远程数字系统实验平台关键技术研究

作     者：罗宇翔 

作者单位：四川师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖磊

授予年度：2017年

学科分类：0401[教育学-教育学] 04[教育学] 040110[教育学-教育技术学（可授教育学、理学学位）] 

主      题：远程实验 任务调度 嵌入式系统 视频采集与传输 远程配置 

摘      要：随着网络技术和信息技术的发展,远程教育逐渐普及,尤其是近年来大规模推广的大型开放式网络课程(Massive Open Online Courses,MOOC)和小规模限制性在线课程(Small Private Online Course,SPOC),使远程教育中实践难的问题逐渐突显,远程实验系统也逐渐成为各高校和研究机构的研究热点。现有数字系统实验的远程平台主要采用计算机为载体的体系架构,存在成本高,体积大等缺陷,也不符合物联网的发展趋势。针对这一问题,本文继承性提出了一种基于嵌入式系统的远程实验体系架构,将Web服务器、实验服务器、视频服务器等全部集中设计到嵌入式系统中,以达到远程实验系统微型化、低成本的目标,也便于集成在实验设备中,实现实验设备的智能化。与计算机相比,嵌入式系统处理能力孱弱,要实现基于嵌入式系统的远程实验体系架构需要解决三个关键技术,即在嵌入式系统中实现优化的任务调度算法、实现视频的实时采集与传输以及基于嵌入式的FPGA(Field Programmable Gate Array)远程配置。针对实验系统的任务调度算法,本文研究了计算机网络中的基于集群技术的Web服务器系统的架构和理论模型,对比分析了几种Web服务器的常用任务调度算法。针对嵌入式系统的特殊性,利用排队论对远程实验系统中任务调度进行了数学建模,并对基于内容分发的多种类型任务轮转调度算法(Multi-Class Round Robin,MC-RR)进行了参数调优,使之能够满足嵌入式远程实验系统中负载均衡和实时性等要求。针对视频的实时采集与传输,本文详细研究了嵌入式系统中视频采集与传输的实现方案。采用了V4L2(Video 4 Linux 2)驱动框架控制符合UVC(USB Video Class)规范的摄像头进行视频图像的采集,利用TCP/IP的Socket编程方式,实现了视频的实时采集和传输,并可在浏览器上进行观看。针对基于嵌入式的FPGA远程配置,本文详细研究了利用ARM对FPGA的远程配置方案。利用Jam STAPL在嵌入式系统中成功移植了Jam Player,在嵌入式平台中实现了FPGA的JTAG(Joint Test Action Group)方式配置。几项关键技术的研究表明,基于嵌入式系统的远程实验体系架构可以很好地满足远程数字系统实验平台的需要,可有效实现设备的智能化,并降低远程实验系统的成本。