網絡化儀器的體系結構及實現

網絡化儀器的體系結構及實現
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特點。網絡化儀器的體系結構，包括基本網絡系統硬件、應用軟件和各種協議。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
網絡化儀器體系結構抽象模型
　　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、信號采集系統、硬件協議轉換和數據流傳輸控制系統。硬件層功能的實現得益于嵌入式系統的技術進步和近年來大規模集成電路技術的發展，硬件協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。
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CPU作為控制器，使用C語言編程實現TCP/IP通信。優點是：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。
網絡化儀器結構 
（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，直接使用C51編程，實現數據鏈路層協議和TCP/IP協議。優點是硬件比較簡單，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 協議和設計
　　系統進行初始化操作，主要是對網絡接口芯片進行配置。配置完后，系統處于等待狀態，直到客戶方有數據發送過來。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。當一個以太點的信息幀被發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*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，則該以太點將繼續讀入整個幀，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議棧處理。當其他的網絡接口發現目的地址與它們的地址不同時，就會停止讀入該幀。
　　發送數據時，將待發送的數據按幀格式封裝，通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩沖區，然后發出傳送命令，完成幀的發送。需要設置以太網目的地址、以太網源地址、協議類型，再按所設置的協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送完成。為提高發送效率，設計將12頁的發送緩存區分為兩個6頁的發送緩沖區，一個用于數據包發送，另一個用于構造端的數據包，交替使用。