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�SF6微水仪】智能仪器的网络化体系结构�特点
时间: 2018-12-21 12:42 ��: 未知 作者: 科新电力 点击: 次
 智能仪器是计算机技术与测试技术相结�的产物,仪器内部带有处�能力很强的智能软件。仪器仪表已��是简�的硬件实体,而是硬件�软件相结�。近年�,智能仪器已开始从较为�熟的数�处��知识处��展,使其功能�更高层次�展。
1�智能仪器的�展
  20世纪90年代以�,仪器仪表的智能化�出表现在以下几个方�:
  (1) 微型化。微电�技术�微机械技术�信�技术等的综�应用使得仪器�为体积��功能�全的智能仪器,能够完�信�的采集�处��控制信�的输出�放大�与其它仪器的接�等功能,在自动化技术�航天�军事�生物技术�医疗领域有�独特的作用。
  (2) 多功能化。多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点,例如具有脉冲�生器�频率��器和任�波形�生器等功能的函数�生器,�但性能上(如准确度)比专用脉冲�生器和频率��器高,而且在��测试功能上�供了较好的解决方案。
  (3) 智能化。现代检测与控制系统,或多或少的趋�于智能化这个特点。智能仪器的进一步�展将�有一定的人工智能,这样就�无需人的干预而自主地完�检测或控制功能。
  (4)仪器虚拟化。在虚拟现实系统中,数æ�®åˆ†æž�和显示用PC机的软件æ�¥å®Œæˆ�,å�ªè¦�é¢�外æ��供一定的数æ�®é‡‡é›†ç¡¬ä»¶ï¼Œå°±å�¯ä»¥ä¸ŽPC机组æˆ�测é‡�仪器。这ç§�基于PC机的测é‡�仪器称为虚拟仪器VI(Virtual Instrument)。在虚拟仪器中,使用å�Œä¸€ä¸ªç¡¬ä»¶ç³»ç»Ÿï¼Œå�ªè¦�应用ä¸�å�Œçš„软件编程,就å�¯å¾—到功能完全ä¸�å�Œçš„æµ‹é‡�仪器。“软件就是仪器”。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性ã€�通俗性ã€�å�¯è§†æ€§ã€�å�¯æ‰©å±•性和å�‡çº§æ€§ï¼Œä»£è¡¨ç�€å½“今仪器å�‘展的新方å�‘。
  (5) 仪器仪表系统的网络化。一般的智能仪器仪表都具有��通信功能,但这���通信功能离真正�义上的网络通信还有�离。伴��网络技术的飞速�展,Internet技术使仪器仪表在实现智能化的基础上�时实现网络化,使现场测控��就近登临网络,并具备必�的信�处�功能。

2 �网络化仪器的功能需求和技术支�
  2.1 支�远程测控需求
  网络化仪器,如现场总线智能仪表,是适å�ˆåœ¨è¿œç¨‹æµ‹æŽ§ä¸­ä½¿ç”¨çš„仪器,是仪器测控技术ã€�现代计算机技术ã€�网络通信技术与微电å­�技术深度èž�å�ˆçš„结果。网络化设备既å�¯ä»¥åƒ�普通仪器那样按设定程åº�对相关物ç�†é‡�进行自动测é‡�ã€�控制ã€�存储和显示测é‡�结果å�ŠæŽ§åˆ¶çŠ¶æ€�ï¼›å�Œæ—¶å…·æœ‰é‡�è¦�的网络应用特å¾�,ç»�授æ�ƒçš„仪器使用者,通过Internetå�¯ä»¥è¿œç¨‹å¯¹ä»ªå™¨è¿›è¡ŒåŠŸèƒ½æ“�作ã€�获å�–测é‡�结果并对仪器实时监控ã€�设置å�‚数和故障诊断,控制其在Internet上动æ€�å�‘布信æ�¯ã€‚它们与计算机一样,æˆ�了网络中的独立节点,很方便地就能与就近的网络通信线缆直接连接,而且“å�³æ�’å�³ç”¨”,直接将现场测试数æ�®é€�上网;用户通过æµ�览器或符å�ˆè§„范的应用程åº�å�³å�¯å®žæ—¶æµ�览到这些信æ�¯(包括处ç�†å�Žçš„æ•°æ�®ã€�仪器仪表的é�¢æ�¿å›¾åƒ�ç­‰)。
  2.2 网络化仪器的特点
