摘 要 着重于讨论仪器内部、仪器之间网络化通信的方式。研究在不同的通信协议之间,如何提高通信网络的服务质量。
0 引 言
21世纪计算机网络的快速发展,为其它领域带来了深远的影响。计算机网络技术与仪器设备的有机结合,为仪器的发展提供了前所未有的平台和空间,使得仪器的性能得到了很大的提升。
仪器内部的网络化使得仪器可以根据实际应用的需要进行各个模块的定制和升级;仪器之间通过前端技术接入网络,可以进行可靠的、实时的、安全的信息交换和处理,从而实现设备资源和数据资源的共享、监控和错误处理。
通常传统的仪器的内部是根据相应功能划分模块,例如数据采集模块、温度控制模块、样品分析模块。不同模块的分离与相互组合,有利于仪器个性化配置。但是拆分之后的系统整合,独立模块之间如何建立可靠的通信网络,成为技术上的关键问题。仪器之间、仪器与计算机之间如何来实现无缝的连接,以及不同的协议之间如何进行可靠的映射,也成为研究的热点问题。
1 仪器网络系统的构建
仪器网络系统的构建可分为仪器内部网络的构建和仪器外部网络的构建。仪器内部网络构建的目的为实现仪器内部功能模块之间的互联和资源共享以及分布数据的处理,提高内部源的利用率。内部的网络化,必然会导致系统的模块化,系统的模块化方便系统根据需要进行资源的整合。
仪器内部根据功能进行模块化设计的优点: (1)同类模块相对集中,便于可靠性设计。(2)不同模块的分离减少了系统功能的相互依赖关系,使得部分功能模块崩溃时,不会影响其它模块的正常运行。(3)有利于系统的动态组合,增加了系统的灵活性和适应性。(4)通过接入外部网络,可以在计算机上重建内部数据,重现内部网络。
仪器外部网络化的优点: (1)方便通过远程监控设备的正常运行。(2)接入以太网后,通过网络可以对设备进行故障诊断,以及仪器内部固件程序升级。智能网络系统的框架如图1所示。
仪器的网络协议可以分为:硬件协议和软件协议。硬件协议方式是接收和发送消息不通过软件直接进行消息的封装,这个过程直接由硬件完成。例如RS232、CAN总线等。软件协议的方式,通过软件来实现传输的可靠性、安全性控制,例如TCP/IP协议、USB协议。
在实现仪器的网络化时,必须要根据实际情况来选择硬件协议和软件协议。通常在构建内部网络时,从实时性和可靠性考虑,优先选择硬件协议。外部网络更多地考虑可靠性和安全 性,选择软件协议。
2 仪器内部的网络
仪器中的内部网络采用一个信道作为传输媒体,仪器内部的功能模块,例如温度控制模块、检测器模块、进样器模块等,都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上。在仪器内部组网会采用硬件协议,因为过于复杂的软件协议会增加系统的开销,降低了内部网络数据传输的实时性。
现场总线是应用在生产最底层的一种总线拓扑网络,是用于现场控制系统的直接与所有控制节点串行相连的通信网络,属于硬件协议。
传统的分析仪通常采用RS485,但是RS485总线构成的网络在通信中的不足之处是其设备间的相互通信,需经过“主”设备中转才能实现。由于在这种网络中只允许存在一个主设备,其余全部是从设备,因而存在通信的吞吐量较低、实时性较差、从机的系统开销大且从机间通信难度大等缺点。然而现场总线是多“主”方式,属于硬件协议,相对而言实时性较好。
CAN总线构建仪器内部网络的优点: (1)是串行多主站控制器局域网总线,其安全性、可靠性较高,实时性很强。(2)对报文进行不同的优先权分级可以满足仪器的不同功能模块的实时性的需要。(3)采用非破坏性总线仲裁技术,使得在网络负载严重的情况下也不会出现网络的瘫痪。(4)方便功能模块接入网路,便于系统根据需要进行配置。(5)在直接通信距离方面,现场总线很适合仪器内部短距离的通信。
2. 1 仪器内部CAN网络的实现
仪器内部网络前端接口芯片,选用Silicon Labs C8051F040,采用的是Bosch CAN2. 0 B协议。C8051F040内部集成CAN控制器。CAN采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access withCollision Detect)。利用CSMA访问总线,可以对总线上的信号进行检测,只有当总线处于空闲状态时,才允许发送。当总线上有多个节点同时进行发送时,必须通过无损的逐位仲裁技术选择出具有最高优先权的报文发送。每条报文都有11位ID(标准帧)或者29位ID(扩展帧),对ID值设置大小决定了报文的优先级大小,全零ID的报文优先级最高。
