1.1简介

新冠肺炎的全球流行以及由此产生的封锁/隔离政策极大地改变了教育，将传统的同地办公模式转变为纯粹的在线远程学习模式，从而产生了新的教育模式。随着校内学生离开教室并在家中或宿舍继续学习，教师利用各种技术以确保学习的可持续性。这种学习模式转变的核心是广泛采用基于直播的学习模式，教室与学生通过远程通讯工具（如本直播课堂系统），通过软件实时授课，举行会议并与学生进行互动。同时，学生们依靠这些平台与同学进行协作和小组学习。

直播课堂系统为在线教育行业信息化管理及互动提供弹性、稳定的教育直播平台，让教学者开展课堂管理，让学习者接触最实时优秀的教学资源。

1.2平台架构

平台的整体架构如图1-1所示，用户主要分为系统管理员、讲师端和学员端三个层次，其中讲师端负责课程的创建，包含课件及试卷配制，并提交管理员审核，通过审核的课程由讲师负责内容直播。学员端根据直播课堂系统提供的课程来配制个性化的学习空间，如报名相关学科的的课程，并参与到该课程的学习。管理员端主要负责直播课堂系统的系统设置，如短信模板、内容管理、会员管理、课程管理。

图1-1 平台整体架构

1.3 核心能力

1.3.1 直播日历功能

1）日程展示：通过日历表的方式按课程的上课时间向师生显示对应的课程信息；

2）课程查询：支持老师和学生通过选择或切换日期查看当前日期下的课程安排；

3）课程状态：老师的直播日历直观展示当前日期下需要安排的课程信息及课程状态；学生的直播日历直观展示当前日期下需要参与的课程信息及课程状态；

1.3.2直播课程管理功能

1）课程新增：支持老师主动建立课程信息，新增课程提交到平台审核后在平台内公开招生，支持教师填写课程概况、课程介绍并建立课程大纲，按大纲节点上课；同时，向学生及时提醒并显示新增课程，学生可查看详细的直播课信息（包括课程大纲、课程概述、课程介绍等信息）及报名；

2）备课功能：系统支持备课功能，老师能够组建作业、关联作业到课程、关联教学资源到课程；

3）教室主页：直播教室内直接显示课程信息，由教师控制课堂上课下课；

1.3.3 直播教室功能

1）教室主页：直播教室内直接显示课程信息，由教师控制课堂上课下课；

2）课堂资料：课堂备课准备的资料分类显示，包括随堂练习、课件、课后作业等资料；

3）学生列表：直播教室内实时显示连进来的学生数量并以学生列表的形式显示；并且，学生端可进行签到，老师端可设定时间截止签到并保存签到名单；

4）视频源切换及画质切换：直播教室采取视频流直接推送的方式直接展示给已进入教室的学生，视频源支持多类型手动切换，包括直播教室、本机摄像头、电脑桌面、外接摄像头等视频源入口；此外，学生端可切换视频画质；

5）视频对讲：支持教师开放发言权限，学生举手后可直接拉取学生视频信息，进行一对一问答，整个视频交流过程全程展示给所有课堂学生；

6）视频弹幕：老师和学生均有发送弹幕的权利，弹幕展示在弹幕发送区和视频内，学生可点击某条弹幕从而屏蔽发送者的所有弹幕，老师可禁止某学生发送弹幕，但禁止的动作会显示在弹幕发送区，所有学生都会看到；

