FPGA在線實驗平臺設(shè)計與在線實驗方法研究

(北京航空航天大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，北京 100191)

在高校人才培養(yǎng)中，實驗教學(xué)是不可或缺的重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、深化理論知識理解、形成專業(yè)工程素養(yǎng)、提升實踐動手能力的重要途徑[1]。

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人工智能的普及，數(shù)字信號處理已經(jīng)變得尤為重要。尤其以FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)為核心的數(shù)字信號處理電路，在不同的領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用[2-3]。高校計算機(jī)專業(yè)的硬件類課程一般包括數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、計算機(jī)接口與通信、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)等課程，這些課程都有配套的實驗環(huán)節(jié)。為了將多門課程的知識點銜接貫通起來，現(xiàn)在國內(nèi)外不少高校，都開發(fā)了基于FPGA的硬件實驗平臺。一方面，使實驗平臺具有通用性，能夠?qū)⒂布愓n程貫通，實現(xiàn)課程之間互用；另一方面，使各課程之間在實驗項目的設(shè)計上具有延續(xù)性，能體現(xiàn)出課程之間的銜接[4]。然而，F(xiàn)PGA實驗教學(xué)通常只能在實驗室里開展，受實驗時間、實驗場地、設(shè)備數(shù)量和實驗形式等的限制，實驗教學(xué)的靈活性不足，實驗的延續(xù)性得不到保證，硬件設(shè)備利用率不高。因此，迫切需要一種新型實驗教學(xué)模式，使得學(xué)生可以“隨時、隨地”開展實驗，同時使昂貴的實驗設(shè)備能夠被充分利用，最大程度地發(fā)揮硬件設(shè)備的價值。

近幾年來，以開放性、互動性、個性化為特征的大規(guī)模開放在線課程(Massive Open Online Course，MOOC)在國內(nèi)外得到快速發(fā)展，并引發(fā)了全球教育界對傳統(tǒng)教育模式的反思和變革。但是，現(xiàn)有的MOOC平臺提供的開放課程大多為理論課程，而涉及真實實驗操作的實驗類課程還很少。研究MOOC環(huán)境下開放共享的實驗教學(xué)的解決方法，不僅對于實驗教學(xué)本身在教育模式變革中的發(fā)展有重要的意義，對于輔助線上理論課程的教學(xué)也有著非常重要的作用[5]。

為此，一些高校和科研機(jī)構(gòu)開始探索：如何將真實的硬件設(shè)備聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，同時利用MOOC的巨大優(yōu)勢，為廣大學(xué)習(xí)者提供一個可以隨時隨地進(jìn)行實驗的開放式、真實的實驗環(huán)境，從而實現(xiàn)真正的在線實驗教學(xué)。近幾年來，人們開發(fā)研制出各種FPGA在線實驗系統(tǒng)[4，6-14]，建立了FPGA遠(yuǎn)程實驗室，使得FPGA在線實驗成為可能，從而有效克服實驗教學(xué)受場地和時間約束的缺陷，激勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主研究。

然而，現(xiàn)有的FPGA在線實驗平臺通常只提供按鍵和撥碼開關(guān)等常規(guī)的輸入設(shè)備以及LED和數(shù)碼管等常規(guī)的輸出設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)和技術(shù)的局限性，并沒有提供鍵盤鼠標(biāo)接口和VGA(Video Graphics Array，視頻圖像陣列)接口，也沒有考慮對鍵盤鼠標(biāo)接口和VGA顯示在線實驗的支持。學(xué)生無法開展使用鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行實驗操作的在線實驗，無法實時觀看VGA顯示，也就無法通過在線實驗掌握鍵盤鼠標(biāo)接口標(biāo)準(zhǔn)和VGA顯示器標(biāo)準(zhǔn)的工作原理和設(shè)計方法；同時，這在很大程度上限制了在線實驗項目的種類，降低了實驗教學(xué)的多樣性和趣味性。

