智能儀表的網絡化技術探討

摘要： 隨著科學技術的發展和實際應用需求，希望儀器儀表提供有信息的遠程網絡監控和參數的網絡測量等功能，以實現信息共享。本文針對以太網接入技術進行了探討和分析，給出了相關硬件和軟件的設計思路。
關鍵詞： 網絡化儀器，以太網接入，RTL8019AS

　　在當今信息化時代，各領域常以信息的獲取和利用為中心。在現代工業生產中，儀器儀表高度自動化和信息管理自動化，已大量涌現出以計算機為核心的信息處理與過程控制相結合的應用系統。伴隨著這種系統的發展，出現了智能儀器。
智能儀器是計算機技術與測試技術相結合的產物，儀器內部帶有處理能力很強的智能軟件。儀器儀表已不再是簡單的硬件實體，而是硬件、軟件相結合。近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數據處理向知識處理發展，使其功能向更高層次發展。
1 智能儀器的發展
20世紀90年代以來，儀器儀表的智能化突出表現在以下幾個方面：
(1) 綜合化。電子測量儀器、自動化儀表、自動化檢測系統、數據采集和控制系統過去分屬各學科領域，各自獨立發展。由于生產自動化的需求，它們在發展中相互靠近，功能相互覆蓋，差異縮小，體現為一種“信息流”綜合管理與控制系統。
(2) 微型化。微電子技術、微機械技術、信息技術等的綜合應用使得儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器，能夠完成信號的采集、處理、控制信號的輸出、放大、與其它儀器的接口等功能，在自動化技術、航天、軍事、生物技術、醫療領域有著獨特的作用。
(3) 多功能化。多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點，例如具有脈沖發生器、頻率合成器和任意波形發生器等功能的函數發生器，不但性能上(如準確度)比專用脈沖發生器和頻率合成器高，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。
(4) 智能化。現代檢測與控制系統，或多或少的趨向于智能化這個特點。智能儀器的進一步發展將含有一定的人工智能，這樣就可無需人的干預而自主地完成檢測或控制功能。
(5)儀器虛擬化。在虛擬現實系統中，數據分析和顯示用PC機的軟件來完成，只要額外提供一定的數據采集硬件，就可以與PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器稱為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統，只要應用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。“軟件就是儀器”。作為虛擬儀器核心的軟件系統具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性，代表著當今儀器發展的新方向。
(6) 儀器儀表系統的網絡化。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絡通信還有距離。伴隨著網絡技術的飛速發展，Internet技術使儀器儀表在實現智能化的基礎上同時實現網絡化，使現場測控參量就近登臨網絡，并具備必要的信息處理功能。
2 網絡化儀器的功能需求和技術支持
2.1 支持遠程測控需求
　　網絡化儀器，如現場總線智能儀表，是適合在遠程測控中使用的儀器，是儀器測控技術、現代計算機技術、網絡通信技術與微電子技術深度融合的結果。網絡化設備既可以像普通儀器那樣按設定程序對相關物理量進行自動測量、控制、存儲和顯示測量結果及控制狀態；同時具有重要的網絡應用特征，經授權的儀器使用者，通過Internet可以遠程對儀器進行功能操作、獲取測量結果并對儀器實時監控、設置參數和故障診斷，控制其在Internet上動態發布信息。它們與計算機一樣，成了網絡中的獨立節點，很方便地就能與就近的網絡通信線纜直接連接，而且“即插即用”，直接將現場測試數據送上網；用戶通過瀏覽器或符合規范的應用程序即可實時瀏覽到這些信息(包括處理后的數據、儀器儀表的面板圖像等)。
2.2 網絡化儀器的特點
　　基于Internet的測控系統中前端模塊不僅完成信號的采集和控制，還兼顧實施對信號的分析與傳輸，因為它以一個功能強大的微處理器和一個嵌入式操作系統為支撐。在這個平臺上，使用者可以很方便地實現各種測量功能模塊的添加、刪除以及不同網絡傳輸方式的選擇。其次，基于Internet的測控系統最為顯著的特點，是信號傳輸的方式發生了改變。基于Internet的測控系統對測量、控制信號等的傳輸，是建立在公共的Internet上的。有了前端嵌入式模塊，系統的測量數據安全有效的傳輸便成為可能。再有，基于Internet的測控系統對測得結果的表達和輸出也有了較大改進，一方面，不管身在何處，使用者都可通過客戶機方便地瀏覽到各種實時數據，了解設備現在的工作情況；另一方面，在客戶端的控制中心，所擁有的智能化軟件和數據庫系統都可被調用來對測得結果分析，以及為使用者下達控制指令或作決策提供幫助。
2.3 接入Internet或以太網的方法
　　網絡化儀器儀表的設計方法，是把嵌入式系統嵌入到儀器儀表中，讓其成為測量和控制的核心。通常，嵌入式儀器接入Internet或以太網成為網絡儀器有三種方法：
　　(1) 由32位高檔MCU構成嵌入式儀器，因為有足夠資源可擴充利用，整個TCP/IP協議族可以做到系統里去，因而可以成為直接接入Internet的網絡儀器，但開發難度大；
　　(2) 對于低檔8位機組成的嵌入式儀器，采用專用網絡（如RS-232、RS-485、Profibus等）將若干嵌入式儀器與PC相連，把PC作為網關，并由PC把該網絡上的信息轉換為TCP/IP協議數據包，發送到Internet上實現信息共享，但必須要專門配一臺PC來進行協議轉換；
　　(3) 由8位單片機組成直接接入Internet的嵌入式網絡化儀器，這種方案好處是可以利用以前的基于8位單片機的測量設備，通過外加網絡芯片，直接驅動網絡接口芯片，但占用資源（ROM、RAM、CPU）較多，要求單片機具有足夠快的運行速度。
2.4 支持網絡的接口芯片
　　網絡接口芯片使用RELTEK公司的RTL8019AS，由于其優良的性能、低廉的價格，是用來進行以太網通訊的理想芯片。
(1) 主要性能
　　符合EthernetⅡ與IEEE802.3標準；為全雙工通信接口，收發可同時達到10Mbps的速率；內置16K的SRAM，用于收發緩沖，降低對主處理器的速度要求；支持8/16位數據總線，8條中斷申請線以及16個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、數據的收發等，可以通過交換機在雙絞線上同時發送和接收數據。
(2) 內部結構
　　RTL8019AS內部可分為遠程DMA接口、本地DMA接口、MAC（介質訪問控制）邏輯、數據編碼解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內部RAM進行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。單片機收發數據只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網線的連接通道，完成控制器與網線的數據交換。
(3) 內部RAM地址空間分配
　　RTL8019AS內部有兩塊RAM區。一塊16K字節，地址為0x4000~0x7fff；一塊32字節，地址為0x0000~0x001f。RAM按頁存儲，每256字節為一頁。一般將RAM的前12頁（即0x4000~0x4bff）存儲區作為發送緩沖區；后52頁（即0x4c00~0x7fff）存儲區作為接收緩沖區。第0頁地址為0x0000~0x001f，用于存儲以太網物理地址。
(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個地址，為寄存器地址。寄存器分為4頁：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位來決定要訪問的頁。遠程DMA地址包括10H~17H，都可以用來作遠程DMA端口，只要用其中的一個就可以了。復位端口包括18H~1FH共8個地址，功能一樣，用于RTL8019AS復位。
3 網絡化儀器的體系結構及實現
3.1 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。


