FPGA实验虚拟仿真平台建设的研究与实践

摘 要

本文构建了FPGA实验虚拟仿真平台，包括FPGA软件共享、FPGA仪器共享和FPGA远程控制三大部分，实现了仿真平台网站建设，多个FPGA实验的搭建和远程网上操作控制等，提供了全新的教学辅助手段，节省了实验经费。仿真平台具有开放性、灵活性和可扩展性。

【关键词】虚拟仿真平台 FPGA LabVIEW

信息技术的蓬勃发展已经使部分虚拟实验环境的设计与开发成为现实，虚拟实验环境的研究与实现，极大地降低了实验室建设成本，缓解了由于财政压力给实验实践教学环节带来的不利影响，有利于学生实践操作能力的培养。长沙理工大学电气与信息工程学院“FPGA实验虚拟仿真平台”充分整合电子信息专业信息化实验教学资源，是具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平台。不仅可以高效管理实验教学资源，而且能实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享。

1 FPGA实验虚拟仿真平台的总体设计思路

将在线（MOOC）教学方式引入实验教学环节，构建全新的循序渐进式实验教学模式（O2O）：线上学习—远程仿真—线下实验。针对实验课程课时不断压缩，学生动手实践能力有所下降的现状，深化教学模式的改革，引入在线实验教学的新方式。学生进入实验室实验前，先在慕课平台上注册、登录，进行在线学习，通过观看实验课程微视频、完成老师网上给出的问题，以及参与在线讨论等方式，对实验任务有了初步了解，同时实验教师也可以根据学生在线完成题目的情况，了解学生存在的主要问题。接下来，学生可以在任何场所、任何时间

利用“FPGA实验虚拟仿真平台”登录服务器，利用服务器虚拟桌面上安装的各种仿真软件和开发平台进行远程实验，观察实验现象、记录仿真结果，这一过程不再受时空局限，大大拓展了实验空间，有效利用了实验资源。最后，实验课上，学生针对在线学习和远程仿真过程中存在的问题展开讨论，并在此基础上，拓展实验内容，提高实验效果。

2 FPGA实验虚拟仿真平台的总体架构

充分整合电子信息专业信息化实验现有教学资源，创造性地建设包括FPGA软件共享虚拟实验、FPGA仪器共享虚拟实验和FPGA远程控制虚拟实验三大部分平台。FPGA实验虚拟仿真平台开发的网站如右图1所示。

2.1 软件共享虚拟实验平台

作为综合性虚拟仿真软件平台，它从基础知识、专业知识、科研能力、创新能力和综合素质的培养出发，涵盖信息材料、器件芯片、电路系统、工程应用四大类仿真软件平台，包括从理论设计到工程项目设计各层次和环节的仿真实验教学。设立通识通修基础课程模块、学科专业课程模块和开放选修课程模块，采用桌面虚拟化技术，将已生成的虚拟化桌面操作系统提供给使用者，根据实验需求在Windows桌面操作系统中安装上专业仿真软件，如ISE、Quartus、Multisim、Pspice、Labview、Matlab等软件，使用者可随时随地使用终端设备（智能手机、平板、上网本、笔记本和台式机）访问防火墙内部的虚拟化桌面操作系统，并使用上面的软件。特别对于部分硬件资源要求比较高，或有操作系统限制（如要求64位），一般教师或学生的个人笔记本无法满足要求，通过此仿真平台可解决诸多限制问题，实现了实验教学体系中知识体系、课程层次、理论与工程、虚拟与现实的多元化和全方位性。

2.2 仪器互联共享虚拟实验平台

从降低成本，资源共享出发，依赖网络通讯，人机交互，搭建仪器设备在虚拟实验平台的共享。一方面将实验平台上价格昂贵的精密实验仪器向校内外使用者开放，提高仪器的利用率；另一方面联合将企业的仪器向学生开放，补充学校仪器资源，以实现实验教学体系中虚拟与现实、时间与空间的多元化和全方位性，贯彻学校企业联合、资源开放共享的建设理念。

2.3 远程控制虚拟实验平台

远程虚拟实验室平台从时间、空间、内容三维开放共享出发，一是采用计算机虚拟化技术打造FPGA云实验室概念，采用VMware vSphere作为虚拟化基础，以VMware Horizon为桌面云管理系统，教师和学生通过桌面云能够远程使用FPGA实验室的课程资料、专业软件，实现了实验室的物理延伸；二是联合将企业的仿真软件向学生开放，充实学校软件资源；三是利用大规模在线开放课程（MOOC）课程，基于Coursera平台，创建远程虚拟课堂，实现仿真教学，并结合FPGA实体实验室课堂翻转，促进学生的系统思考，实现在线和课堂混合教学，创新教学模式，以实现实验教学体系中虚拟与现实、时间与空间的多元化和全方位性，贯彻学校企业联合、资源开放共享的建设理念。