1 FPGA在線實驗平臺設(shè)計

1.1 FPGA在線實驗平臺簡介

北京航空航天大學(xué)計算機(jī)學(xué)院自2014年以來，以“任何人、任何時間、任何地點、多種設(shè)備”開展實踐性學(xué)習(xí)為目標(biāo)，積極探索MOOC在線教育在實驗教學(xué)中的應(yīng)用新模式，為學(xué)生提供不受時空限制的在線實驗環(huán)境，自主研發(fā)了“基于FPGA的硬件類課程在線實驗平臺”(簡稱FPGA在線實驗平臺)。該平臺支持以FPGA為核心的多門硬件類課程在線實驗，能夠提供實驗?zāi)繕?biāo)文件的遠(yuǎn)程下載、硬件設(shè)備遠(yuǎn)程操控、實驗設(shè)計在線調(diào)試、實驗結(jié)果實時反饋和自動評測等功能。并在北航學(xué)堂上建設(shè)了《計算機(jī)組成實驗》、《計算機(jī)EDA設(shè)計》等MOOC課程，將FPGA在線實驗平臺嵌入其中，使得學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行在線實驗，從而突破了傳統(tǒng)硬件類實驗課程在時間、空間和形式上的限制，將實驗教學(xué)場所從象牙塔尖延伸到學(xué)生宿舍、圖書館乃至地球上網(wǎng)絡(luò)能訪問的任一地點。

1.2 FPGA在線實驗平臺的結(jié)構(gòu)

FPGA在線實驗平臺的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 FPGA在線實驗平臺整體架構(gòu)

整個平臺由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中，硬件系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和FPGA板。

上位機(jī)采用M58工控板，M58采用Intel低功耗Atom系列處理器。上位機(jī)主要有3個功能：① 接收實驗者在客戶端上傳的目標(biāo)文件；② 接收實驗者在客戶端發(fā)送的指令；③ 接收FPGA板上的LED、數(shù)碼管等輸出設(shè)備的信號狀態(tài)。

FPGA板是實驗的硬件載體，它包括實驗FPGA和主控FPGA(分別采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA芯片XC6SLX100-2FGG676C和XC6SLX16-2FTG256C)，還有輸入設(shè)備(通用按鍵開關(guān)，撥碼開關(guān))和輸出設(shè)備(LED，7段數(shù)碼管)，以及一些外設(shè)接口(如UART串口，VGA接口，PS/2接口，蜂鳴器等)。每個實驗所生成的編程目標(biāo)文件都下載到實驗FPGA中運行。主控FPGA是上位機(jī)與實驗FPGA之間的橋梁，一方面，模擬輸入設(shè)備產(chǎn)生實際激勵信號發(fā)送至實驗FPGA；另一方面，實時采集FPGA板上所有輸出設(shè)備和外設(shè)接口輸出的信號，并傳送至上位機(jī)。

軟件系統(tǒng)提供在線實驗服務(wù)和設(shè)備控制管理功能，包括在線實驗管理系統(tǒng)和上位機(jī)控制軟件。在線實驗管理系統(tǒng)部署在MOOC服務(wù)器上，上位機(jī)控制軟件部署于上位機(jī)中，它們協(xié)同完成實驗者在MOOC平臺上對實驗設(shè)備的遠(yuǎn)端操控。

實驗者所使用的終端稱為用戶前端。用戶前端采用SaaS(Software-as-a-service，軟件即服務(wù))的軟件應(yīng)用模式，用戶(實驗者)無需安裝客戶端軟件，即可通過Web界面使用在線實驗管理系統(tǒng)。

2 在線實驗方法研究

2.1 實現(xiàn)鍵盤鼠標(biāo)接口在線實驗的遠(yuǎn)程控制方法

2.1.1 鍵盤和鼠標(biāo)接口簡介

鍵盤和鼠標(biāo)是實現(xiàn)人機(jī)交互的重要輸入設(shè)備。鍵盤、鼠標(biāo)的接口形式因主機(jī)而異，過去的計算機(jī)都采用PS/2接口，而現(xiàn)在的PC機(jī)、筆記本電腦大多已用USB接口替代了PS/2接口，目前普遍使用USB接口的鍵盤鼠標(biāo)。但是，仍有一部分PS/2接口的設(shè)備在使用，尤其是在軍用加固設(shè)備領(lǐng)域，可長距離傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)勢使得PS/2接口廣泛應(yīng)用于軍用加固計算機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備。

