具有网络架构的智能仪表

具有网络架构的智能仪表

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【摘要】：智能仪器是计算机技术与测试技术相结合的产物。 仪器包含具有强大处理能力的智能软件。 仪器不再简单…

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智能仪器是计算机技术与测试技术相结合的产物。 仪器包含具有强大处理能力的智能软件。 仪器不再是简单的硬件实体，而是硬件和软件的结合体。 近年来，智能仪器开始从相对成熟的数据处理向知识处理发展，使其功能向更高层次发展。

1 智能仪表的发展

20世纪90年代以来，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：

(2)小型化。 微电子技术、微机械技术、信息技术等的综合应用，使仪器成为小型、全功能的智能仪器，可以完成信号采集、处理、控制信号输出、放大以及与其他仪器接口等功能。 自动化技术、航空航天、军事、生物技术和医疗领域具有独特的作用。

(3)多功能性。 多功能本身就是智能仪器的一个特点。 例如，具有脉冲发生器、频率合成器、任意波形发生器等功能的函数发生器不仅在性能（如精度）上比专用脉冲发生器和频率合成器更高。 ，并为各种测试功能提供更好的解决方案。

(4)智能化。 现代检测和控制系统或多或少趋于智能化。 智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，使得检测或控制功能可以独立完成，无需人工干预。

(5)仪器虚拟化。 在虚拟现实系统中，数据分析和显示是通过PC软件完成的。 只要提供一定的附加数据采集硬件，就可以与PC机结合组成测量仪器。 这种基于PC的测量仪器称为虚拟仪器VI（Virtual Instrument）。 在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，应用不同的软件编程，可以获得功能完全不同的测量仪器。 “软件就是工具。” 软件系统作为虚拟仪器的核心，具有通用性、普及性、可视性、可扩展性和可升级性，代表了当今仪器发展的新方向。

(6)仪表系统联网。 一般的智能仪器都具有双向通信功能，但这种双向通信功能离真正的网络通信还很远。 随着网络技术的快速发展，互联网技术使仪器仪表在智能化的基础上实现网络化，使现场测控参数就近网络访问，并具备必要的信息处理功能。

2 联网仪器的功能要求及技术支持

2.1 支持远程测控需求

网络化仪表，如现场总线智能仪表，是适合用于远程测量和控制的仪表。 它们是仪器仪表测控技术、现代计算机技术、网络通信技术和微电子技术深度融合的结果。 联网设备可以像普通仪器一样按照设定的程序自动测量、控制、存储和显示测量结果和控制状态。 它还具有重要的网络应用功能。 授权仪器用户可以通过互联网远程控制物理量。 对仪器进行功能操作，获取测量结果，实时监控仪器，设置参数和诊断故障，并控制其在互联网上动态发布信息。 就像计算机一样，它们已经成为网络中的独立节点。 它们可以方便地直接连接到附近的网络通信电缆，并且“即插即用”，直接将现场测试数据发送到互联网； 用户可以使用浏览器或符合标准的应用程序可以实时浏览这些信息（包括处理后的数据、仪表板图像等）。

2.2 联网仪器的特点

基于互联网的测控系统中的前端模块不仅完成信号的采集和控制，还兼顾信号的分析和传输，因为它有强大的微处理器和嵌入式操作系统的支持。 在该平台上，用户可以方便地添加和删除各种测量功能模块以及选择不同的网络传输方式。 其次，基于互联网的测控系统最显着的特点是信号传输方式的改变。 基于互联网的测控系统的测控信号传输是建立在公共互联网上的。 通过前端嵌入式模块，使系统测量数据的安全有效传输成为可能。 此外，基于互联网的测控系统也极大地提高了测量结果的表达和输出。 一方面，无论用户身在何处，都可以通过客户端轻松浏览各种实时数据，了解设备当前状态。 另一方面，在客户的控制中心，可以调用智能软件和数据库系统对测量结果进行分析，为用户发出控制指令或做出决策提供帮助。

2.3 访问互联网或以太网的方法

网络化仪器仪表的设计方法是将嵌入式系统嵌入到仪器仪表中，并使其成为测量和控制的核心。 一般来说，嵌入式仪器连接互联网或以太网，成为网络仪器有以下三种方式：

(1)嵌入式仪器由32位高端MCU组成。 由于有足够的资源可供扩展和利用，整个TCP/IP协议族都可以集成到系统中，因此可以成为直接连接互联网的网络仪器，但开发难度较大；

(2)对于低端8位计算机组成的嵌入式仪表，采用专用网络(如RS-232、RS-485、Profibus等)将多台嵌入式仪表连接到PC上，将PC作为网关，利用PC机连接网络，将互联网上的信息转换为TCP/IP协议数据包发送到互联网上进行信息共享，但PC机必须专门配备协议转换；

(3)由8位微控制器组成的直接连接互联网的嵌入式网络仪器。 该方案的优点是可以利用之前基于8位微控制器的测量设备，通过添加外部网络芯片来直接驱动网络接口芯片，但比较占用资源。 有很多（ROM、RAM、CPU），这就要求单片机有足够快的运行速度。

2.4 支持网络的接口芯片

网络接口芯片采用RELTEK公司的RTL8019AS。 由于其优异的性能和低廉的价格，是以太网通信的理想芯片。

（一）主要性能

符合EthernetⅡ和IEEE802.3标准； 是全双工通信接口，发送和接收同时可以达到10Mbps的速率； 内置16K SRAM，用于发送和接收缓冲，降低对主处理器的速度要求； 支持8/16位数据总线、8条中断申请线和16个I/O基址选择； 可以完成物理帧的形成、编码和解码、CRC形成和验证、数据发送和接收等，并且可以通过交换机在双绞线上同时发送和接收数据。

