網(wǎng)絡(luò)化智能儀器的體系結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案

智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)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(jiǎn)單的硬件實(shí)體，而是硬件、軟件相結(jié)合。近年來(lái)，智能儀器已開(kāi)始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識(shí)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(lái)，儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(2) 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(hào)的采集、處理、控制信號(hào)的輸出、放大、與其它儀器的接口等功能，在自動(dòng)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。

(3) 多功能化。多功能本身就是智能儀器儀表的一個(gè)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(zhuān)用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測(cè)試功能上提供了較好的解決方案。

(4) 智能化?，F(xiàn)代檢測(cè)與控制系統(tǒng)，或多或少的趨向于智能化這個(gè)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(wú)需人的干預(yù)而自主地完成檢測(cè)或控制功能。

(5)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(lái)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(cè)量?jī)x器。這種基于PC機(jī)的測(cè)量?jī)x器稱(chēng)為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)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(cè)量?jī)x器?！败浖褪莾x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(jí)性，代表著當(dāng)今儀器發(fā)展的新方向。

(6) 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(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)控需求

網(wǎng)絡(luò)化儀器，如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表，是適合在遠(yuǎn)程測(cè)控中使用的儀器，是儀器測(cè)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(dòng)測(cè)量、控制、存儲(chǔ)和顯示測(cè)量結(jié)果及控制狀態(tài)；同時(shí)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(guò)Internet可以遠(yuǎn)程對(duì)儀器進(jìn)行功能操作、獲取測(cè)量結(jié)果并對(duì)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)置參數(shù)和故障診斷，控制其在Internet上動(dòng)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(xiàn)纜直接連接，而且“即插即用”，直接將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)送上網(wǎng)；用戶(hù)通過(guò)瀏覽器或符合規(guī)范的應(yīng)用程序即可實(shí)時(shí)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(cè)控系統(tǒng)中前端模塊不僅完成信號(hào)的采集和控制，還兼顧實(shí)施對(duì)信號(hào)的分析與傳輸，因?yàn)樗砸粋€(gè)功能強(qiáng)大的微處理器和一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)為支撐。在這個(gè)平臺(tái)上，使用者可以很方便地實(shí)現(xiàn)各種測(cè)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(cè)控系統(tǒng)最為顯著的特點(diǎn)，是信號(hào)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)生了改變?；贗nternet的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)測(cè)量、控制信號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)安全有效的傳輸便成為可能。再有，基于Internet的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)測(cè)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(guò)客戶(hù)機(jī)方便地瀏覽到各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解設(shè)備現(xiàn)在的工作情況；另一方面，在客戶(hù)端的控制中心，所擁有的智能化軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)都可被調(diào)用來(lái)對(duì)測(cè)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(cè)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(gè)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(kāi)發(fā)難度大；

(2) 對(duì)于低檔8位機(jī)組成的嵌入式儀器，采用專(zhuān)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T(mén)CP/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(zhuān)門(mén)配一臺(tái)PC來(lái)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(cè)量設(shè)備，通過(guò)外加網(wǎng)絡(luò)芯片，直接驅(qū)動(dòng)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

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(lái)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(shí)達(dá)到10Mbps的速率；內(nèi)置16K的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的速度要求；支持8/16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，8條中斷申請(qǐng)線(xiàn)以及16個(gè)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(guò)交換機(jī)在雙絞線(xiàn)上同時(shí)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(fǎng)問(wèn)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(duì)RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫(xiě)的總線(xiàn)，即ISA總線(xiàn)的接口部分。單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網(wǎng)線(xiàn)的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線(xiàn)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(yè)存儲(chǔ)，每256字節(jié)為一頁(yè)。一般將RAM的前12頁(yè)（即0x4000~0x4bff）存儲(chǔ)區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁(yè)（即0x4c00~0x7fff）存儲(chǔ)區(qū)作為接收緩沖區(qū)。第0頁(yè)地址為0x0000~0x001f，用于存儲(chǔ)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(gè)地址，為寄存器地址。寄存器分為4頁(yè)：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位來(lái)決定要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)。遠(yuǎn)程DMA地址包括10H~17H，都可以用來(lái)作遠(yuǎn)程DMA端口，只要用其中的一個(gè)就可以了。復(fù)位端口包括18H~1FH共8個(gè)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(lái)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。網(wǎng)絡(luò)化儀器體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)簡(jiǎn)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(chǔ)、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(hào)采集單元，包括微處理器系統(tǒng)、信號(hào)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(lái)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(gè)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(gè)控制信號(hào)采集和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠脚_(tái)。該平臺(tái)的前端模塊單元的主要資源有處理器、存儲(chǔ)器、信號(hào)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(hào)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(jiǎn)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(gè)。

(1) 以專(zhuān)用CPU作為控制器，使用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信。優(yōu)點(diǎn)是：專(zhuān)用CPU的處理能力較強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)測(cè)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(jiǎn)單，價(jià)格低。缺點(diǎn)是軟件工作量大，難度也大。網(wǎng)絡(luò)化儀器的基本結(jié)構(gòu)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。

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(duì)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(hù)方有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)。數(shù)據(jù)的接收是通過(guò)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*濾。當(dāng)一個(gè)以太網(wǎng)站點(diǎn)的信息幀被發(fā)送到共享的信號(hào)信道或介質(zhì)時(shí)，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(gè)48bit地址字段，其中包含有目的地址。各個(gè)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(gè)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(lèi)型字段，判斷這個(gè)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(shí)，就會(huì)停止讀入該幀。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式封裝，通過(guò)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(lèi)型，再按所設(shè)置的協(xié)議類(lèi)型來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)段。之后啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA，數(shù)據(jù)寫(xiě)入RTL8019AS的RAM，再啟動(dòng)本地DMA，將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上。RTL8019AS無(wú)法將數(shù)據(jù)包通過(guò)DMA通道一次存入FIFO，則在構(gòu)成一個(gè)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(yè)的發(fā)送緩存區(qū)分為兩個(gè)6頁(yè)的發(fā)送緩沖區(qū)，一個(gè)用于數(shù)據(jù)包發(fā)送，另一個(gè)用于構(gòu)造端的數(shù)據(jù)包，交替使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)概念。以PC機(jī)和工作站為基礎(chǔ)，通過(guò)組建網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)成實(shí)用的測(cè)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(duì)傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器概念的突破。從某種意義上說(shuō)，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(cè)控系統(tǒng)中由更多不同類(lèi)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(cè)控系統(tǒng)的功能，并拓展其應(yīng)用的范圍?！熬W(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(shì)。