智能儀器儀表的網絡化體系結構與特點
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3 網絡化儀器的體系結構及實現
3.1 抽象模型
網絡化儀器是電工電子、計算機硬件軟件以及網絡、通信等多方面技術的有機組合體，結構比較復雜，多采用體系結構來表示其總體框架和系統(tǒng)特點。網絡化儀器的體系結構，包括基本網絡系統(tǒng)硬件、應用軟件和各種協(xié)議。圖1是網絡化儀器體系結構的一個簡單模型，該模型將網絡化儀器劃分成若干邏輯層，可更本質的反映網絡化儀器具有的信息采集、存儲、傳輸和分析處理的原理特征
首先是硬件層，主要指遠端傳感器信號采集單元，包括微處理器系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、硬件協(xié)議轉換和數據流傳輸控制系統(tǒng)。硬件層功能的實現得益于嵌入式系統(tǒng)的技術進步和近年來大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，硬件協(xié)議轉換和數據流傳輸控制依靠FPGA/CPLD實現。
另一個邏輯層是嵌入式操作系統(tǒng)內核，該層的主要功能是提供一個控制信號采集和數據流傳輸的平臺。該平臺的前端模塊單元的主要資源有處理器、存儲器、信號采集單元和信息；主要功能是合理分配、控制處理器，控制信號的采集單元以使其正常工作，并保證數據流的有效傳輸。該邏輯層主要由鏈路層、網絡層、傳輸層和接口等組成。根據應用的不同，本層的具體實現方式可能不同，且可在一定程序上簡化。
3.2 外圍硬件設計方案
Internet或以太網通信的硬件設計方案有兩個。
(1) 以專用CPU作為控制器，使用C語言編程實現TCP/IP通信。優(yōu)點是：專用CPU的處理能力較強，便于實現測試儀器的其它功能。缺點是成本略高，硬件略復雜。
另一個邏輯層是嵌入式操作系統(tǒng)內核，該層的主要功能是提供一個控制信號采集和數據流傳輸的平臺。該平臺的前端模塊單元的主要資源有處理器、存儲器、信號采集單元和信息；主要功能是合理分配、控制處理器，控制信號的采集單元以使其正常工作，并保證數據流的有效傳輸。該邏輯層主要由鏈路層、網絡層、傳輸層和接口等組成。根據應用的不同，本層的具體實現方式可能不同，且可在一定程序上簡化。
3.2 外圍硬件設計方案
Internet或以太網通信的硬件設計方案有兩個。
(1) 以專用CPU作為控制器，使用C語言編程實現TCP/IP通信。優(yōu)點是：專用CPU的處理能力較強，便于實現測試儀器的其它功能。缺點是成本略高，硬件略復雜。
(2) 使用51系列單片機作為控制器的CPU，不采用嵌入式操作系統(tǒng)，直接使用C51編程，實現數據鏈路層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。優(yōu)點是硬件比較簡單，價格低。缺點是軟件工作量大，難度也大。以單片機為核心、采用RTL8019以太網接口芯片為網絡儀器接口所組成的網絡化儀器的基本結構如圖2所示。
3.3 協(xié)議和設計
系統(tǒng)進行初始化操作，主要是對網絡接口芯片進行配置。配置完后，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到客戶方有數據發(fā)送過來。數據的接收是通過網絡接口芯片實現的，它能夠對網絡上的物理幀進行包過濾。當一個以太網站點的信息幀被發(fā)送到共享的信號信道或介質時，所有與信道相連的以太網接口都讀入該幀，并且查看該幀的第一個48bit地址字段，其中包含有目的地址。各個接口把幀的目的地址與自己的48bit地址進行比較。如果該地址與幀的目的地址相同，則該以太網站點將繼續(xù)讀入整個幀，并將它送給計算機正在運行的上層網絡軟件。上層網絡軟件讀入幀的類型字段，判斷這個信息幀是ARP包還是IP包，然后再交給不同的協(xié)議棧處理。當其他的網絡接口發(fā)現目的地址與它們的地址不同時，就會停止讀入該幀。