此外，由于PS/2通信協(xié)議簡單、容易理解和實現(xiàn)，所以特別適于作為教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)和掌握；而USB通信協(xié)議相對要復(fù)雜得多，并不適合開展教學(xué)。故在FPGA實驗中，PS/2鍵盤鼠標(biāo)接口實驗常常被作為一類實驗項目，通過此類實驗，使學(xué)生了解雙向同步串行通信協(xié)議的一般原理，進(jìn)而掌握其設(shè)計方法。

PS/2通信協(xié)議是一種雙向同步串行通信協(xié)議。PS/2鍵盤/鼠標(biāo)可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)，而主機(jī)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到PS/2鍵盤/鼠標(biāo)。主機(jī)一般指與PS/2設(shè)備相連的計算機(jī)。本文中，主機(jī)即實驗FPGA，實驗者將電路的目標(biāo)文件下載到實驗FPGA中，從而產(chǎn)生實驗的控制邏輯。

2.1.2 鍵盤鼠標(biāo)接口在線實驗方法主要思路

為了利用客戶端的通用鍵盤或鼠標(biāo)(不限于PS/2鍵盤或鼠標(biāo))進(jìn)行在線實驗操作，筆者提出一種遠(yuǎn)程控制方法，實現(xiàn)基于FPGA在線實驗平臺的PS/2鍵盤鼠標(biāo)接口在線實驗。

簡單來說，通用鍵盤或鼠標(biāo)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)歷了用戶前端—服務(wù)器—上位機(jī)—主控FPGA—實驗FPGA的通信過程，其中涉及了相應(yīng)的編碼轉(zhuǎn)換和解碼。該方法的基本思路如下：

(1) 用戶前端捕獲鍵盤事件或鼠標(biāo)事件并進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換。

實驗者操作與終端相連的通用鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行實驗，用戶前端實時捕捉鍵盤事件或鼠標(biāo)事件，并進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的PS/2鍵盤數(shù)據(jù)或PS/2鼠標(biāo)數(shù)據(jù)(統(tǒng)稱為PS/2數(shù)據(jù))。

(2) 用戶前端將PS/2數(shù)據(jù)打包后經(jīng)服務(wù)器發(fā)送給上位機(jī)。

用戶前端根據(jù)服務(wù)器與上位機(jī)之間的通信協(xié)議，對PS/2數(shù)據(jù)按照約定的格式打包得到PS/2數(shù)據(jù)包，并將PS/2數(shù)據(jù)包通過Websocket發(fā)送給MOOC服務(wù)器；MOOC服務(wù)器再轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

(3) 上位機(jī)解析PS/2數(shù)據(jù)包，將PS/2數(shù)據(jù)發(fā)送給主控FPGA。

上位機(jī)接收到PS/2數(shù)據(jù)包后，根據(jù)預(yù)設(shè)通信協(xié)議對PS/2數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到PS/2數(shù)據(jù)，并將PS/2數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給主控FPGA。

(4) 主控FPGA將PS/2鍵盤數(shù)據(jù)或鼠標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送給實驗FPGA。

主控FPGA中的鍵盤接口控制模塊和鼠標(biāo)接口控制模塊對PS/2數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，區(qū)分其到底是鍵盤數(shù)據(jù)還是鼠標(biāo)數(shù)據(jù)，然后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過模擬PS/2鍵盤接口和PS/2鼠標(biāo)接口的4個特定引腳(PS/2鍵盤的數(shù)據(jù)線和時鐘線、PS/2鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)線和時鐘線)分別發(fā)送至實驗FPGA相應(yīng)的4個特定引腳，從而使下載到實驗FPGA中的目標(biāo)文件產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，完成實驗。

2.2 實現(xiàn)VGA顯示在線實驗的遠(yuǎn)程控制方法

2.2.1 VGA顯示原理介紹

VGA是IBM在1987年推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，其具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。VGA標(biāo)準(zhǔn)一直沿用至今，現(xiàn)在的液晶顯示器也都兼容VGA標(biāo)準(zhǔn)。

采用VGA標(biāo)準(zhǔn)的顯示器通過VGA接口與計算機(jī)內(nèi)部的顯卡相連。VGA接口通常為D形三排15針接口。顯示器只接受模擬信號輸入，其中最重要的信號包含R、G、B(紅、綠、藍(lán))三原色信號和HSYNC(行同步信號)、VSYNC(場同步信號)控制信號。

