基于嵌入式网络数据集中器的测控系统研究

针对RTU集中式数据测控的传统方式,提出了基于网络数据集中器NDCU的网络化测控系统。由嵌入式586PC机等组成的NDCU具有多种接口,支持MAC、TCP/IP等协议规范,及相应的传输规约转换,下行汇集了多达16个RTU,上行与以太网相连。

“网络RTU”的实现

提出了“网络RTU”——NU(网络单元)+RTU的概念。由微控制器和以太网接口组成的NU,在硬件上完成了低速码流的RTU终端接口与高速网络接口的分发汇集,在软件上支持MAC、TCP/IP等协议规范,并完成了传输规约的转换,从而实现RTU的网络化。

基于IP网络分布式高速公路监控系统

以 IP网络为基础构筑的监控数据传输系统 ,改变了高速公路集中式监控的传统模式 ,提高了监控系统的可靠性和实时性。这种监控系统进行了多个层次的数据交互 ,数据链路层完成外场设备的传输规约的转换 。

USB协议层

USB协议层描述了USB主机与USB设备交互时的语法和协议 ,从中定义了字段、包、事务和传送的结构 ,以及由字段到包、由包到事务、由事务到传送所组成的组织层次关系。协议同时还规范了数据链路的建立 ,正常或异常传送处理的动态过程。字段中分同步、包标识符、地址、帧号、数据和CRC校验等字段。包中分标记、帧起始、数据、握手 4类包。事务中有批处理、控制、中断和同步 4类事务。传送可分为控制、批处理、中断和同步 4类传送。字段、包、事务和传送的命名和定义 ,实质上是为了满足不同需求的传送内容 ,在链路建立。

USB技术概况

作为计算机外设接口技术的重要变革 ,USB在传统的计算机组织结构的基础上 ,引入网络的拓扑结构思想。其具有终端用户的易用性、广泛的应用性、带宽的动态分配、优越的容错性能、较高的性能价格比等特点 ,方便了外设的增添 ,适应了现代计算机多媒体的功能拓展 ,已逐步成为计算机的主流接口。在扼要介绍USB的研制动机、技术目标和功能特色之后 ,系统地、概括性地对USB的体系结构进行了描述 ,主要包括USB的系统概况、物理接口、电源特性、总线协议、容错性能、系统设置、数据流模型、主机、硬件和软件等内容。

USB数据流模型

USB数据流模型描述了主机与外部设备之间的连接交互关系 ,提出了解决USB不同服务的技术实现 ,揭示了USB基本组织机构 ,反映了USB的核心内容。其表现为 3个层次 :应用层、逻辑设备层、总线接口层。主机通过逻辑意义上的数据流来统一对USB设备的操作方式。USB设有 2种通道 :流通道和信息通道 ;提供了 4种传送方式 :控制传送、同步传送、中断传送、批传送 ;定义了2种数据格式 :USB数据格式、非USB数据格式。针对USB设备的连接 ,及USB所传输的数据特性 ,如突发性、连续性、实时性、可靠性等 ,USB系统软件安排了相应的通道、传送方式及数据格式。就这 4种传送方式重点介绍了数据格式、传送的方向、包长限制、总线访问。

USB主机——硬件及软件

USB连接支持数据在USB主机与USB设备之间的传输。主要介绍了相关的主机接口 ,这类接口简化了客户软件与设备应用之间的通信。USB主机可分为 3层 :客户层、USB系统层、主机控制器层。USB系统层又可划分为 3个主要的组成部分 :主机控制器驱动HCD(HostControlerDriver)、USB驱动USBD(USBDriver)、主机软件。USBD通过HCD所提供的主机控制器接口HCDI(HCDIn terface) ,与HCD进行交互。USBD提供面向客户的接口 ,即USBD接口USBDI(USBDInterface) ,以供客户提出数据传送或设备配置的请求。USB主机可以提供不同的软件系统实现方法 ,完成相同的主机行为。

USB集线器规范

集线器为USB设备和主机的连接提供了硬件接口。集线器本身提供的很多属性 ,保证了USB用户界面的友好性 ,并隐藏了其复杂性。集线器主要支持的USB功能有 :连接行为、电源管理、设备连接 /未连接检测、总线错误检测和恢复及支持高速和低速设备等。集线器由集线器中继器和集线器控制器组成。集线器中继器负责管理基于包的连接 ,而集线器控制器则提供状态信息和控制操作以支持主机访问。在主机和其它设备之间的连接过程中 ,集线器处于非常重要的地位。集线器能够检测到并防止任何连接错误 ,特别是会导致死锁的错误。集线器实际上也是 1个USB设备 ,它同样必须遵守USB设备的规则。

USB电气特性

USB的电气特性反映了端口驱动电路、传输电平、编码结构、位同步处理及供电方式。USB串行数据采用了NRZI编码 ,在USB数据线上传输。对数据进行差分编码有助于噪声抵消和确保数据的正确性。给出了驱动信号的波形和阈值。为了避免长“1”码影响同步信号的提取 ,USB采用了“0”翻转插入方式。USB端口对于相连的设备均可提供 2种供电方式 ,即总线供电方式和自供电方式。

USB设备构架

主要讲述了USB设备的基本状态和在这些状态基础上的通用操作。基本状态包括连接、加电、缺省、编址、配置、挂起等。通用操作有设备的动态连接与移去、设置地址、信息配置、数据传送、电源管理、请求处理及出错处理等。这些操作中重点介绍了USB设备请求的协议 :所有USB设备在其缺省控制通道处对主机的请求发出响应 ;这些请求是由控制传送来完成的 ;请求及请求的参数通过Setup包发向设备 ,由主机负责设置Setup包内每个域的值 ;每个Setup包有 8个字节。在多个标准设备请求中所提到的描述表是有一定格式的数据集。描述表共有 5种类型 :设备、配置、接口、端点、字串描述表。它是用来反映设备的特性 ,本质上是描述设备信息的关系数据库。

USB机械特性

提供了电缆、连接器及连接不同USB设备的电缆部件机械和电气方面的规范 ,包括尺寸、材料、电气及可靠性等方面的要求。同时说明了外部USB设备互连的最低要求 ,只要符合这些最低要求 ,也可以使用别的材料。USB电缆由 2条电导线和 2条信号导线组成。USB可以在 2种数据速率下工作 :全速为 12Mbit/s ,要求使用带 2条电导线和双绞信号线的具有屏蔽层的电缆 ;低速为1.5Mbit/s ,降低了对电缆的要求 ,不需要使用屏蔽层和双绞信号线。连接器设计为热插拔 。