7）扩容及自动录播：系统能够无限扩容课堂容量，同时系统支持课程直播过程中自动录播的功能；

1.3.4 在线辅导功能

1）随堂互动答题：备课时准备好的随堂练习题目可以在课堂上直接分发给听课学生，实时反馈答题情况并统计分析形成图表展示给教师；

2）作业分发：教师可以在课堂上将课前预习作业和课后作业直接分发给听课学生，学生做完后上传至平台，教师批改后再分发给学生，平台将作业完成情况等信息反馈给教师；

四路信号网络传输系统共分为两个部分，视频采集端和视频接收端。视频采集端可以将4路AV信号进行采集编码，通过网络进行传输，同时在本地，可以通过VGA或者AV输出，输出格式为四拼屏显示。视频播放端接收网络传递的视频信号，在本地进行回显，同时可以通过?？仄?，进行5路视频选择，具体为4个单通道视频显示和1个四拼屏显示。视频播放端同时支持网络信号输出，可以外挂网络录像机进行视频保存，保存内容与显示端显示内容一致。

视频采集端和视频播放端基本介绍如下：

1.1 视频采集端?

采集端可最多采集四路AV信号，并通过VGA接口进行本地回显，以测试视频采集端是否工作良好并实施观看监控视频。网口将采集的四路信号及一路四合一拼屏信号共五路信号通过网线传输。

设备参数：

1.2 视频接收端

接收端接收来自网络的视频信号，经过解码后由VGA接口和AV接口实现视频输出。接收端面板上外置红外接收端，可通过遥控器任意切换五路视频进行本地显示。

设备参数：

二、系统设计思路

视觉信息具有信息量大、易于传播、可被受众直观接受的优势，视频与图片是所有信息中流通最快、占有量最大的信息传播形式。然而视频数据具有数据量巨大、信息高度冗余等实际情况，这些都消耗大量的存储空间和带宽，严重制约了视频信息的传播。FPGA具有高效的并行处理能力，将FPGA引入视频数据处理，可以在一定程度上缓解视频传输的瓶颈。

系统以XC6SLX150为核心，通过TW2867将AV视频信号数字化，转化成YCbCr422格式，利用XC6SLX150将数据写入SDRAM完成存储，对存储的数据，在采集端的回显，将YCbCr422转化成RAW RGB通过VGA进行回显，同时利用TF680，将SDRAM中的信号编码并在网络中进行传输，在显示端利用同样的方法，实现VGA回显和AV回显。

2.1系统构成

系统由视频采集端和视频接收端两个部分组成，两端通过网络连接，系统框图如图1所示。考虑到系统的可扩展性，允许在视频接收端，通过网络进行视频录像保存。

图1 系统整体框架示意图

系统采用XILINX公司的XC6SL150作为核心平台，加上Silion Image公司的SiI9013 HDMI解码芯片和SiI9134 HDMI编码芯片、 2Gbit的DDR3、4路复用TW2867、10位高速DAC视频转换ADV7123共同构建，系统开发板如图2所示。

图2 系统主板实物图

1）视频信号采集端

视频采集端的输入包括：4路AV输入接口，对模拟摄像机的信号进行采集，输出端为10/100Mbps自适应网络接口，负责将处理过的信号通过网络进行发送。视频采集端可以通过VGA或HDMI方式对采集到的四路信号进行回显，回显方式为2X2矩阵形式。

视频采集端包括核心板、扩展板和支撑电路三部分。视频核心板主要由FPGA+DDR3+FLASH构成，DDR3容量为2Gbit，核心板框图如图3示。FPGA内部集成DDR控制器的硬Core，可以满足4路720P视频处理需求。

图3 视频采集处理核心板框架示意图

4路视频输入：可输入不多于4路复合视频信号，PAL/NTSC/SECAM自动识别，输出BT656，可多路复用总线，FPGA端解复用。该模块采用TW2867，为4路视频解码器，具体介绍详见TW2867-datasheet.pdf。

一路VGA输出：支持RGB数字输入和VGA接口输出，最大支持240MSPS的转换速率，最高支持1080p@60Hz视频图像输出。该?？椴捎肁DV7123，具体介绍详见ADV7123datasheet.pdf。