该网站系统主要包含Web工程和Web远程登陆工程，其中Web工程采用Java Web技术栈，主要使用的框架为Spring MVC和Spring hibernate，将二者整合。其数据库采用的是开放源代码的关系型数据库管理系统MySQL，因为其速度、可靠性和适应性好。缓存使用的是一个纯Java的进程内缓存框架EhCache，远程登陆采用Guacamole protocal协议。

3 本地实验平台和远程平台设计

传统FPGA实验平台架构为一台计算机通过串口和USB口连接一块FPGA开发板，而 “FPGA实验虚拟仿真平台”首先将FPGA开发板与计算机连接好，接着采用VMware公司的VSphere服务器虚拟化软件和Horizon桌面虚拟化软件，将计算机进行虚拟化处理，利用虚拟桌面系统即可访问该计算机。然后把相关测试仪器，其它实验设备和FPGA开发板接好，比如信号输入点、信号输出点、函数信号发生器、数字示波器、数字万用表等。最后实现仪器设备，FPGA开发板、计算机、其它终端的网络连接，一套基于虚拟仪器和远程控制FPGA实验平台搭建成功。

使用者在宿舍或校外可通过桌面云访问到实验室内的计算机，可直接在实验室内计算机的FPGA开发软件上进行FPGA编程、下载、调试。通过智能实验室平台，使用者不仅可以远程操作实验室内的计算机进行编程、对FPGA开发板进行下载还可以操作实验室内的程控直流稳压电源、函数信号发生器、数字示波器和数字万用表等，如图2所示。

至此完全实现了将一个物理存在的实验室通过计算机虚拟化技术和仪器虚拟化技术放至云端，使用者凭账号密码即可通过网络访问实验平台的学习资源、计算资源、软件资源、实验开发系统资源、实验仪器资源，传统意义上的实验室完成了从固定场地、固定时间开放到不受场地约束、不受时间约束，随时随地向使用者提供服务的转化，通过本平台系统可以在一台服务器实现二十套甚至更多的24小时全天候数字系统实践远程实验教学，将实验教学场所从象牙塔尖延伸到学生宿舍、图书馆乃至地球上网络能访问的任一地点。

平台中FPGA开发板为Xilinx Atlys，是一款集成了千兆以太网、HDMI视频输入输出、音频及USB接口的数字电路开发平台。平台中包含的主要仪器有泰克AFG3500信号源、泰克DPO2000示波器、吉时利2000数字多用表等。项目中的FPGA开发软件使用Xilinx的ISE集成开发软件。在服务器机端用LabVIEW自带的Web发布工具，将FPGA虚拟面板的VI生成html文件，并且配置Web服务器后，远程客户端只需安装LabVIEW Runtime Engine，而不需要安装完整的LabVIEW，就可以通过打开浏览器，在浏览器中输入Web发布的html的URL，实现远程浏览器打开FPGA面板。在平台的远程实现中，除了需要有能够让实验者远程操作和控制的功能外，实验者向与服务器机连接的FPGA实验箱写入程序也是不可或缺的部分。而这部分的实现，是通过服务器的QuartusII设置JTAG服务器来完成的，让客户端的QuartusII能够远程访问位于实验室的FPGA实验箱。

4 结束语

“FPGA实验虚拟仿真平台”采用计算机虚拟化技术打造云实验室，大大提高了实验设备的利用率，实现实验教学体系中虚拟与现实、时间与空间的多元化和全方位性。借助平台学生可利用课余时间在宿舍、教室、图书馆等任意能接入互联网的场所利用智能终端、笔记本、台式机访问数字系统实验远程教学平台，通过桌面虚拟化平台对FPGA开发板进行远程访问，摆脱了传统实验教学必须进实验室才能完成实验项目的模式，实现了实验室进宿舍，弥补了实验课时不足，解决了实验来不及完成的问题。不仅解决了传统理论教学与系统应用培养之间的矛盾，拓展了实验教学的深度和广度、提高了实验教学实效，实现了理论与实践教学的密切合作，而且大大提高了学生工程应用、综合设计和科研创新能力。

参考文献

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作者单位

长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南省长沙市 410076