(2)内部结构

RTL8019AS内部可分为远程DMA接口、本地DMA接口、MAC（媒体访问控制）逻辑、数据编解码逻辑等端口。 远程DMA接口是指单片机读写RTL8019AS内部RAM所使用的总线，即ISA总线的接口部分。 微控制器只需执行远程DMA操作即可发送和接收数据。 本地DMA接口是RTL8019AS与网线之间的连接通道，完成控制器与网线之间的数据交换。

(3)内部RAM地址空间分配

RTL8019AS内部有两个RAM区域。 16K字节的块，地址为0x4000~0x7fff； 32字节的块，地址为0x0000~0x001f。 RAM 以页为单位存储，每 256 字节为一页。 一般情况下，RAM的前12页（即0x4000~0x4bff）存储区域作为发送缓冲区； 最后52页（即0x4c00~0x7fff）存储区域用作接收缓冲区。 第0页的地址为0x0000~0x001f，用于存储以太网物理地址。

(4) I/O地址分配

RTL8019AS具有32位输入输出地址，地址偏移为00H~1FH。 其中00H~0FH共16个地址，为寄存器地址。 该寄存器分为4页：PAGE0、PAGE1、PAGE2和PAGE3。 访问的页由RTL8019AS的CR（命令寄存器）中的PS1和PS0位决定。 远程DMA地址包括10H~17H，可作为远程DMA端口。 只需使用其中之一即可。 复位口共8个地址18H~1FH，功能相同，用于RTL8019AS复位。

3 联网仪器的架构与实现

3.1 抽象模型

网络化仪表是电气电子、计算机软硬件、网络、通信等技术的有机结合。 结构相对复杂，常用架构来表示其整体框架和系统特性。 网络化仪器的体系结构包括基本网络系统硬件、应用软件和各种协议。 图 1 是网络仪器架构的简单模型。 该模型将联网仪器划分为若干逻辑层，更能本质地反映联网仪器信息采集、存储、传输和分析处理的原理特征。 首先是硬件。 该层主要是指遥感器信号采集单元，包括微处理器系统、信号采集系统、硬件协议转换和数据流传输控制系统。 硬件层功能的实现得益于近年来嵌入式系统的技术进步和大规模集成电路技术的发展。 硬件协议转换和数据流传输控制依靠FPGA/CPLD。

另一个逻辑层是嵌入式操作系统内核。 该层的主要功能是为控制信号采集和数据流传输提供平台。 平台前端模块单元主要资源包括处理器、存储器、信号采集单元和信息； 主要功能是合理分配和控制处理器，控制信号采集单元使其正常工作，保证数据流的有效传输。 该逻辑层主要由链路层、网络层、传输层和接口组成。 根据应用的不同，该层的具体实现可能有所不同，在某些流程上可以进行简化。

3.2 外围硬件设计方案

有两种用于互联网或以太网通信的硬件设计选项。

(1) 采用专用CPU作为控制器，采用C语言编程实现TCP/IP通信。 优点是专用CPU处理能力强，可以轻松实现测试仪器的其他功能。 缺点是成本稍高，硬件稍复杂。 (2)采用51系列单片机作为控制器的CPU，不使用嵌入式操作系统，直接用C51编程实现数据链路层协议和TCP/IP协议。 优点是硬件比较简单，价格较低。 缺点是软件工作量大、难度大。 以单片机为核心、采用RTL8019以太网接口芯片作为网络仪器接口组成的网络仪器的基本结构如图2所示。

3.3 协议和设计

系统进行初始化操作，主要是配置网络接口芯片。 配置完成后，系统处于等待状态，直到客户端发送数据。 数据通过网络接口芯片接收，网络接口芯片可以对网络上的物理帧进行包过滤。 当来自以太网站点的信息帧发送到共享信令通道或介质时，连接到该通道的所有以太网接口都会读取该帧并查看该帧的第一个 48 位地址字段，其中包含目标地址。 。 每个接口将帧的目标地址与其自己的 48 位地址进行比较。 如果这个地址与帧的目的地址相同，以太网站点将继续读取整个帧并将其发送到计算机上运行的上层网络软件。 上层网络软件读取帧的类型字段，判断该信息帧是ARP报文还是IP报文，然后交给不同的协议栈进行处理。 当其他网络接口发现目标地址与自己的不同时，它们会停止读取该帧。

发送数据时，将要发送的数据封装成帧格式，通过远程DMA通道发送到RTL8019AS中的发送缓冲区，然后发出传输命令，完成帧的发送。 需要设置以太网目的地址、以太网源地址和协议类型，然后根据设置的协议类型设置数据段。 然后启动远程DMA，将数据写入RTL8019AS的RAM中，然后启动本地DMA将数据发送到互联网上。 RTL8019AS 无法通过 DMA 通道将数据包一次性存储到 FIFO 中，因此必须等待前一个数据包发送完毕后才能形成新的数据包。 为了提高发送效率，设计将12页发送缓冲区划分为两个6页发送缓冲区，一个用于数据包发送，另一个用于构造数据包，交替使用。

4。结论

随着计算机技术和网络技术的进步和不断扩展，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，构建网络形成实用的测控系统，提高生产效率、共享信息资源已成为现代仪器仪表的发展方向。 网络化仪器的概念是对传统测量仪器概念的突破。 从某种意义上说，计算机和现代仪器仪表是相互包容的，计算机网络也是通用仪器网络。 如果测控系统中更多不同类型的智能设备成为像计算机、工作站一样的网络节点，接入网络，充分利用目前相对成熟的Internet网络的设备，不仅能够共享更多资源，降低系统建设成本，完善测控系统功能，扩大其应用范围。 “网络就是仪器”的理念准确勾勒出仪器联网的发展趋势。