一路HDMI输出：最高支持1080p@60Hz输出。该?？椴捎肧II9134，具体介绍详见SII9134datasheet.pdf。

一路RJ45接口：，支持10/100Mbps网络传输速率；

底板上通过板载芯片配置开发板上各个接口芯片和FPGA，底板预留JTAG接口、USB串口，方便后期功能扩展和二次开发。

视频采集端主要工作是对AV摄像头获取的信号通过FPGA进行处理，转换成TMDS格式信号进行网络传输。综合考虑系统的实时性、画面质量、带宽等方面要求，对视频进行编码压缩优化，并通过FPGA实现。视频采集端同时采集不超过4路的AV视频信号，对采集到的视频信号，通过2X2的矩阵在视频采集端通过VGA/HDMI进行回显。视频采集端的工作原理如图4示。

图4视频采集端工作示意框图

该部分的工作过程如下：模拟摄像头从外部采集图像信息，经过BT656解析为RGB格式输入；视频采集模块实时地接收从摄像头采集的数据信息；色彩转换?？榻玆GB格式转换成YCbCr444格式，再色度降采样为YCbCr422格式；视频帧读写模块控制将图像数据写入或者读出DDR3；再经过HDMI显示?？榻枷窀袷缴喜裳晃猋CbCr444，再转换为RGB格式，最终实现HDMI的视频显示。

2.2 网络传输层

考虑到实用性，传输网络允许通过个交换机，交换机可以根据现场环境集成在视频采集端或者视频接收端。交换机的主要作用是完成信号中继和视频系统组网。通过组网，可以方便用户在后期扩展各类视频录制和播放设备。

2.3 视频接收端

视频接收端的输入接口为10/100Mbps自适应网络接口，接受网络传输的信号。输出端主要为视频播放接口，包括：HDMI标准接口、VGA接口、AV视频接口?？悸堑胶笃诘睦┱剐枨螅悠到邮斩送捎肍PGA+DDR3+FLASH架构，对接收到网络信号，利用FPGA完成对信号的解码，并通过本地接口，实现视频的播放。其工作原理如图5所示。

图5 视频接收端工作示意框图

视频接收端同样包括核心板、扩展板和支撑电路，扩展板上提供JTAG接口、USB串口和SD卡槽，后期可以根据环境需要，用户可以在视频接收端，对解码后的视频通过FPGA进行二次处理。

1）系统展望

本项目所设计的四路AV视频采集网络传输系统，在保留现有的AV视频采集设备基础上，通过FPGA来对信号进行处理以减少延迟，实现对多路视频信号的实时传输。

在接收端，可以对实时的视频信号进行二次开发，例如通过先验特征，实现4路视频的快速拼接，从而实现全景视频显示；通过多路视频间的目标特征识别，实现多监视器间的目标跟踪与复合监控。也可以对多路视频进行信号复合、信号叠加等操作。

在视频采集端，可以利用FPGA进行硬插补，来对摄像头云台进行高速控制，提高视频目标跟踪的实时性和稳定性。

本系统共包含2种产品，分别为短波干扰发射机1台（含功放和干扰源）和天线1副（含馈线）。

1）产品功能

能够产生各种短波电台、广播干扰信号，对短波电台、广播实施有效干扰。

2）系统组成

短波干扰机主要由控制单元、时钟源、数字干扰源、发射机、天线、电源等组成，其框架如图1-1所示：

图1-1 产品框图

3）工作原理

短波干扰机通过人工输入、网络接收系统控制命令等方式，由时钟源提供2GHz时钟信号给数字干扰源，数字干扰源根据干扰信号类型产生相应的干扰信号，经滤波放大后送给发射机，信号经发射机放大后通过天线辐射出去。

4）数字干扰源

数字干扰源是干扰机的核心，在时钟源提供2GHz参考时钟下，通过接收系统控制命令产生各种干扰信号，并控制后级功放开关。数字干扰源硬件主要由FPGA，宽带DAC，时钟电路、通信接口、驱动、电源等组成。其组成框架如图1-2所示：

