数据传输和收发性能较好，具有较高的应用性能。
参考文献
[1] RAJAPAKAHA N， MADANAYAKE A， BRUTON L T. 2D space?time wave?digital multi?fan filter banks for signals consisting of multiple plane waves [J]. Multidimensional systems and signal processing， 2014， 25（1）： 17?39.
[2] SUZUKI T， KUDO H. Two?dimensional non?separable block?lifting?based M?channel biorthogonal filter banks [C]// Proceedings of European Signal Processing Conference. Lisbon： [s.n.]， 2014： 291?295.
[3] 刘有耀，杨鹏程.基于JavaCC的C代码自动并行化的设计与实现[J].计算机应用，2016，36（9）：2422?2426.
[4] 袁永，段奇智，张毅，等.油井数据采集及高效DLL函数数据传输性能实现[J].计算机与数字工程，2013，41（10）：1628?1631.
[5] 高立军.教学质量测评系统的设计与实现[J].科技通报，2012，28（2）：193?195.
[6] 闫昭，刘磊.基于数据依赖关系的程序自动并行化方法[J].吉林大学学报（理学版），2010，48（1）：94?98.
[7] 董昕.一种新的数字集群通信系统网关内存测试方法[J].现代电子技术，2015，38（7）：34?38.
摘 要： 为了提高现代电子技术实验教学的集成可靠性和智能性，设计一种基于通用串行总线控制的跨区域现代电子技术实验网络教学平台。平台包括了硬件设计和软件设计部分，硬件模块包括数据采集单元、现代电子技术实验的主控单元、网络教学的显示单元以及人机接口单元。软件设计包括串口接收控制程序设计、驱动配置程序设计和教学平台的监控软件设计。采用通用串行总线控制方法进行教学平台的硬件和软件的集成开发设计。实验结果表明，该教学平台能实现跨区域的网络教学，教学多媒体数据传输和收发性能较好，具有很好的实用性。
关键词： 現代电子技术； 实验网络教学平台； 跨区域设计； 软件设计
中图分类号： TN711?34； TP399 文献标识码： A 文章编号： 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
现代电子技术是高校电子信息专业和通信工程专业开设的一门专业课程。该课程主要包括模拟电子线路和数字电子线路等电子设计方面的教学内容。电子技术课程对实验教学的要求较高，需要完成较大课时的电子制作和电子测试等实验。当前的现代电子技术实验课主要是建立在面对面教学授课的实验环境中；因此，需要研究一种有效的电子技术实验教学平台，进行跨区域的网络实验教学，改善实验环境，提高电子技术实验教学的质量。为了提高现代电子技术实验教学的集成可靠性和智能性，本文提出一种基于通用串行总线控制的跨区域现代电子技术实验网络教学平台设计方法，进行实验平台的硬件设计和软件设计，并进行实验教学平台的系统测试和联调分析。
1 网络教学平台的总体设计构架
1.1 教学平台设计功能指标分析
本文设计的教学平台具有电子实验、网络授课和现场指导等功能。采用基于TCP/IP协议和C/S模型构建网络传输系统，进行远程教学信息传输以及跨区域的教学指导。教学平台的跨区域设计需要选择网络通信协议；在此采用了TCP/IP协议和UDP协议进行网络设计。该通信协议具有数据确认和数据重传的机制，并具有可靠、传输大小无限制等优点，适合现代电子技术实验网络教学的大数据量信息传输的需求。在教学平台的服务程序与客户机/服务器请求响应设计中，利用套接字（Socket）建立网络通信[1]，为实验教学平台的使用者提供身临其境的视景环境，满足网络实验教学的需求。其中，网络教学平台客户机/服务器的进程通信机制描述如图1所示[2]。
综上分析，本文设计的现代电子技术实验网络教学平台具有如下功能：总线传输控制功能、多媒体投影教学功能、输出显示功能和网络通信功能。结合上述功能分析，进行实验教学平台的总体设计和模块化开发设计。
1.2 网络教学平台的总体结构
在Multigen Creator 3.2开发环境下进行现代电子技术实验网络教学平台的总体设计[3]，系统以校园网、局域网和互联网为基础[4]，中枢位以DSP为核心的中央集中控制器，实现教学平台与在计算机网络中的通信和信息共享。基于基础的网络架构方法，现代电子技术实验网络教学平台下的各种设备的输入/输出端口得以规整集成，实现网络教学平台的远程的开机关机，教学电动幕布的启动、投影仪控制、电子实验器件的展示、实验教学步骤的传授等功能。网络教学平台包括了硬件设计和软件设计部分。其中，硬件模块采用Microsoft Visual Studio 开发组件进行集成设计[5]，包括数据采集单元、主控单元、网络教学的显示单元以及人机接口单元，视频电动屏幕的接口采用13～16位数据线进行总线扩展，采用上升沿锁存电平，对串口进行正确配置，通过编程和接口调用软件设计包括串口接收控制程序设计、驱动配置程序设计和教学平台的监控软件设计。
现代电子技术实验网络教学平台总体结构框架设计如图2所示。
2 硬件设计
对实验教学平台的硬件模块设计包括数据采集单元、现代电子技术实验的主控单元、网络教学的显示单元以及人机接口单元。
2.1 数据采集单元