VGA是一種使用模擬信號的視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，顏色信號R、G、B均為模擬信號，用紅、綠、藍(lán)這3種顏色可以隨意配出自然界中的大部分顏色，因此采用VGA標(biāo)準(zhǔn)能夠提供絢麗多彩的顏色。但在某些應(yīng)用場合，并不需要顯示彩色高分辨率的圖像，如超市、車站、機(jī)場等公共場所的廣告宣傳和提示信息顯示，工廠車間生產(chǎn)過程中的操作信息顯示等。這時可以簡單地采用數(shù)字量代替模擬量作為顏色信號R、G、B，則能夠顯示的最大顏色數(shù)只有23=8色，但8種顏色足矣。故在一些嵌入式系統(tǒng)中，廣泛采用VGA進(jìn)行圖像顯示，可以使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，降低成本，易于設(shè)計。

FPGA擁有豐富的硬件資源，可重配置能力強(qiáng)，保密性好，是嵌入式設(shè)計的主流平臺之一[15]。故在嵌入式系統(tǒng)中，人們基于FPGA設(shè)計出各種圖像采集與VGA顯示系統(tǒng)[16]，甚至是視頻采集、實時視頻跟蹤系統(tǒng)[17]等。其中一個關(guān)鍵部分是設(shè)計VGA顯示接口控制電路，產(chǎn)生相應(yīng)的RGB信號和控制信號，然后通過VGA接口將這些信號傳輸?shù)斤@示設(shè)備中，從而使顯示器顯示各種圖像。在FPGA教學(xué)中，VGA顯示接口控制電路設(shè)計往往是必不可少的重要內(nèi)容之一。

2.2.2 VGA顯示在線實驗方法主要思路

在線下實驗中，實驗者可以通過VGA線纜直接將一個VGA顯示器與FPGA板上的VGA接口相連，從而顯示圖像。但是，做在線實驗時，實驗者是無法看到遠(yuǎn)程VGA顯示器上的畫面的；而且，VGA顯示器的輸出信號并不是簡單的電平或脈沖信號，而是具有一定時序關(guān)系的多個信號，數(shù)據(jù)量巨大，直接傳輸根本無法保證實時性。因此，需要考慮如何將VGA顯示器的畫面實時回傳給客戶端，借用實驗者的顯示器復(fù)現(xiàn)實驗產(chǎn)生的圖像畫面。

為此，提出一種VGA遠(yuǎn)程顯示控制方法，實現(xiàn)VGA信號采集和壓縮、本地分發(fā)推流以及在線實時播放。VGA信號的轉(zhuǎn)換和傳送過程如圖 2所示。

圖2 VGA信號的轉(zhuǎn)換和傳送過程

該方法的關(guān)鍵是采用VGA2USB視頻采集卡將VGA模擬信號轉(zhuǎn)換為壓縮的視頻流，再通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。VGA2USB視頻采集卡是外置VGA信號采集盒，它能夠?qū)崟r捕獲計算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)輸出的VGA模擬信號；并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；再編碼成視頻流，通過USB2.0接口回傳到計算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)中。

VGA信號的轉(zhuǎn)換和傳送過程具體如下：

(1) VGA2USB視頻采集卡對FPGA板輸出的VGA模擬信號進(jìn)行實時采集、壓縮，轉(zhuǎn)換成flv(FlashVideo)格式的視頻流。

flv是現(xiàn)在非常流行的流媒體格式，由于其視頻文件體積輕巧、封裝播放簡單等特點，使其很適合在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用；此外，由于當(dāng)前瀏覽器與Flash Player緊密結(jié)合，使得網(wǎng)頁播放flv視頻輕而易舉，這也是flv流行的原因之一。flv視頻格式是Adobe公司設(shè)計開發(fā)的，目前已經(jīng)免費開放。

flv格式文件是一個二進(jìn)制文件，包括文件頭(Flv Header)和文件體(Flv Body)兩部分，其中文件體由一系列的Tag及Tag Size對組成。Tag又可以分成3類：audio、video、script，分別代表音頻流、視頻流和腳本流(關(guān)鍵字或者文件信息之類)。

