智能仪器仪表的网络化体系结构及特点

2.4 支持网络的接口芯片

网络接口芯片使用RELTEK公司的RTL8019AS，由于其优良的性能、低廉的价格，是用来进行以太网通讯的理想芯片。

(1) 主要性能

符合EthernetⅡ与IEEE802.3标准；为全双工通信接口，收发可同时达到10Mbps的速率；内置16K的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；支持8/16位数据总线，8条中断申请线以及16个I/O基地址选择；能完成物理帧的形成、编解码、CRC的形成和校验、数据的收发等，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（介质访问控制）逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。远程DMA接口是指单片机对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线，即ISA总线的接口部分。单片机收发数据只需对远程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。

(3) 内部RAM地址空间分配

RTL8019AS内部有两块RAM区。一块16K字节，地址为0x4000~0x7fff；一块32字节，地址为0x0000~0x001f。RAM按页存储，每256字节为一页。一般将RAM的前12页（即0x4000~0x4bff）存储区作为发送缓冲区；后52页（即0x4c00~0x7fff）存储区作为接收缓冲区。第0页地址为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，地址偏移量为00H~1FH。其中00H~0FH共16个地址，为寄存器地址。寄存器分为4页：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位来决定要访问的页。远程DMA地址包括10H~17H，都可以用来作远程DMA端口，只要用其中的一个就可以了。复位端口包括18H~1FH共8个地址，功能一样，用于RTL8019AS复位。

3 网络化仪器的体系结构及实现

3.1 抽象模型

网络化仪器是电工电子、计算机硬件软件以及网络、通信等多方面技术的有机组合体，结构比较复杂，多采用体系结构来表示其总体框架和系统特点。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是网络化仪器体系结构的一个简单模型，该模型将网络化仪器划分成若干逻辑层，可更本质的反映网络化仪器具有的信息采集、存储、传输和分析处理的原理特征：

首先是硬件层，主要指远端传感器信号采集单元，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嵌入式系统的技术进步和近年来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实现。
另一个逻辑层是嵌入式操作系统内核，该层的主要功能是提供一个控制信号采集和数据流传输的平台。该平台的前端模块单元的主要资源有处理器、存储器、信号采集单元和信息；主要功能是合理分配、控制处理器，控制信号的采集单元以使其正常工作，并保证数据流的有效传输。该逻辑层主要由链路层、网络层、传输层和接口等组成。根据应用的不同，本层的具体实现方式可能不同，且可在一定程序上简化。

3.2 外围硬件设计方案

Internet或以太网通信的硬件设计方案有两个。

(1) 以专用CPU作为控制器，使用C语言编程实现TCP/IP通信。优点是：专用CPU的处理能力较强，便于实现测试仪器的其它功能。缺点是成本略高，硬件略复杂。

(2) 使用51系列单片机作为控制器的CPU，不采用嵌入式操作系统，直接使用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，价格低。缺点是软件工作量大，难度也大。以单片机为核心、采用RTL8019以太网接口芯片为网络仪器接口所组成的网络化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，主要是对网络接口芯片进行配置。配置完后，系统处于等待状态，直到客户方有数据发送过来。数据的接收是通过网络接口芯片实现的，它能够对网络上的物理帧进行包过滤。当一个以太网站点的信息帧被发送到共享的信号信道或介质时，所有与信道相连的以太网接口都读入该帧，并且查看该帧的第一个48bit地址字段，其中包含有目的地址。各个接口把帧的目的地址与自己的48bit地址进行比较。如果该地址与帧的目的地址相同，则该以太网站点将继续读入整个帧，并将它送给计算机正在运行的上层网络软件。上层网络软件读入帧的类型字段，判断这个信息帧是ARP包还是IP包，然后再交给不同的协议栈处理。当其他的网络接口发现目的地址与它们的地址不同时，就会停止读入该帧。

发送数据时，将待发送的数据按帧格式封装，通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓冲区，然后发出传送命令，完成帧的发送。需要设置以太网目的地址、以太网源地址、协议类型，再按所设置的协议类型来设置数据段。之后启动远程DMA，数据写入RTL8019AS的RAM，再启动本地DMA，将数据发送到网上。RTL8019AS无法将数据包通过DMA通道一次存入FIFO，则在构成一个新的数据包之前必须先等待前一数据包发送完成。为提高发送效率，设计将12页的发送缓存区分为两个6页的发送缓冲区，一个用于数据包发送，另一个用于构造端的数据包，交替使用。