CAN的报文传输可以分为四种帧。(1)数据帧:数据帧将数据从发送器传输到接收器。(2)远程帧:总线发送远程帧,请求发送具有同一识别符的数据帧。(3)错误帧:任何单元检测到错误就会发出错误帧。(4)过载帧:过载帧用于在先行的和后续的数据帧(远程帧)之间提供附近延时。
为了保证数据接收的实时性,采用中断接收。接收和发送实现的流程如图2所示。
2. 2 仪器内部CAN网络的软件协议
硬件协议只是为了保证数据实时可靠地传输,但是在实际应用中更重要的是去分析和解析数据。仪器内部CAN网络的软件协议,使用简单的指令实现强大的功能,是重构仪器很重要的步骤。仪器内部需要根据自己的要求去定义仪器内部通信协议。在CAN内部传输的数据帧分为仪器的命令帧和仪器的数据帧。仪器的命令帧是由信头+地址+命令字+16位求和校验码+信尾标志组成。仪器的数据帧是由信头+地址+数据长度+16位求和校验码+信尾标志组成。
3 仪器外部的网络化
传统仪器外部网络通常是利用RS232与计算机连接,然后计算机再与以太网连接,通过这种方式进行信息的传输(如图3所示)。但是由于计算机的接口资源有限,而且在很多便携式移动计算机上没有提供RS232接口,从而很大程度上限制了仪器网络化的发展。
现代仪器接入网络的方式很多,但是在实际应用中采用TCP/IP协议。仪器外部的网络化首先要考虑以下几个问题: (1)仪器内部网与外部网络可靠的透明的映射问题。(2)外部网络数据传输的可靠性和完整性的问题。(3)外部网络传输的数据的安全性。(4)网络传输的性能,包括网络传输数据的等待时间,数据的传输速率,网络的系统总带宽,网关的延迟等等。(5)网络的可伸缩性。
在实际的应用中,内部协议和外部协议之间的可靠映射,通常会使用存储技术来解决内部网络传输速率和外部网络传输速率不匹配的问题。数据的可靠性和安全性都是通过软硬件来协同实现,例如采用硬件加密和软件加密相结合的方法。
3. 1 嵌入式TCP/IP协议
在计算机系统里,TCP/IP协议是几百种网络协议的集合,通用的计算机有足够的资源来支持通信协议在内核上的实现,但是嵌入式系统的CPU的处理能力和系统的存储能力与通用的计算机是无法匹敌的。如何充分地利用单片机系统的有限资源,提高系统性价比,保障剪裁后的系统的可靠性、完备性、安全性、一致性以及可以恢复性是开发嵌入式网络的首要问题。精简的TCP/IP协议分层结构如图4所示。
以下简单地介绍嵌入式TCP/IP协议的剪裁与功能模块的实现。
(1) ARP协议。地址解析协议,主要负责将32位的IP地址映射为48位的物理地址。(2) IP协议。网际协议是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据包格式传输。(3) ICMP协议。网际控制消息协议,用来实现检测目的站的可达性和状态的功能,给客户端提供一个检测网络状态的手段。(4)UDP协议。面向无连接的协议提供不可靠的快速连接,在协议栈中实现这一功能主要是满足协议栈用在工业以太网时的需求。局域网内通信不像跨路由器的远程通信,网络环境良好,丢包现象较少发生。可靠性问题可以由UDP协议之上的应用层软件来保证。(5)TCP协议。面向连接的协议提供一种可靠的数据通信。无论哪一方向另一方发送数据之前,都必须在双方之间建立一条连接。
3. 2 嵌入式TCP/IP协议的实现
仪器的外部接口的芯片使用Silicon Labs的CP2200芯片。CP2200/1是集成了IEEE 802. 3以太网媒体访问控制器(MAC)、10Base-T物理层(PHY)和8KB非易失性FLASH存储器的单芯片以太网控制器。
CP2200/1可以为具有11个以上端口I/O引脚的任何微控制器或主处理器增加以太网通信功能。8位并行总线接口支持Intel和Motorola总线方式,可以使用复用或非复用方式寻址。28脚QFN器件只支持复用方式寻址。有方式选择引脚,用于配置总线接口方式。
片内FLASH存储器可用于存储用户常数、Web服务器内容或作为通用非易失性存储器。FLASH存储器的最后6个存储单元已在出厂前被预先写入了一个唯一的48位MAC地址。在单片机的单任务执行方式中采用基于事件驱动机制的TCP/IP协议的实现方法。系统初始化完成后,进入事件循环体,不断查询C8051F040的事件队列是否有事件。一旦事件队列非空,则读取事件标志字,判断事件类型,而后调用对应事件处理子程序。处理子程序执行完毕后,仍然返回到事件循环体中。程序框图如图5所示。
4 结 论
仪器的内部和外部的网络化是仪器发展的趋势,选择合适的通信协议尤为关键。在实际的应用中,不仅要考虑所选择的协议,还要考虑在协议的应用层之上,自己根据需要定义通信协议。
参 考 文 献
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