基于紫光同创 FPGA 的远程实验室 - 系统设计报告

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我们基于双 FPGA 架构、Web 前后端构建了高集成、可扩展的远程 FPGA 实验平台，支持用户通过 Web 界面远程或线下配置硬件、程序调试、实时监控、数据传输，实现“数字孪生”式实验教学。

双 FPGA 架构：Ctrl_FPGA——管理员控制核心，单芯片集成以太网通信、JTAG 模拟、视频流 DDR3 缓存、电源管理、模拟信号抓取（DSO）、逻辑信号抓取（Analyzer）、模拟信号发送（DDS）等功能。Lab_FPGA——用户可编程 FPGA，支持远程烧录 Bitstream，线下配备的各类外设均可在线上同步操作和覆盖操作，提供与线下一致的实验体验。二者通过 SFP 高速互连，效率优于 FPGA- 单片机架构。支持虚拟外设静态配置，管理员可远程升级固件。

AXI4-Full 总线设计：Ctrl_FPGA 硬件设计使用 AXI 总线，支持跨时钟域、乱序执行、重排序、优先级仲裁，主频 Fmax 跨时钟域 120MHz。标准化接口实现模块化设计，支持虚拟外设静态重分配。

以太网 -UDP 协议栈：实现 AXI4 总线与以太网的直接映射，支持千兆高速数据传输。支持 ARP 协议确定主机 MAC，支持永久设定板卡 IP 和 MAC。支持多端口并发，支持时间戳。

MJPEG 视频流编码：Ctrl_FPGA 内置 JPEG 编码器，支持最高 2048x2048 YUV444 编码为 MJPEG 视频流，支持动态调整压缩率，实现 1:20 倍传输视频流时的带宽节省。

全功能 JTAG 模拟：IEEE 1149.1 标准，最高时钟 50MHz，动态降频适配不同场景。后端集成 BSDL 解析，实现边界扫描、IDCODE、UID、状态寄存器获取、Bitstream 下载等功能。

丰富的外设配置：系统配备了 32 位数码管、3 组 EC11 旋转编码器、4x4 矩阵机械键盘、5 路拨码开关、一路用户可使用的 AD、DA 模块、1 块 128 位 WS2812 灯排、1 路 HDMI-IN、1 路 HDMI-OUT、1 块最高 1366x768@60Hz 规格的便携显示屏。所有外设线下 / 线上均可操作 / 监看。对于输入类外设，线上用户可以屏蔽线下操作，使用 Web 界面代替实物；对于输出类外设，线上用户可以实时在 Web 界面观察外设输出结果。

工程化设计：系统在设计时充分考虑实际生产应用。系统工作时仅需一根电源线和网线，支持电源管理，支持 IP 地址、MAC 地址自动分配，支持 EEPROM 断电保存 IP、MAC 等板卡信息，支持 ARP 响应，支持 port 多端口并发，支持比特流校验等安全操作。后端支持多板卡管理，多线程管理，多任务管理。

Web 前后端系统：后端（C# + SQLite）——用户管理、实验管理、提交管理、Bitstream 校验、FPGA 状态监控、安全烧录、实验板网络配置、逻辑分析仪、网络摄像头、HDMI 采集、示波器、Debugger、等配置。前端（Vue3 + TypeScript）——图形化实验界面，支持画布自定义、文档查阅、实时信号可视化。

完善的实验代码和文档：目前已经完成 6 个基础实验和 5 个进阶实验以及 1 个基于 SD 卡的 ISP 处理平台的设计，每个实验配备完善的实验文档和 rtl 代码，为了方便用户使用，配备工程文件和仿真处理文件，方便用户使用和仿真。

实验系统的功能清单和实现方式如下表所示：

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