图1-2 数字干扰源框架

时钟电路主要将外部参考时钟转进行电平转换和功率调整输出给DAC，并对外部参考信号进行分频，提供给FPGA。通信接口主要实现和外部通信的设计。IO驱动将FPGA所能接受的电平和外部所需的电平进行转换。DAC实现数字信号到模拟信号的转换。DAC调理电路将对DAC输出的模拟信号进行滤波、放大处理。电源给各个功能芯片、模块提供压轨。FPGA负责接口、软件、算法实现。

5）400W发射机

发射机主要是把数字干扰源的射频信号经功率放大器放大后再射频输出给天线，其框架见图1-3。

图1-3 400W发射机

随着中国工业经济的发展，PLC在自动化设备的日益普及应用，对于设备制造厂商或生产技术管理部门来说，如何以最快捷的方式响应现场设备维护方面的需求，迅速检测生产现场运行设备的状态，及时解决生产现场反映的问题，已是多数上位技术管理者的切实需求。如何采用经济实用的方式来实施设备PLC远程数据采集或测控，这也是探索解决此问题的初衷。

本管理软件对应的can转4G?？榭梢越饩龉ひ滴锪莶杉复任侍?，同时降低企业数据采集成本，实现高效准确的底层数据采集。

产品概述

CAN转4G 智能DTU终端连接方式采用工业级组件和接插件，整个产品内置嵌入式处理器芯片和全网通4G?通信?？?，传输过程快速稳定，可同时连接CAN?工业通讯总线和 4G设备，产品主要实现消防电源CAN?总线大规模物联组网，CAN?数据透明或加密传输到4G?云服务器，完成消防电源物联网整套组网架构功能，方便区域组网管理，专为无人值守的消防电源系统提供可靠组网和稳定通信及开关机控制，产品见下图CAN转4G通信控制板。

该产品具有如下优点：

• 组网迅速灵活，建设周期短、成本低；
• 网络覆盖范围广；
• 安全保密性能好；
• 链路支持永远在线、按月/年计费、用户使用成本低；

硬件特性

• 内置低功耗高性能的嵌入式处理器和高可靠全网通4G?？?/li>
• 多重软硬件可靠设计，看门狗技术使设备安全运行。（消防电源逆变处理导致电磁环境比较复杂容易造成芯片死机，虽然概率很小,但是危害极大。）
• CAN接口电气隔离：DC 2500V 或者AC 1700V，CAN波特率支持高速40K~1Mbps，默认波特率为250Kbps；
• 外置flash存储芯片，确?？稍诟丛踊肪诚碌幕捍嫔璞甘?/li>
• 电源隔离抗干扰性好
• 4G模块动态冷重启技术

软件特性

• 支持域名和IP两种连接服务器方式(默认IP连接)。
• 支持心跳包功能，智能防掉线，支持在线维持，掉线自动重拨，4G?？槔渲仄羧繁Ｉ璞赣涝对谙?。
• 支持远程配置目标IP和端口。
• 支持远程配置CAN波特率，CAN数据转发频率。
• 支持配置参数掉电保存。
• 支持消防电源末端can总线数据解析及处理（如电源设备状态切换）。
• 支持CAN通信协议定制及数据采集透传。
• 支持4G数据加密处理及上传至消防电源4G专用服务器
• 高达16MB缓存空间，采用动态划分技术及时缓存电源数据。
• 除了串口软件升级，还支持远程4G升级系统

图1.1 i.MX6UL-IOT 板卡示意图

1.2 I.MX6UL-IOT 硬件资源
i.MX6UL-IOT 底板提供4 路RS232 串口、1 路隔离CAN 总线、1 路隔离RS485 接口、1
路16位LCD 显示接口、1路4-wire电阻触摸接口、2 路10/100M以太网接口、1路TF卡接
口、3路USB Host 接口、1 路 USB Slave 接口、1 路MiniPcie 接口（支持多种自定义通信
?？椋?。