数据采集单元是进行网络实验教学的多媒体课程教学内容采集，它们与A/D转换器、D/A转换器相连构成两级程控增益控制放大器，对SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口发送控制寄存器）进行初始化。在实验教学平台的控制终端设定压控放大器，控制D/A转换器进行数/模转换。由D/A轉换器输出开关控制电平或输出动态增益控制码，采集、处理整个系统的传输数据与上位机通信，在几个周期内完成增益调整，数据采集单元的电路设计如图3所示。
2.2 主控单元
主控单元是实现现代电子技术实验网络教学平台程序控制的核心模块。采用EM B3803主控DSP芯片进行主控模块设计，由Mux101多路开关进行程控放大，ADC要求稳定到[14 096，]运算放大器稳定到[11 024]的一半，主控单元的第二级选用VCA810，数据线的放大分贝数由DSP控制。根据多媒体教学平台的VGA输入/输出信号的形式，设计RS 232 芯片的控制串口接口，通过集中控制，实现了对系统的开关控制功能和教学多媒体资源回放。主控单元还能控制教学平台的电动幕布的升降、移动、分辨率调整，进行通用串行总线控制，实现跨区域教学。综上分析，得到主控单元的电路设计如图4所示。
2.3 显示单元
现代电子技术实验网络教学平台需要实现跨区域的输出显示和电子实验产品制作展示，在显示单元可以实现对教学课件的打包传输，课件拷贝等功能，有效实现教学资源的共享。
采用 8 位和 16 位微控制器进行全息显示，实验平台的显示单元具有16位定点STM32内核，核心处理器选择意法半导体公司的STM32F101xx芯片[6]，构建MifareRFID卡识别系统，以提高教学平台的输出安全性和可靠性。显示单元的电路设计如图5所示。
2.4 人机接口单元
人机接口单元使用低功耗的接口输出技术，采用现代MOS技术构造人机交互模块的数据输出接口，采用SPI接口方式实现TRF7960与STM32F101xx的通信。
采用并行外设接口（PPI）构建现代电子技术实验网络教学平台的传感器模块[7]。它是半双工形式，网络教学平台的传感器模块的接口方式为串行，与嵌入式STM32宿机连接。当应答器靠近现代电子技术实验网络教学平台时，应答器上的信号经过天线感应，与应答器进行数据交互，由此实现网络教学平台的跨区域信息输出和交互，得到人机接口单元设计如图6所示。
3 软件设计
现代电子技术实验网络教学平台跨区域设计的软件设计包括串口接收控制程序设计、驱动配置程序设计和教学平台的监控软件设计。采用通用串行总线控制方法进行教学平台的硬件和软件的集成开发设计。采用基于网络技术的现代电子技术实验网络教学平台远程控制系统，根据上述设计，得到电子技术实验的跨区域网络教学平台软件设计流程如图7所示。
根据图7所示的教学平台的指针分布流程。输出接口通过与通用串行总线控制，通过功放系统的接口连接，构建视频电动屏幕的接口；根据实验教学平台的VGA输入/输出内容，采用RS 232 控制串口接口，实现远程数据传输和教学进程控制。
4 实验测试分析
为了测试本文设计的实验教学平台的性能，进行系统调试分析。本系统的开发测试建立在计算机网络通信平台基础上，创建一个客户端，基于TCP/IP协议和C/S模型构建网络传输系统，构建的现代电子技术实验网络教学平台远程控制传输终端，进行输出性能显示。在系统Filesystem的lib中建立起了现代电子技术实验网络教学平台的通用串行总线控制采集的根文件系统，进行远程教学的程序控制加载。在Visual DSP++ 4.5中进行软件调试和开发，程序控制模块的触发电平为2.5 V，截止频率为12 kHz。根据上述测试环境描述，以网络教学平台的输出数据保真率为测试指标，进行性能分析，得到结果如图8所示。
分析上述结果得知，该教学平台能实现跨区域的网络教学，教学多媒体数据传输和收发性能较好，保真率较高，具有很好的实用性。
5 结 语
本文设计一种基于通用串行总线控制的跨区域现代电子技术实验网络教学平台。平台包括了硬件设计和软件设计部分，硬件模块包括数据采集单元、现代电子技术实验的主控单元、网络教学的显示单元以及人机接口单元。软件设计包括串口接收控制程序设计、驱动配置程序设计和教学平台的监控软件设计。采用通用串行总线控制方法进行教学平台的硬件和软件的集成开发设计。实验结果表明，该教学平台能实现跨区域的网络教学，教学多媒体数据传输和收发性能较好，具有较高的应用性能。
参考文献
[1] RAJAPAKAHA N， MADANAYAKE A， BRUTON L T. 2D space?time wave?digital multi?fan filter banks for signals consisting of multiple plane waves [J]. Multidimensional systems and signal processing， 2014， 25（1）： 17?39.
[2] SUZUKI T， KUDO H. Two?dimensional non?separable block?lifting?based M?channel biorthogonal filter banks [C]// Proceedings of European Signal Processing Conference. Lisbon： [s.n.]， 2014： 291?295.
[3] 刘有耀，杨鹏程.基于JavaCC的C代码自动并行化的设计与实现[J].计算机应用，2016，36（9）：2422?2426.
[4] 袁永，段奇智，张毅，等.油井数据采集及高效DLL函数数据传输性能实现[J].计算机与数字工程，2013，41（10）：1628?1631.
[5] 高立军.教学质量测评系统的设计与实现[J].科技通报，2012，28（2）：193?195.
[6] 闫昭，刘磊.基于数据依赖关系的程序自动并行化方法[J].吉林大学学报（理学版），2010，48（1）：94?98.
[7] 董昕.一种新的数字集群通信系统网关内存测试方法[J].现代电子技术，2015，38（7）：34?38.