(2) 通過視頻采集卡與上位機(jī)相連的USB線將flv視頻流傳送到上位機(jī)，上位機(jī)上運行的FFmpeg推流器接收視頻流數(shù)據(jù)。

實時流媒體編碼工具FFmpeg是一套可以用來記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻、視頻，并將其轉(zhuǎn)化為流的開源計算機(jī)程序。它提供了錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案。FFmpeg從視頻采集卡處獲取視頻流數(shù)據(jù)，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)(VGA2USB采集卡的設(shè)備ID，SRS服務(wù)器IP地址，上位機(jī)的ID)。

(3) FFmpeg推流器將視頻數(shù)據(jù)以RTMP(Real Time Messaging Protocol，實時消息協(xié)議)流的形式推送到SRS(Simple-RTMP-Server)流媒體服務(wù)器端；SRS服務(wù)器搜集來自多個上位機(jī)推送的視頻流，并根據(jù)用戶請求提供正確的視頻流供用戶訪問。

RTMP是一種進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要用來在Flash/AIR(Adobe Integrated Runtime，Adobe集成運行環(huán)境)平臺與支持RTMP協(xié)議的流媒體/交互服務(wù)器之間進(jìn)行音視頻和數(shù)據(jù)通信。

RTMP協(xié)議規(guī)定，播放一個流媒體有兩個步驟：① 建立一個網(wǎng)絡(luò)連接(NetConnection)；② 建立一個網(wǎng)絡(luò)流(NetStream)。其中，網(wǎng)絡(luò)連接代表服務(wù)器端應(yīng)用程序和客戶端之間基礎(chǔ)的連通關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)流代表發(fā)送多媒體數(shù)據(jù)的通道。服務(wù)器與客戶端之間只能建立一個網(wǎng)絡(luò)連接，但是基于該連接可以創(chuàng)建很多網(wǎng)絡(luò)流。

播放一個RTMP協(xié)議的流媒體具體需要以下幾個環(huán)節(jié)：握手、建立連接、建立流、播放。RTMP連接都是以握手作為開始的。建立連接階段用于建立客戶端與服務(wù)器之間的“網(wǎng)絡(luò)連接”；建立流階段則用于建立客戶端與服務(wù)器之間的“網(wǎng)絡(luò)流”；播放階段用于傳輸視音頻數(shù)據(jù)。

(4) 當(dāng)目標(biāo)文件燒錄到FPGA中后，實驗者單擊客戶端實驗界面上方的“VGA顯示”按鈕，實驗界面將彈出一個顯示器窗口，顯示實驗者所設(shè)計的VGA畫面。

最終，客戶端通過Internet訪問流媒體服務(wù)器，使用基于Flash技術(shù)的播放器(如Adobe Flash Player)即可實時播放視頻，從而實現(xiàn)FPGA在線實驗平臺的遠(yuǎn)程VGA顯示。

3 在線實驗平臺應(yīng)用

基于FPGA在線實驗平臺可以支持多門課程。目前，F(xiàn)PGA在線實驗平臺配置了40套設(shè)備(系統(tǒng)規(guī)模還可以根據(jù)需要隨時擴(kuò)充)，在各門課程運行期間，能夠7×24 h為學(xué)生提供在線實驗服務(wù)，部分實驗環(huán)節(jié)還可通過互聯(lián)網(wǎng)面向全球開放運行，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的開放共享。平臺已多輪次在筆者所在學(xué)校的《計算機(jī)組成實驗》、《計算機(jī)EDA設(shè)計》和《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》課程中使用，實現(xiàn)了多門硬件課程的在線實驗教學(xué)，與課內(nèi)實驗起到了很好的互補(bǔ)作用，形成了一種線下實驗和線上實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)新模式。

筆者開發(fā)了對抗性彈球游戲在線實驗，該實驗項目在《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》課程中被作為大作業(yè)選題使用。學(xué)生在離開實驗室后，在任何時候，可以在宿舍、圖書館或者有網(wǎng)絡(luò)的任何地方，通過連接于終端上的通用鍵盤和鼠標(biāo)，操縱顯示在實驗界面中的游戲界面上的擋板，遠(yuǎn)程進(jìn)行實驗，來驗證設(shè)計的正確性，從而保證了實驗的連貫性，顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