圖1 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。
3.2 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) 以專用CPU作為控制器，使用C語言編程實現TCP/IP通信。優點是：專用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。

圖2 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。
3.3 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。當一個以太網站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，并且查看該幀的第一個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，則該以太網站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。


圖3 各協議的層次關系
為了完成通信，軟件至少應支持ARP、ICMP、IP、UDP等標準協議，各協議的層次如圖3所示。其中8019初始化程序如下：
void init_8019(void) //初始化8019
{ UCHAR temp;
Delay1ms(10);
Rtl8019AS_Reset(); //復位8019
//R8019_CHIP_SELECT;
reg00=0x21; //使芯片處于停止模式,這時進行寄存器設置停止模式 //下,將不會發送和接收數據包
Delay1ms(10); //延時10毫秒,確保芯片進入停止模式
page(0);
reg0a=0x00; reg0b=0x00;
reg0c= 0xe0; //monitor mode (no packet receive)
reg0d= 0xe2; //loop back mode 使芯片處于mon和loopback模式, //跟外部網絡斷開
reg01=0x4c; reg02=0x80; reg03=0x4c; reg04=0x40;
reg07=0xff; //清除所有中斷標志位
reg0f=0x00; //disable all interrupt
reg0e=0xc8; //byte dma 8位dma方式
page(1);
Delay1ms(1);
reg07=0x4d;
temp=reg07;
reg08=0x00; reg09=0x00; reg0a=0x00; reg0b=0x00;
reg0c=0x00; reg0d=0x00; reg0e=0x00; reg0f=0x00;
reg00=0x22; //這時讓芯片開始工作
ReadRtl8019NodeID(); //讀出網卡的物理地址48位
WriteRtl8019NodeID(); //將網卡地址寫入到mar寄存器
page(0);
reg0c=0xcc; //將網卡設置成正常的模式,跟外部網絡連接
reg0d=0xe0;
reg00=0x22; //這時讓芯片開始工作
reg07=0xff; //清除所有中斷標志位
}
從設計的情況來看，硬件部分較容易實現，而軟件部分尤其是網絡協議的實現相對較難。
4 結束語
　　隨著計算機技術、網絡技術的進步和不斷拓展，21世紀的儀器概念將是一個開放的系統概念。以PC機和工作站為基礎，通過組建網絡來構成實用的測控系統，提高生產效率和共享信息資源，已成為現代儀器儀表發展的方向。網絡化儀器的概念是對傳統測量儀器概念的突破。從某種意義上說，計算機和現代儀器儀表已相互包容，計算機網絡也就是通用的儀器網絡。如果在測控系統中由更多不同類型的智能設備也像計算機和工作站一樣成為網絡的節點聯入網絡，它們充分利用目前已比較成熟的Internet網絡的設備，則將不僅能實現更多資源的共享、降低組建系統的費用，還可提高測控系統的功能，并拓展其應用的范圍。“網絡就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網絡化發展趨勢。
參考文獻
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作者簡介：
李 超，女，華東理工大學碩士研究生
姜 捷，女，華東理工大學副教授
凌志浩，男，華東理工大學教授