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網絡化儀表未來的功能發(fā)展趨勢
日期：2025-07-02 03:34
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摘要：
網絡化儀表未來的功能發(fā)展趨勢
導讀： 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。
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(tài)；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(jiān)控、設置參數和故障診斷，控制其在Internet上動態(tài)發(fā)布信息。它們與計算機一樣，成了網絡中的獨立節(jié)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(guī)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）。
網絡化儀器的特點
基于Internet的測控系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)*為顯著的特點，是信號傳輸的方式發(fā)生了改變?；贗nternet的測控系統(tǒng)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(tǒng)的測量數據**有效的傳輸便成為可能。再有，基于Internet的測控系統(tǒng)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(tǒng)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。
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(tǒng)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：
?。?）由32位**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(tǒng)里去，因而可以成為直接接入Internet的網絡儀器，但開發(fā)難度大；
?。?）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(fā)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；
?。?）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。
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(yōu)良的性能、低廉的價格，是用來進行以太網通訊的理想芯片。
?。?）主要性能
符合EthernetⅡ與IEEE802.3標準；為全雙工通信接口，收發(fā)可同時達到10Mbps的速率；內置16K的SRAM，用于收發(fā)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(fā)等，可以通過交換機在雙絞線上同時發(fā)送和接收數據。
?。?）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(fā)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(qū)。一塊16K字節(jié)，地址為0x4000~0x7fff；一塊32字節(jié)，地址為0x0000~0x001f。RAM按頁存儲，每256字節(jié)為一頁。一般將RAM的前12頁（即0x4000~0x4bff）存儲區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁（即0x4c00~0x7fff）存儲區(qū)作為接收緩沖區(qū)。第0頁地址為0x0000~0x001f，用于存儲以太網物理地址。
?。?）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（CommandRegister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。
網絡化儀器的體系結構及實現
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(tǒng)特點。網絡化儀器的體系結構，包括基本網絡系統(tǒng)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
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(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、硬件協議轉換和數據流傳輸控制系統(tǒng)。硬件層功能的實現得益于嵌入式系統(tǒng)的技術進步和近年來大規(guī)模集成電路技術的發(fā)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(tǒng)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。
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。
?。?）以專用CPU作為控制器，使用C語言編程實現TCP/IP通信。優(yōu)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。
?。?）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(tǒng)，直接使用C51編程，實現數據鏈路層協議和TCP/IP協議。優(yōu)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。
協議和設計
系統(tǒng)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(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到客戶方有數據發(fā)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(fā)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，則該以太網站點將繼續(xù)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(fā)現目的地址與它們的地址不同時，就會停止讀入該幀。
發(fā)送數據時，將待發(fā)送的數據按幀格式封裝，通過遠程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(fā)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(fā)送完成。為提高發(fā)送效率，設計將12頁的發(fā)送緩存區(qū)分為兩個6頁的發(fā)送緩沖區(qū)，一個用于數據包發(fā)送，另一個用于構造端的數據包，交替使用。
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(tǒng)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(tǒng)，提高生產效率和共享信息資源，已成為現代儀器儀表發(fā)展的方向。網絡化儀器的概念是對傳統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)的費用，還可提高測控系統(tǒng)的功能，并拓展其應用的范圍?！熬W絡就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網絡化發(fā)展趨勢。
導讀： 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。
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(tài)；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(jiān)控、設置參數和故障診斷，控制其在Internet上動態(tài)發(fā)布信息。它們與計算機一樣，成了網絡中的獨立節(jié)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(guī)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）。
網絡化儀器的特點
基于Internet的測控系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)*為顯著的特點，是信號傳輸的方式發(fā)生了改變?；贗nternet的測控系統(tǒng)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(tǒng)的測量數據**有效的傳輸便成為可能。再有，基于Internet的測控系統(tǒng)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(tǒng)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。
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(tǒng)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：
?。?）由32位**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(tǒng)里去，因而可以成為直接接入Internet的網絡儀器，但開發(fā)難度大；
?。?）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(fā)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；
?。?）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。
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(yōu)良的性能、低廉的價格，是用來進行以太網通訊的理想芯片。
?。?）主要性能
符合EthernetⅡ與IEEE802.3標準；為全雙工通信接口，收發(fā)可同時達到10Mbps的速率；內置16K的SRAM，用于收發(fā)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(fā)等，可以通過交換機在雙絞線上同時發(fā)送和接收數據。
?。?）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(fā)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(qū)。一塊16K字節(jié)，地址為0x4000~0x7fff；一塊32字節(jié)，地址為0x0000~0x001f。RAM按頁存儲，每256字節(jié)為一頁。一般將RAM的前12頁（即0x4000~0x4bff）存儲區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁（即0x4c00~0x7fff）存儲區(qū)作為接收緩沖區(qū)。第0頁地址為0x0000~0x001f，用于存儲以太網物理地址。
?。?）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（CommandRegister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。
網絡化儀器的體系結構及實現
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(tǒng)特點。網絡化儀器的體系結構，包括基本網絡系統(tǒng)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
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(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、硬件協議轉換和數據流傳輸控制系統(tǒng)。硬件層功能的實現得益于嵌入式系統(tǒng)的技術進步和近年來大規(guī)模集成電路技術的發(fā)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(tǒng)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。
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。
?。?）以專用CPU作為控制器，使用C語言編程實現TCP/IP通信。優(yōu)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。
?。?）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(tǒng)，直接使用C51編程，實現數據鏈路層協議和TCP/IP協議。優(yōu)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。
協議和設計
系統(tǒng)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(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到客戶方有數據發(fā)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(fā)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，則該以太網站點將繼續(xù)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(fā)現目的地址與它們的地址不同時，就會停止讀入該幀。
發(fā)送數據時，將待發(fā)送的數據按幀格式封裝，通過遠程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(fā)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(fā)送完成。為提高發(fā)送效率，設計將12頁的發(fā)送緩存區(qū)分為兩個6頁的發(fā)送緩沖區(qū)，一個用于數據包發(fā)送，另一個用于構造端的數據包，交替使用。
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(tǒng)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(tǒng)，提高生產效率和共享信息資源，已成為現代儀器儀表發(fā)展的方向。網絡化儀器的概念是對傳統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)的費用，還可提高測控系統(tǒng)的功能，并拓展其應用的范圍?！熬W絡就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網絡化發(fā)展趨勢。