智能儀器儀表的網(wǎng)絡化體系結構與特點
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3 網(wǎng)絡化儀器的體系結構及實現(xiàn)
3.1 抽象模型
網(wǎng)絡化儀器是電工電子、計算機硬件軟件以及網(wǎng)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(wǎng)絡化儀器的體系結構，包括基本網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件、應用軟件和各種協(xié)議。圖1是網(wǎng)絡化儀器體系結構的一個簡單模型，該模型將網(wǎng)絡化儀器劃分成若干邏輯層，可更本質(zhì)的反映網(wǎng)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(shù)據(jù)流傳輸控制系統(tǒng)。硬件層功能的實現(xiàn)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(shù)據(jù)流傳輸控制依靠FPGA/CPLD實現(xiàn)。
另一個邏輯層是嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，該層的主要功能是提供一個控制信號采集和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠脚_。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(shù)據(jù)流的有效傳輸。該邏輯層主要由鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和接口等組成。根據(jù)應用的不同，本層的具體實現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)TCP/IP通信。優(yōu)點是：專用CPU的處理能力較強，便于實現(xiàn)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(nèi)核，該層的主要功能是提供一個控制信號采集和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠脚_。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(shù)據(jù)流的有效傳輸。該邏輯層主要由鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和接口等組成。根據(jù)應用的不同，本層的具體實現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)TCP/IP通信。優(yōu)點是：專用CPU的處理能力較強，便于實現(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)接口芯片為網(wǎng)絡儀器接口所組成的網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)發(fā)送過來。數(shù)據(jù)的接收是通過網(wǎng)絡接口芯片實現(xiàn)的，它能夠對網(wǎng)絡上的物理幀進行包過濾。當一個以太網(wǎng)站點的信息幀被發(fā)送到共享的信號信道或介質(zhì)時，所有與信道相連的以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡軟件。上層網(wǎng)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(wǎng)絡接口發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)時，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)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(wǎng)目的地址、以太網(wǎng)源地址、協(xié)議類型，再按所設置的協(xié)議類型來設置數(shù)據(jù)段。之后啟動遠程DMA，數(shù)據(jù)寫入RTL8019AS的RAM，再啟動本地DMA，將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上。RTL8019AS無法將數(shù)據(jù)包通過DMA通道一次存入FIFO，則在構成一個新的數(shù)據(jù)包之前必須先等待前一數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包發(fā)送，另一個用于構造端的數(shù)據(jù)包，交替使用。
4 結束語
隨著計算機技術、網(wǎng)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(wǎng)絡來構成實用的測控系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率和共享信息資源，已成為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的方向。網(wǎng)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(xiàn)代儀器儀表已相互包容，計算機網(wǎng)絡也就是通用的儀器網(wǎng)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(wǎng)絡的節(jié)點聯(lián)入網(wǎng)絡，它們充分利用目前已比較成熟的Internet網(wǎng)絡的設備，則將不僅能實現(xiàn)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(wǎng)絡就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)發(fā)送過來。數(shù)據(jù)的接收是通過網(wǎng)絡接口芯片實現(xiàn)的，它能夠對網(wǎng)絡上的物理幀進行包過濾。當一個以太網(wǎng)站點的信息幀被發(fā)送到共享的信號信道或介質(zhì)時，所有與信道相連的以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡軟件。上層網(wǎng)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(wǎng)絡接口發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)時，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)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(wǎng)目的地址、以太網(wǎng)源地址、協(xié)議類型，再按所設置的協(xié)議類型來設置數(shù)據(jù)段。之后啟動遠程DMA，數(shù)據(jù)寫入RTL8019AS的RAM，再啟動本地DMA，將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上。RTL8019AS無法將數(shù)據(jù)包通過DMA通道一次存入FIFO，則在構成一個新的數(shù)據(jù)包之前必須先等待前一數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包發(fā)送，另一個用于構造端的數(shù)據(jù)包，交替使用。
4 結束語
隨著計算機技術、網(wǎng)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(wǎng)絡來構成實用的測控系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率和共享信息資源，已成為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的方向。網(wǎng)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(xiàn)代儀器儀表已相互包容，計算機網(wǎng)絡也就是通用的儀器網(wǎng)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(wǎng)絡的節(jié)點聯(lián)入網(wǎng)絡，它們充分利用目前已比較成熟的Internet網(wǎng)絡的設備，則將不僅能實現(xiàn)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(wǎng)絡就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢。
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