  基于Internet的测控系统中�端模��仅完�信�的采集和控制,还兼顾实施对信�的分�与传输,因为它以一个功能强大的微处�器和一个嵌入��作系统为支撑。在这个平�上,使用者�以很方便地实现��测�功能模�的添加�删除以���网络传输方�的选择。其次,基于Internet的测控系统最为显著的特点,是信�传输的方��生了改�。基于Internet的测控系统对测��控制信�等的传输,是建立在公共的Internet上的。有了�端嵌入�模�,系统的测�数�安全有效的传输便�为�能。�有,基于Internet的测控系统对测得结果的表达和输出也有了较大改进,一方�,�管身在何处,使用者都�通过客户机方便地�览到��实时数�,了解设备现在的工作情况;�一方�,在客户端的控制中心,所拥有的智能化软件和数�库系统都�被调用�对测得结果分�,以�为使用者下达控制指令或作决策�供帮助。
  2.3 接入Internet或以太网的方法
  网络化仪器仪表的设计方法,是把嵌入�系统嵌入到仪器仪表中,让其�为测�和控制的核心。通常,嵌入�仪器接入Internet或以太网�为网络仪器有三�方法:
  (1) 由32�高档MCU构�嵌入�仪器,因为有足够资��扩充利用,整个TCP/IP�议��以�到系统里去,因而�以�为直接接入Internet的网络仪器,但开�难度大;
  (2) 对于低档8�机组�的嵌入�仪器,采用专用网络(如RS-232�RS-485�Profibus等)将若干嵌入�仪器与PC相连,把PC作为网关,并由PC把该网络上的信�转�为TCP/IP�议数�包,��到Internet上实现信�共享,但必须�专门�一�PC�进行�议转�;
  (3) 由8��片机组�直接接入Internet的嵌入�网络化仪器,这�方案好处是�以利用以�的基于8��片机的测�设备,通过外加网络芯片,直接驱动网络接�芯片,但�用资�(ROM�RAM�CPU)较多,�求�片机具有足够快的�行速度。
 2.4 支�网络的接�芯片
  网络接�芯片使用RELTEK公�的RTL8019AS,由于其优良的性能�低廉的价格,是用�进行以太网通讯的�想芯片。
  (1) 主�性能
  符�EthernetⅡ与IEEE802.3标准;为全�工通信接�,收���时达到10Mbps的速率;内置16K的SRAM,用于收�缓冲,�低对主处�器的速度�求;支�8/16�数�总线,8�中断申请线以�16个I/O基地�选择;能完�物�帧的形��编解��CRC的形�和校验�数�的收�等,�以通过交�机在�绞线上�时��和接收数�。
  (2) 内部结构
  RTL8019AS内部�分为远程DMA接��本地DMA接��MAC(介质访问控制)逻辑�数�编�解�逻辑和其他端�。远程DMA接�是指�片机对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线,�ISA总线的接�部分。�片机收�数��需对远程DMA�作。本地DMA接�是RTL8019AS与网线的连接通�,完�控制器与网线的数�交�。
  (3) 内部RAM地�空间分�
  RTL8019AS内部有两�RAM区。一�16K字节,地�为0x4000~0x7fff;一�32字节,地�为0x0000~0x001f。RAM按页存储,�256字节为一页。一般将RAM的�12页(�0x4000~0x4bff)存储区作为��缓冲区;�52页(�0x4c00~0x7fff)存储区作为接收缓冲区。第0页地�为0x0000~0x001f,用于存储以太网物�地�。
  (4) I/O地�分�
  RTL8019AS具有32�输入输出地�,地��移�为00H~1FH。其中00H~0FH共16个地�,为寄存器地�。寄存器分为4页:PAGE0�PAGE1�PAGE2�PAGE3,由RTL8019AS的CR(Command Register命令寄存器)中的PS1�PS0��决定�访问的页。远程DMA地�包括10H~17H,都�以用�作远程DMA端�,��用其中的一个就�以了。��端�包括18H~1FH共8个地�,功能一样,用于RTL8019AS��。

3� 网络化仪器的体系结构�实现
  3.1 抽象模型