為了驗證所提出方法的有效性，結(jié)合對抗性彈球游戲在線實驗，對在線實驗平臺的性能進(jìn)行了測試。測試環(huán)境配置如表1所示。

表1 測試環(huán)境詳細(xì)配置

使用JavaScript語言在Visual Studio Code平臺上編寫腳本，捕捉實驗者的鍵盤/鼠標(biāo)被觸發(fā)的時間點以及客戶端實驗界面收到SRS服務(wù)器傳回的視頻圖像的時間點。通過多次測試可以發(fā)現(xiàn)，從按下鍵盤/鼠標(biāo)至實驗界面的VGA畫面發(fā)生響應(yīng)的時間，即全過程時延，平均低于700 ms。

分析可知，當(dāng)實驗者希望通過鍵盤/鼠標(biāo)控制游戲畫面中的擋板，在鍵盤或鼠標(biāo)按下時，鍵盤或鼠標(biāo)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)歷了用戶前端—MOOC服務(wù)器—上位機(jī)—主控FPGA—實驗FPGA的通信過程。由于字符指令所占帶寬較小，故該傳輸過程對帶寬沒有限制，時延為毫秒級。

由于實驗者的“對抗性彈球游戲在線實驗”目標(biāo)文件已經(jīng)遠(yuǎn)程上傳、下載到實驗FPGA中，所以該目標(biāo)文件會自動運行，產(chǎn)生預(yù)定的邏輯，隨時響應(yīng)鍵盤/鼠標(biāo)操作，使游戲畫面中的擋板上移或下移。則實驗FPGA產(chǎn)生的VGA信號經(jīng)歷了實驗FPGA—VGA2USB采集卡—上位機(jī)/FFmpeg推流器—SRS服務(wù)器—用戶前端的通信過程。

上述數(shù)據(jù)回傳過程的主要時延在于VGA2USB進(jìn)行編碼的過程，即由VGA信號轉(zhuǎn)換為flv格式視頻流的過程。最終，小巧的flv格式視頻流傳輸?shù)絊RS服務(wù)器，服務(wù)器再傳送給客戶端界面進(jìn)行播放。實驗者只需單擊客戶端實驗界面上方的“VGA顯示”按鈕，實驗界面將彈出一個顯示器窗口，刷新顯示實驗者所設(shè)計的VGA畫面。

實驗平臺使用的VGA2USB采集卡為科伍KW520采集卡，其最大采樣率為230 Mpixels/s。若適應(yīng)640×480的視頻模式，根據(jù)其官方數(shù)據(jù)，其刷新率在典型應(yīng)用下為10次/s；而在640×480的分辨率下，WinXP的刷新率(每秒鐘填充圖像的幀數(shù))為28.0 f/s，因此可以實現(xiàn)實時刷新。故整體時延在在線實驗的過程中是可以接受的。

學(xué)生在完成“對抗性彈球游戲在線實驗”時，充分發(fā)揮其想象力，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)和創(chuàng)新，有效提升了其系統(tǒng)設(shè)計能力和自主設(shè)計能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神，取得了很好的教學(xué)效果。

由于在線實驗打破時空限制，學(xué)生開展實驗的方式更加靈活，投入實驗的時間明顯增加，實驗學(xué)習(xí)效果有顯著提升。

4 結(jié)束語

采用一體化設(shè)計的FPGA在線實驗平臺，保證了線上實驗和線下實驗的實驗設(shè)備的一致性，能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率；平臺同時具有一臺多用、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備豐富、普適性強(qiáng)等特點。所提出的實現(xiàn)鍵盤鼠標(biāo)接口在線實驗和VGA實時顯示的遠(yuǎn)程控制方法，擴(kuò)展了現(xiàn)有FPGA在線實驗平臺的功能，極大地豐富了實驗的種類，增加了實驗的趣味性。

筆者開發(fā)的在線實驗平臺和在線實驗方法已被應(yīng)用于實際教學(xué)中，并取得了很好的教學(xué)效果。實踐表明，借助于這個平臺，學(xué)生可以開發(fā)更多有趣的游戲或者復(fù)雜的系統(tǒng)，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計和創(chuàng)新。