蔣錦健

摘 要： 為了提高現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的集成可靠性和智能性，設(shè)計(jì)一種基于通用串行總線控制的跨區(qū)域現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)包括了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分，硬件模塊包括數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的主控單元、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的顯示單元以及人機(jī)接口單元。軟件設(shè)計(jì)包括串口接收控制程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)配置程序設(shè)計(jì)和教學(xué)平臺(tái)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。采用通用串行總線控制方法進(jìn)行教學(xué)平臺(tái)的硬件和軟件的集成開發(fā)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該教學(xué)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教學(xué)多媒體數(shù)據(jù)傳輸和收發(fā)性能較好，具有很好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 現(xiàn)代電子技術(shù)； 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)； 跨區(qū)域設(shè)計(jì)； 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN711?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(xiàn)代電子技術(shù)是高校電子信息專業(yè)和通信工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)課程。該課程主要包括模擬電子線路和數(shù)字電子線路等電子設(shè)計(jì)方面的教學(xué)內(nèi)容。電子技術(shù)課程對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求較高，需要完成較大課時(shí)的電子制作和電子測(cè)試等實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前的現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課主要是建立在面對(duì)面教學(xué)授課的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中；因此，需要研究一種有效的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。為了提高現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(qū)域現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的系統(tǒng)測(cè)試和聯(lián)調(diào)分析。

1 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

1.1 教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)功能指標(biāo)分析

本文設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)具有電子實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)授課和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)等功能。采用基于TCP/IP協(xié)議和C/S模型構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)信息傳輸以及跨區(qū)域的教學(xué)指導(dǎo)。教學(xué)平臺(tái)的跨區(qū)域設(shè)計(jì)需要選擇網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；在此采用了TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。該通信協(xié)議具有數(shù)據(jù)確認(rèn)和數(shù)據(jù)重傳的機(jī)制，并具有可靠、傳輸大小無限制等優(yōu)點(diǎn)，適合現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的大數(shù)據(jù)量信息傳輸?shù)男枨?。在教學(xué)平臺(tái)的服務(wù)程序與客戶機(jī)/服務(wù)器請(qǐng)求響應(yīng)設(shè)計(jì)中，利用套接字（Socket）建立網(wǎng)絡(luò)通信[1]，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的使用者提供身臨其境的視景環(huán)境，滿足網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。其中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)客戶機(jī)/服務(wù)器的進(jìn)程通信機(jī)制描述如圖1所示[2]。

綜上分析，本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)具有如下功能：總線傳輸控制功能、多媒體投影教學(xué)功能、輸出顯示功能和網(wǎng)絡(luò)通信功能。結(jié)合上述功能分析，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)和模塊化開發(fā)設(shè)計(jì)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

在Multigen Creator 3.2開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)[3]，系統(tǒng)以校園網(wǎng)、局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)[4]，中樞位以DSP為核心的中央集中控制器，實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺(tái)與在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的通信和信息共享。基于基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法，現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)下的各種設(shè)備的輸入/輸出端口得以規(guī)整集成，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的遠(yuǎn)程的開機(jī)關(guān)機(jī)，教學(xué)電動(dòng)幕布的啟動(dòng)、投影儀控制、電子實(shí)驗(yàn)器件的展示、實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟的傳授等功能。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)包括了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分。其中，硬件模塊采用Microsoft Visual Studio 開發(fā)組件進(jìn)行集成設(shè)計(jì)[5]，包括數(shù)據(jù)采集單元、主控單元、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的顯示單元以及人機(jī)接口單元，視頻電動(dòng)屏幕的接口采用13～16位數(shù)據(jù)線進(jìn)行總線擴(kuò)展，采用上升沿鎖存電平，對(duì)串口進(jìn)行正確配置，通過編程和接口調(diào)用軟件設(shè)計(jì)包括串口接收控制程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)配置程序設(shè)計(jì)和教學(xué)平臺(tái)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的硬件模塊設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的主控單元、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的顯示單元以及人機(jī)接口單元。

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多媒體課程教學(xué)內(nèi)容采集，它們與A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器相連構(gòu)成兩級(jí)程控增益控制放大器，對(duì)SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口發(fā)送控制寄存器）進(jìn)行初始化。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的控制終端設(shè)定壓控放大器，控制D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。由D/A轉(zhuǎn)換器輸出開關(guān)控制電平或輸出動(dòng)態(tài)增益控制碼，采集、處理整個(gè)系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)與上位機(jī)通信，在幾個(gè)周期內(nèi)完成增益調(diào)整，數(shù)據(jù)采集單元的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 主控單元

