【SF6微水儀】智能儀器的網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，儀器內(nèi)部帶有處理能力很強(qiáng)的智能軟件。儀器儀表已不再是簡單的硬件實(shí)體，而是硬件、軟件相結(jié)合。近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展，使其功能向更高層次發(fā)展。
1、智能儀器的發(fā)展
20世紀(jì)90年代以來，儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1) 微型化。微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等的綜合應(yīng)用使得儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器，能夠完成信號的采集、處理、控制信號的輸出、放大、與其它儀器的接口等功能，在自動化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域有著獨(dú)特的作用。
(2) 多功能化。多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點(diǎn)，例如具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數(shù)發(fā)生器，不但性能上(如準(zhǔn)確度)比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。
(3) 智能化。現(xiàn)代檢測與控制系統(tǒng)，或多或少的趨向于智能化這個特點(diǎn)。智能儀器的進(jìn)一步發(fā)展將含有一定的人工智能，這樣就可無需人的干預(yù)而自主地完成檢測或控制功能。
(4)儀器虛擬化。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示用PC機(jī)的軟件來完成，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機(jī)組成測量儀器。這種基于PC機(jī)的測量儀器稱為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。“軟件就是儀器”。作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升級性，代表著當(dāng)今儀器發(fā)展的新方向。
(5) 儀器儀表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。一般的智能儀器儀表都具有雙向通信功能，但這種雙向通信功能離真正意義上的網(wǎng)絡(luò)通信還有距離。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet技術(shù)使儀器儀表在實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)上同時實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，使現(xiàn)場測控參量就近登臨網(wǎng)絡(luò)，并具備必要的信息處理功能。
2 、網(wǎng)絡(luò)化儀器的功能需求和技術(shù)支持
2.1 支持遠(yuǎn)程測控需求
網(wǎng)絡(luò)化儀器，如現(xiàn)場總線智能儀表，是適合在遠(yuǎn)程測控中使用的儀器，是儀器測控技術(shù)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與微電子技術(shù)深度融合的結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備既可以像普通儀器那樣按設(shè)定程序?qū)ο嚓P(guān)物理量進(jìn)行自動測量、控制、存儲和顯示測量結(jié)果及控制狀態(tài)；同時具有重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特征，經(jīng)授權(quán)的儀器使用者，通過Internet可以遠(yuǎn)程對儀器進(jìn)行功能操作、獲取測量結(jié)果并對儀器實(shí)時監(jiān)控、設(shè)置參數(shù)和故障診斷，控制其在Internet上動態(tài)發(fā)布信息。它們與計(jì)算機(jī)一樣，成了網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，很方便地就能與就近的網(wǎng)絡(luò)通信線纜直接連接，而且“即插即用”，直接將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)送上網(wǎng)；用戶通過瀏覽器或符合規(guī)范的應(yīng)用程序即可實(shí)時瀏覽到這些信息(包括處理后的數(shù)據(jù)、儀器儀表的面板圖像等)。
2.2 網(wǎng)絡(luò)化儀器的特點(diǎn)
基于Internet的測控系統(tǒng)中前端模塊不僅完成信號的采集和控制，還兼顧實(shí)施對信號的分析與傳輸，因?yàn)樗砸粋€功能強(qiáng)大的微處理器和一個嵌入式操作系統(tǒng)為支撐。在這個平臺上，使用者可以很方便地實(shí)現(xiàn)各種測量功能模塊的添加、刪除以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇。其次，基于Internet的測控系統(tǒng)最為顯著的特點(diǎn)，是信號傳輸?shù)姆绞桨l(fā)生了改變?；贗nternet的測控系統(tǒng)對測量、控制信號等的傳輸，是建立在公共的Internet上的。有了前端嵌入式模塊，系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)安全有效的傳輸便成為可能。再有，基于Internet的測控系統(tǒng)對測得結(jié)果的表達(dá)和輸出也有了較大改進(jìn)，一方面，不管身在何處，使用者都可通過客戶機(jī)方便地瀏覽到各種實(shí)時數(shù)據(jù)，了解設(shè)備現(xiàn)在的工作情況；另一方面，在客戶端的控制中心，所擁有的智能化軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都可被調(diào)用來對測得結(jié)果分析，以及為使用者下達(dá)控制指令或作決策提供幫助。
2.3 接入Internet或以太網(wǎng)的方法
網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表的設(shè)計(jì)方法，是把嵌入式系統(tǒng)嵌入到儀器儀表中，讓其成為測量和控制的核心。通常，嵌入式儀器接入Internet或以太網(wǎng)成為網(wǎng)絡(luò)儀器有三種方法：
(1) 由32位高檔MCU構(gòu)成嵌入式儀器，因?yàn)橛凶銐蛸Y源可擴(kuò)充利用，整個TCP/IP協(xié)議族可以做到系統(tǒng)里去，因而可以成為直接接入Internet的網(wǎng)絡(luò)儀器，但開發(fā)難度大；
(2) 對于低檔8位機(jī)組成的嵌入式儀器，采用專用網(wǎng)絡(luò)（如RS-232、RS-485、Profibus等）將若干嵌入式儀器與PC相連，把PC作為網(wǎng)關(guān)，并由PC把該網(wǎng)絡(luò)上的信息轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，發(fā)送到Internet上實(shí)現(xiàn)信息共享，但必須要專門配一臺PC來進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換；
(3) 由8位單片機(jī)組成直接接入Internet的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化儀器，這種方案好處是可以利用以前的基于8位單片機(jī)的測量設(shè)備，通過外加網(wǎng)絡(luò)芯片，直接驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)接口芯片，但占用資源（ROM、RAM、CPU）較多，要求單片機(jī)具有足夠快的運(yùn)行速度。
2.4 支持網(wǎng)絡(luò)的接口芯片
3、 網(wǎng)絡(luò)化儀器的體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)
2.4 支持網(wǎng)絡(luò)的接口芯片
網(wǎng)絡(luò)接口芯片使用RELTEK公司的RTL8019AS，由于其優(yōu)良的性能、低廉的價(jià)格，是用來進(jìn)行以太網(wǎng)通訊的理想芯片。
(1) 主要性能