  网络化仪器是电工电��计算机硬件软件以�网络�通信等多方�技术的有机组�体,结构比较��,多采用体系结构�表示其总体框架和系统特点。网络化仪器的体系结构,包括基本网络系统硬件�应用软件和���议。图1是网络化仪器体系结构的一个简�模型,该模型将网络化仪器划分�若干逻辑层,�更本质的�映网络化仪器具有的信�采集�存储�传输和分�处�的原�特�
  首先是硬件层,主�指远端传感器信�采集�元,包括微处�器系统�信�采集系统�硬件�议转�和数��传输控制系统。硬件层功能的实现得益于嵌入�系统的技术进步和近年�大规模集�电路技术的�展,硬件�议转�和数��传输控制��FPGA/CPLD实现。
  �一个逻辑层是嵌入��作系统内核,该层的主�功能是�供一个控制信�采集和数��传输的平�。该平�的�端模��元的主�资�有处�器�存储器�信�采集�元和信�;主�功能是��分��控制处�器,控制信�的采集�元以使其正常工作,并��数��的有效传输。该逻辑层主�由链路层�网络层�传输层和接�等组�。根�应用的��,本层的具体实现方��能��,且�在一定程�上简化。
  3.2 外围硬件设计方案
  Internet或以太网通信的硬件设计方案有两个。
  (1) 以专用CPU作为控制器,使用C语言编程实现TCP/IP通信。优点是:专用CPU的处�能力较强,便于实现测试仪器的其它功能。缺点是�本略高,硬件略��。
  (2) 使用51系列�片机作为控制器的CPU,�采用嵌入��作系统,直接使用C51编程,实现数�链路层�议和TCP/IP�议。优点是硬件比较简�,价格低。缺点是软件工作�大,难度也大。以�片机为核心�采用RTL8019以太网接�芯片为网络仪器接�所组�的网络化仪器的基本结构。
  3.3 �议和设计
  系统进行�始化�作,主�是对网络接�芯片进行�置。�置完�,系统处于等待状�,直到客户方有数���过�。数�的接收是通过网络接�芯片实现的,它能够对网络上的物�帧进行包过滤。当一个以太网站点的信�帧被��到共享的信�信�或介质时,所有与信�相连的以太网接�都读入该帧,并且查看该帧的第一个48bit地�字段,其中包�有目的地�。�个接�把帧的目的地�与自己的48bit地�进行比较。如果该地�与帧的目的地�相�,则该以太网站点将继续读入整个帧,并将它�给计算机正在�行的上层网络软件。上层网络软件读入帧的类型字段,判断这个信�帧是ARP包还是IP包,然��交给��的�议栈处�。当其他的网络接��现目的地�与它们的地���时,就会�止读入该帧。
  ��数�时,将待��的数�按帧格��装,通过远程DMA通��到RTL8019AS中的��缓冲区,然��出传�命令,完�帧的��。需�设置以太网目的地��以太网�地���议类型,�按所设置的�议类型�设置数�段。之��动远程DMA,数�写入RTL8019AS的RAM,��动本地DMA,将数���到网上。RTL8019AS无法将数�包通过DMA通�一次存入FIFO,则在构�一个新的数�包之�必须先等待�一数�包��完�。为�高��效率,设计将12页的��缓存区分为两个6页的��缓冲区,一个用于数�包��,�一个用于构造端的数�包,交替使用。

4� 文章结语
  éš�ç�€è®¡ç®—机技术ã€�网络技术的进步和ä¸�断拓展,21世纪的仪器概念将是一个开放的系统概念。以PC机和工作站为基础,通过组建网络æ�¥æž„æˆ�实用的测控系统,æ��高生产效率和共享信æ�¯èµ„æº�,已æˆ�为现代仪器仪表å�‘展的方å�‘。网络化仪器的概念是对传统测é‡�仪器概念的çª�破。从æŸ�ç§�æ„�义上说,计算机和现代仪器仪表已相互包容,计算机网络也就是通用的仪器网络。如果在测控系统中由更多ä¸�å�Œç±»åž‹çš„æ™ºèƒ½è®¾å¤‡ä¹Ÿåƒ�计算机和工作站一样æˆ�为网络的节点è�”入网络,它们充分利用目å‰�已比较æˆ�熟的Internet网络的设备,则将ä¸�仅能实现更多资æº�的共享ã€�é™�低组建系统的费用,还å�¯æ��高测控系统的功能,并拓展其应用的范围。“网络就是仪器”的概念,确切的概述了仪器的网络化å�‘展趋势。

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