主控單元是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)程序控制的核心模塊。采用EM B3803主控DSP芯片進(jìn)行主控模塊設(shè)計(jì)，由Mux101多路開關(guān)進(jìn)行程控放大，ADC要求穩(wěn)定到[14 096，]運(yùn)算放大器穩(wěn)定到[11 024]的一半，主控單元的第二級(jí)選用VCA810，數(shù)據(jù)線的放大分貝數(shù)由DSP控制。根據(jù)多媒體教學(xué)平臺(tái)的VGA輸入/輸出信號(hào)的形式，設(shè)計(jì)RS 232 芯片的控制串口接口，通過集中控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的開關(guān)控制功能和教學(xué)多媒體資源回放。主控單元還能控制教學(xué)平臺(tái)的電動(dòng)幕布的升降、移動(dòng)、分辨率調(diào)整，進(jìn)行通用串行總線控制，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域教學(xué)。綜上分析，得到主控單元的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.3 顯示單元

現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的輸出顯示和電子實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品制作展示，在顯示單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)課件的打包傳輸，課件拷貝等功能，有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享。

采用 8 位和 16 位微控制器進(jìn)行全息顯示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的顯示單元具有16位定點(diǎn)STM32內(nèi)核，核心處理器選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F101xx芯片[6]，構(gòu)建MifareRFID卡識(shí)別系統(tǒng)，以提高教學(xué)平臺(tái)的輸出安全性和可靠性。顯示單元的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.4 人機(jī)接口單元

人機(jī)接口單元使用低功耗的接口輸出技術(shù)，采用現(xiàn)代MOS技術(shù)構(gòu)造人機(jī)交互模塊的數(shù)據(jù)輸出接口，采用SPI接口方式實(shí)現(xiàn)TRF7960與STM32F101xx的通信。

采用并行外設(shè)接口（PPI）構(gòu)建現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的傳感器模塊[7]。它是半雙工形式，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的傳感器模塊的接口方式為串行，與嵌入式STM32宿機(jī)連接。當(dāng)應(yīng)答器靠近現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)時(shí)，應(yīng)答器上的信號(hào)經(jīng)過天線感應(yīng)，與應(yīng)答器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由此實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的跨區(qū)域信息輸出和交互，得到人機(jī)接口單元設(shè)計(jì)如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)跨區(qū)域設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)包括串口接收控制程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)配置程序設(shè)計(jì)和教學(xué)平臺(tái)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。采用通用串行總線控制方法進(jìn)行教學(xué)平臺(tái)的硬件和軟件的集成開發(fā)設(shè)計(jì)。采用基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，根據(jù)上述設(shè)計(jì)，得到電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的跨區(qū)域網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

根據(jù)圖7所示的教學(xué)平臺(tái)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(tǒng)的接口連接，構(gòu)建視頻電動(dòng)屏幕的接口；根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的VGA輸入/輸出內(nèi)容，采用RS 232 控制串口接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和教學(xué)進(jìn)程控制。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的性能，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試分析。本系統(tǒng)的開發(fā)測(cè)試建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個(gè)客戶端，基于TCP/IP協(xié)議和C/S模型構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建的現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制傳輸終端，進(jìn)行輸出性能顯示。在系統(tǒng)Filesystem的lib中建立起了現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的通用串行總線控制采集的根文件系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)的程序控制加載。在Visual DSP++ 4.5中進(jìn)行軟件調(diào)試和開發(fā)，程序控制模塊的觸發(fā)電平為2.5 V，截止頻率為12 kHz。根據(jù)上述測(cè)試環(huán)境描述，以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的輸出數(shù)據(jù)保真率為測(cè)試指標(biāo)，進(jìn)行性能分析，得到結(jié)果如圖8所示。

分析上述結(jié)果得知，該教學(xué)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教學(xué)多媒體數(shù)據(jù)傳輸和收發(fā)性能較好，保真率較高，具有很好的實(shí)用性。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種基于通用串行總線控制的跨區(qū)域現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)包括了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分，硬件模塊包括數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的主控單元、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的顯示單元以及人機(jī)接口單元。軟件設(shè)計(jì)包括串口接收控制程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)配置程序設(shè)計(jì)和教學(xué)平臺(tái)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。采用通用串行總線控制方法進(jìn)行教學(xué)平臺(tái)的硬件和軟件的集成開發(fā)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該教學(xué)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教學(xué)多媒體數(shù)據(jù)傳輸和收發(fā)性能較好，具有較高的應(yīng)用性能。

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