1) 配套系列核心板：i.MX6UL-BTB；
2) PCB 尺寸：142mm x 102mm x 1.6mm；
3) 板载资源：双排针IDC 座接口，包括 1 路 CAN、2 路 UART、1 路I2C等标准通信接
口多路GPIO 接口；
4) 支持2 路10/100M 以太网接口；
5) 支持3 路USB 2.0 HOST接口；
6) 支持 1路USB2.0 Slave接口；
7) 支持1 路TF Card 接口；
8) 支持1 路18位LCD 接口，带4-wire电阻触摸屏接口；
? LCD 转VGA显示器；
? LCD 转LVDS 显示屏；
? LCD 转HDMI 显示器（待开发）；
9) 支持4 路RS-232 接口，其中包括1路Debug 调试接口；
10) 支持1 路隔离Can总线接口；
11) 支持1 路隔离RS485 总线接口；
12) 支持 1路MiniPcie自定义无线通信接口：
? PCIE-AP6181 配板(WIFI)；
? PCIE-M26配板(GPRS)；
? PCIE-Zigbee 配板(ZigBee)；
? PCIE-Lora配板(Lora)；
? PCIE-EC20配板(联通4G)；

1.3 I.MX6UL-IOT 软件资源
i.MX6UL-IOT 工业控制板卡提供稳定的Linux4.1.5 的软件开发环境、丰富的应用测试
例程、详细的应用笔记，提高了Linux 系统移植、驱动和应用程序的开发时效性，降低了嵌
入式Linux开发应用平台开发难度。I.MX6UL-IOT 工业控制板卡提供稳定的第三方应用程序
开发库，包括Sqlite 数据库、Lua 脚本、嵌入式web服务器、QT-4.8.7图形界面库、libmodbus
通信库、MQTT库等，提高用户应用程序开发效率。软件层次框图如下所示：

i.MX6UL-IOT 工业控制器提供Linux4.15 下的驱动程序库，具体包含的驱动程序资源如下：
? NAND Flash 驱动程序；
? LCD 驱动程序；
? 触摸屏驱动程序；
? 以太网驱动程序；
? USB 驱动程序；
? RS-485 驱动程序；
? RS-232 驱动程序；
? CAN-bus 驱动程序；
? TF 卡驱动程序；
? 蜂鸣器驱动程序；
? 4 路12 位ADC ；
? 标准GPIO接口驱动；
? Wi-Fi 802.11b/g/n
? AP 模式驱动（支持4 个Stations 连接）；
? Stations模式驱动；
1) MiniPcie配板驱动程序：
? PCIE-AP6181 配板驱动程序；
? PCIE-M26配板驱动程序；
? PCIE-Zigbee 驱动程序；
? PCIE-Lora驱动程序；
? PCIE-EC20配板(多模4G)驱动程序；

“道系统”操作系统通用版（DeltaOS）是一款面向各领域的嵌入式实时操作系统，支持单核及多核CPU硬件配置，可替换相关领域的VxWorks 6.8/6.9操作系统。

开发环境

软件环境：道操作系统6.0（MIPS版本）+ LambdaPRO

硬件环境：龙芯2K1000主处理模块、IDT Tsi721芯片转换?？槿缦峦?/p>

IDT Tsi721芯片驱动软件的功能、性能要求

• 支持Rapidio协议1规范；
• 接口支持X4、X2、X1，传输速率支持125Gbps和5Gbps；
• 支持8路DMA传输功能（初始化8路DMA，其中使用7路DMA传输数据，1路DMA做维护包读写），提供维护包读写接口，DMA 传输吞吐率均不低于其通路（含X4、X2、X1）带宽的80%左右；
• 支持8路消息（message）通信功能，4路消息通道发送，4路消息通道接收；
• 支持门铃(doorbell)收发功能；
• 支持多线程多通道（DMA、消息、门铃）并发通信的同步互斥功能。