符合EthernetⅡ與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；為全雙工通信接口，收發(fā)可同時達(dá)到10Mbps的速率；內(nèi)置16K的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8條中斷申請線以及16個I/O基地址選擇；能完成物理幀的形成、編解碼、CRC的形成和校驗(yàn)、數(shù)據(jù)的收發(fā)等，可以通過交換機(jī)在雙絞線上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
(2) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
RTL8019AS內(nèi)部可分為遠(yuǎn)程DMA接口、本地DMA接口、MAC（介質(zhì)訪問控制）邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。遠(yuǎn)程DMA接口是指單片機(jī)對RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(yuǎn)程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。
(3) 內(nèi)部RAM地址空間分配
RTL8019AS內(nèi)部有兩塊RAM區(qū)。一塊16K字節(jié)，地址為0x4000~0x7fff；一塊32字節(jié)，地址為0x0000~0x001f。RAM按頁存儲，每256字節(jié)為一頁。一般將RAM的前12頁（即0x4000~0x4bff）存儲區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁（即0x4c00~0x7fff）存儲區(qū)作為接收緩沖區(qū)。第0頁地址為0x0000~0x001f，用于存儲以太網(wǎng)物理地址。
(4) I/O地址分配
RTL8019AS具有32位輸入輸出地址，地址偏移量為00H~1FH。其中00H~0FH共16個地址，為寄存器地址。寄存器分為4頁：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位來決定要訪問的頁。遠(yuǎn)程DMA地址包括10H~17H，都可以用來作遠(yuǎn)程DMA端口，只要用其中的一個就可以了。復(fù)位端口包括18H~1FH共8個地址，功能一樣，用于RTL8019AS復(fù)位。
3、 網(wǎng)絡(luò)化儀器的體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)
3.1 抽象模型
網(wǎng)絡(luò)化儀器是電工電子、計(jì)算機(jī)硬件軟件以及網(wǎng)絡(luò)、通信等多方面技術(shù)的有機(jī)組合體，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多采用體系結(jié)構(gòu)來表示其總體框架和系統(tǒng)特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)化儀器的體系結(jié)構(gòu)，包括基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件、應(yīng)用軟件和各種協(xié)議。圖1是網(wǎng)絡(luò)化儀器體系結(jié)構(gòu)的一個簡單模型，該模型將網(wǎng)絡(luò)化儀器劃分成若干邏輯層，可更本質(zhì)的反映網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)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(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流傳輸控制系統(tǒng)。硬件層功能的實(shí)現(xiàn)得益于嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和近年來大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流傳輸控制依靠FPGA/CPLD實(shí)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(luò)層、傳輸層和接口等組成。根據(jù)應(yīng)用的不同，本層的具體實(shí)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(shè)計(jì)方案
Internet或以太網(wǎng)通信的硬件設(shè)計(jì)方案有兩個。
(1) 以專用CPU作為控制器，使用C語言編程實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信。優(yōu)點(diǎn)是：專用CPU的處理能力較強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)測試儀器的其它功能。缺點(diǎn)是成本略高，硬件略復(fù)雜。
(2) 使用51系列單片機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。優(yōu)點(diǎn)是硬件比較簡單，價(jià)格低。缺點(diǎn)是軟件工作量大，難度也大。以單片機(jī)為核心、采用RTL8019以太網(wǎng)接口芯片為網(wǎng)絡(luò)儀器接口所組成的網(wǎng)絡(luò)化儀器的基本結(jié)構(gòu)。
3.3 協(xié)議和設(shè)計(jì)
4、 文章結(jié)語
3.3 協(xié)議和設(shè)計(jì)
系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，主要是對網(wǎng)絡(luò)接口芯片進(jìn)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(luò)接口芯片實(shí)現(xiàn)的，它能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)上的物理幀進(jìn)行包過濾。當(dāng)一個以太網(wǎng)站點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)將繼續(xù)讀入整個幀，并將它送給計(jì)算機(jī)正在運(yùn)行的上層網(wǎng)絡(luò)軟件。上層網(wǎng)絡(luò)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(dāng)其他的網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)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(shè)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(shè)置的協(xié)議類型來設(shè)置數(shù)據(jù)段。之后啟動遠(yuǎn)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(gòu)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(shè)計(jì)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(gòu)造端的數(shù)據(jù)包，交替使用。
4、 文章結(jié)語
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步和不斷拓展，21世紀(jì)的儀器概念將是一個開放的系統(tǒng)概念。以PC機(jī)和工作站為基礎(chǔ)，通過組建網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成實(shí)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(luò)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(jì)算機(jī)和現(xiàn)代儀器儀表已相互包容，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也就是通用的儀器網(wǎng)絡(luò)。如果在測控系統(tǒng)中由更多不同類型的智能設(shè)備也像計(jì)算機(jī)和工作站一樣成為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，它們充分利用目前已比較成熟的Internet網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，則將不僅能實(shí)現(xiàn)更多資源的共享、降低組建系統(tǒng)的費(fèi)用，還可提高測控系統(tǒng)的功能，并拓展其應(yīng)用的范圍。“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢。
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