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数字逻辑半实物远程实验

张洪杰钱彭飞刘峰

中图分类号：G434?文献标识码：A?论文编号：1674-2117（2021）22-0075-04

远程实验建设分虚拟仿真和半实物仿真两种。统一供货的虚拟实验项目可以满足部分学科通识实验，但也存在虚拟体验感与本地软件仿真差距较大、实验内容难覆盖层次化实验教学等问题。半实物仿真较多采用真实受控对象并通过有网络接口的实时仿真机来输出控制信号和接受反馈信号，如面向陆空无人机、机器人控制、伺服电机对拖、预警雷达、智能辅助驾驶等，但仿真系统软硬件协同测试复杂度高。

●数字系统实验设备共享系统

传统数字系统实验设备一般是在本地运行，由FPGA实验板、USB下载线、专用IDE和PC机组成。数字系统实验设备的共享系统结构分为用户学习、教学管理和设备共享三层（如图1）。

（1）设备共享层完成同实物设备的底层交互。主要的实物设备有FPGA实验板和驱动板。在一台可以接入校园网实验用机上挂载实验板和摄像头，摄像头可以借助网络技术将实验板实时显示的画面在校园网内直播，供远程观察实验。同时，另一路带MQTT网关的驱动板经IO口直连接实验板，根据用户远程下发指令，产生实验板操作所需的输入激励信号，同时教师拓展物联云后也可以采集实验板数据并上传，供运维分析。

（2）教学管理层负责运行维护课程慕课平台、MQTT服务器和实验用机。笔者所在学校和超星合作推出的免费开放校级慕课平台能够有效地满足课程教学管理信息化的一平三端要求。课程教学资料，如课程章节页面或活动都能够更新至慕课，而与实验操作更紧密相关的工程文件则可以通过远程桌面文件操作摆上实验用机桌面。在这里，管理教师兼顾管理MQTT服务和视频串流服务。

（3）用户学习层是指用户在教师的引导下自主展开实验并学习。具体操作为：用户在本地安装相同的FPGA软件平台，根据教学进程学习慕课章节。同时，学生要先在本地完成仿真实验和实物验证前的硬件预约;预约成功后，学生在规定时间内通过远程观察和实验操作进行实物验证;如果远程实验过程中出现异常，学生要排除故障并返回上一步;最后完成实物验证，整理数据并完成报告。

●系统配置与运行

除慕课资源在课程平台管理学生课程信息外，实验设备要共享系统远程所涉及的能“看到”和能“手动”技术配置、实验操作和预约等流程规范。

1.远程观察服务

实验用机上要挂载普通摄像头，并将其配置成内网的网络摄像头。计算机的基本配置为Win7X64系统、I3处理器和8G内存。

（1）Nginx流媒體服务器

Nginx流媒体服务器启动的基本操作步骤为进入Win命令提示符窗口并依次输入如上页图2所示的命令。执行后注意不要关闭窗口，此时命令行会一直处于执行中。当浏览器输入localhost：9090时，出现Welcome页面则说明配置Nginx启动成功。

（2）OBS导播推流

在安装OBS软件后，配置场景，默认场景1，其来源为添加视频捕获设备，并指定已挂载摄像头。也可以将来源指定为本系统其他程序运行窗口，也可以是多个摄像机位，并拖动为画中画。接着，在右列工具箱中点击进入“设置”框，修改rtmp：//内网IP：1935/live，其中串码密钥不用。在配置完成后，在右列工具箱中点击“开始推流”按钮，进而开启内网串码推流服务。

（3）网络播放摄像画面

用户所使用的计算机需认证登录校园网，并在安装VLC播放软件后，打开网络串流。同时，在VLC媒体菜单下拉选择“打开网络串流”框，输入地址rtmp：//公布的内网IP：1935/live/，便可远程观察实验板。

2.远程操作服务

实验驱动板接入的MQTT服务器可直接使用免费公用的MQTT服务器，有条件的学校也可以上云服务器部署EMQX物联网服务。

（1）驱动板环境

笔者所使用的驱动板是S5开发板Air202T模块支持四频段GSM/GPRS，片上存储和外设资源丰富且能通过睡眠省电，支持Lua脚本开发模式[2]和JSON数据格式方便物联网应用。

代码编辑器选用的是VSCode，并安装拓展Lua、LUAT、indent-rainbow、RainbowBrackets插件来辅助代码检查、LUAT接口代码自动补全、高亮等。

LuatTools通过USB线连接开发板HOST串口，调试软件代码、下载底层固件和Lua脚本下载，也提供上层软件Demo和Lib库。

（2）main.lua启动

lua功能一般采用模块化编程，只需要在main.lua中添加语句requireMqttLuatClient就可以添加MQTT客户端，其他默认包含log、sys、net、wdt和netLed即可。

需要注意的是，要確认末尾sys.init（0，0）和sys.run（）语句无错，才能启动Luat系统框架。

（3）MqttLuatClient.lua主题