發(fā)送數據時，將待發(fā)送的數據按幀格式封裝，通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩沖區(qū)，然后發(fā)出傳送命令，完成幀的發(fā)送。需要設置以太網目的地址、以太網源地址、協(xié)議類型，再按所設置的協(xié)議類型來設置數據段。之后啟動遠程DMA，數據寫入RTL8019AS的RAM，再啟動本地DMA，將數據發(fā)送到網上。RTL8019AS無法將數據包通過DMA通道一次存入FIFO，則在構成一個新的數據包之前必須先等待前一數據包發(fā)送完成。為提高發(fā)送效率，設計將12頁的發(fā)送緩存區(qū)分為兩個6頁的發(fā)送緩沖區(qū)，一個用于數據包發(fā)送，另一個用于構造端的數據包，交替使用。
4 結束語
隨著計算機技術、網絡技術的進步和不斷拓展，21世紀的儀器概念將是一個開放的系統(tǒng)概念。以PC機和工作站為基礎，通過組建網絡來構成實用的測控系統(tǒng)，提高生產效率和共享信息資源，已成為現代儀器儀表發(fā)展的方向。網絡化儀器的概念是對傳統(tǒng)測量儀器概念的突破。從某種意義上說，計算機和現代儀器儀表已相互包容，計算機網絡也就是通用的儀器網絡。如果在測控系統(tǒng)中由更多不同類型的智能設備也像計算機和工作站一樣成為網絡的節(jié)點聯入網絡，它們充分利用目前已比較成熟的Internet網絡的設備，則將不僅能實現更多資源的共享、降低組建系統(tǒng)的費用，還可提高測控系統(tǒng)的功能，并拓展其應用的范圍。“網絡就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網絡化發(fā)展趨勢。
3.3 協(xié)議和設計
系統(tǒng)進行初始化操作，主要是對網絡接口芯片進行配置。配置完后，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到客戶方有數據發(fā)送過來。數據的接收是通過網絡接口芯片實現的，它能夠對網絡上的物理幀進行包過濾。當一個以太網站點的信息幀被發(fā)送到共享的信號信道或介質時，所有與信道相連的以太網接口都讀入該幀，并且查看該幀的第一個48bit地址字段，其中包含有目的地址。各個接口把幀的目的地址與自己的48bit地址進行比較。如果該地址與幀的目的地址相同，則該以太網站點將繼續(xù)讀入整個幀，并將它送給計算機正在運行的上層網絡軟件。上層網絡軟件讀入幀的類型字段，判斷這個信息幀是ARP包還是IP包，然后再交給不同的協(xié)議棧處理。當其他的網絡接口發(fā)現目的地址與它們的地址不同時，就會停止讀入該幀。
發(fā)送數據時，將待發(fā)送的數據按幀格式封裝，通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩沖區(qū)，然后發(fā)出傳送命令，完成幀的發(fā)送。需要設置以太網目的地址、以太網源地址、協(xié)議類型，再按所設置的協(xié)議類型來設置數據段。之后啟動遠程DMA，數據寫入RTL8019AS的RAM，再啟動本地DMA，將數據發(fā)送到網上。RTL8019AS無法將數據包通過DMA通道一次存入FIFO，則在構成一個新的數據包之前必須先等待前一數據包發(fā)送完成。為提高發(fā)送效率，設計將12頁的發(fā)送緩存區(qū)分為兩個6頁的發(fā)送緩沖區(qū)，一個用于數據包發(fā)送，另一個用于構造端的數據包，交替使用。
4 結束語
隨著計算機技術、網絡技術的進步和不斷拓展，21世紀的儀器概念將是一個開放的系統(tǒng)概念。以PC機和工作站為基礎，通過組建網絡來構成實用的測控系統(tǒng)，提高生產效率和共享信息資源，已成為現代儀器儀表發(fā)展的方向。網絡化儀器的概念是對傳統(tǒng)測量儀器概念的突破。從某種意義上說，計算機和現代儀器儀表已相互包容，計算機網絡也就是通用的儀器網絡。如果在測控系統(tǒng)中由更多不同類型的智能設備也像計算機和工作站一樣成為網絡的節(jié)點聯入網絡，它們充分利用目前已比較成熟的Internet網絡的設備，則將不僅能實現更多資源的共享、降低組建系統(tǒng)的費用，還可提高測控系統(tǒng)的功能，并拓展其應用的范圍。“網絡就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網絡化發(fā)展趨勢。
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