嵌入式模块化分布控制系统与网络的互连研究.docx

嵌入式模块化分布控制系统与网络的互连研究shixi导语：用于数字信号处理DSP和控制应用的嵌入式模块化系统在工业标准工业计算机系统ICSISA机箱MicroPC有两个/四个插槽或者cPCI有四至八个插槽中开展起来，多处理器系统能有效应用于分布式控制。当代微电子学为实验物理学、工程学和其他应用中的分布式系统开展提供了新的可能。用于数据收集DAQ且与网络互相连接的新型模块化微处理器系统和分布式控制应用正被人们提出并讨论。高功率多功能的特定用于通讯和DSP微处理器与分布式存储器一起作为实时系统来运作。用于数字信号处理DSP和控制应用的嵌入式模块化系统在工业标准工业计算机系统ICSISA机箱MicroPC有两个/四个插槽或者cPCI有四至八个插槽中开展起来。多处理器系统能有效应用于分布式控制，人们正在研究用于此系统的实时多处理器核和操纵系统OS以适应实验研究和工程技术应用中的可能发生的各种应用场合。人们正考虑将具有有源底板的紧凑型工业计算机系统ICS和具有无源底板的基于紧凑型PCI的系统cPCI/PXI通过以太网连接起来作为嵌入式实时系统用于控制应用场合。人们也考虑将分布式系统与系统区域网络SAN连接起来作为具备并行流水线数据处理才能的高级模块系统用于数据收集和控制应用场合。在对数据收集、触发和控制子系统进展结合建模的根底上，人们考虑将实验物理学和工程子系统结合起来。1具备有源底板的嵌入式模块化实时系统微型机由很多元件插入到底板上组成，包括CPU、存储器、磁盘驱动器和串口/并口。一些计算机基于IBMPCISA总线插件模块，另一些作为在单个板上的独立系统无底板来实现，其他的那么是基于底板总线VME/VXI的单板计算机SBC。基于底板的微型机可以用于数据收集、经过控制和不同的研发工程，但是一般情况下，由于其过大的体积而不将它作为智能元件嵌入到设备中去。二十世纪八十年代，计算机板被大规模集成芯片所限制，集成电路因具有先进的性能而占领了整个计算机板市场，而后开展为单片机或者DSP。PC/104和PC/104-Plus模块趋向于由支持嵌入式Linux的标准PC台式机和笔记本电脑组件来组成。PC/104-Plus增加了使用board-to-board总线120针的PCI总线。在基于PC的非桌面嵌入式系统上，人们对IBMPC兼容性的兴趣日益增加：-PC芯片级和外围的兼容性能使本钱更低、构造更简单、支持更轻易，-PC兼容性提供了PC机操纵系统MS-DOS,Windows,Linux、语言和工具等上风。由于新型接口USB,FireWire,蓝牙、架构MIPS,PowerPC,ARM和操纵系统RTLinux,RTEMS的出现，嵌入式单板计算机SBC平台可以更好地效劳于嵌入式模块化实时系统：-增加了嵌入式智能，很多应用需要有对用户友好的图形和语音界面；-增加了需要进展互相连接TCP/IP,PPP,HTTP,FTP的电子设备的需求；-USB正在取代串口、并口和PS/2接口，以太网随处可见，FireWireIEEE-1394正开场被使用；-处理器高度集成了基于ARM,MIPS,PowerPC和x86的面向应用的片上系统正在开发中；Linux用于所有的计算处理，它提供了低本钱、开源的解决方案，支持开放性标准、网络连接、通讯、Internet和其他功能。有人提议将基于小型工业计算机系统ICS的具有两个插槽的紧凑型模块化系统作为嵌入式控制器端CS和工作虚拟端VS通过10/100M以太网在分布式网络中连接起来。每个虚拟端VS都是基于Windows或者/和Linux，每个控制器端CS都是基于RT-Linux并且用于数据收集，监测和控制。两个PCI插槽中的一个用于基于DSP的数据收集和控制模块，另一个那么用于扩展或者另外的以太网连接。通常，在硬件和软件上，现场总线用经济的模块化方法来获得不同的应用成果。今天，大多数计算机将传统的网络10/100M以太网、FireWire、USB作为标准的连接。现场总线的概念对于所有电子设备来讲应该是透明的。串行总线USB、FireWire用于中高速的I/O连接。SCI的互相连接支持可扩展的多处理器集群和高性能模块化实时系统。另一版本的紧凑型CS随着具有根本通讯处理器模块的四个插槽的MicroPC机箱开展起来，此处理器模块也包括了动态和静态的存储芯片和一套标准接口CAN总线、RS232及其它。实时操纵系统RT-Linux,RTEMS可用于数据收集和控制应用场合。2具备无源底板的嵌入式模块化实时系统Euro-card3U格式是国际标准IEEE1101.1。VME总线允许16位数据以3U格式传送6U板支持全数据总线带宽。与VME3U相比，cPCI3U是个性能更高且更有效率的系统，而在VME体系构造中实现PC功能困难重重。3UcPCI总线性能优于3UVME。与嵌入式PC板格式相比，cPCI/PXI总线支持single-wide板和double-wide板中的全32位或者64位数据传输。cPCI/PXI也提供了一些上风。cPCI/PXI提升了系统的灵敏性，将PCI插槽数由4个进步到了8个。cPCI为工业环境如VME所设计，而PXI为仪器使用系统如VXI所设计。3UcPCI无源底板比拟小但可以增大。使用底板的方法使维护和晋级3UcPCI模块变得更为简单。cPCI/PXI3U板支持工业自动化所需要的I/O，而工业自动化也需要分布式I/O。cPCI支持现场总线用于数据收集、控制、监测和进程报告。为了知足工业应用的需要，cPCI系统支持高级的用于cPCI单板计算机上的网络连接功能10/100M以太网、USB、FireWire和现场总线。模块性可以帮助人们进展最广泛的应用并提供了基于cPCI/PXI的SBC支持的灵敏性。嵌入式模块化cPCI/PXI3U系统硬件有如下上风：小型规格220针，2mm连接器表达了它是个对抗控制应用场合中冲击和振动的良好平台。完好的PC模块带有图形、快速以太网、IEEE1394、USB、现场总线、flash存储器和128M的SDRAM可以建立在紧凑型且具灵敏性的3U平台上。3降低功耗是减小本钱的重要步骤，追求更小型的处理器几何尺寸降低了功率级。研究显示，通过3UcPCI实现的控制设备消耗的功率通常低于20W。4另外，带有64位总线的8插槽cPCI底板通过使用机架和EMI屏蔽附件提供了经济型底板无源的和有源的。当代嵌入式计算机的解决方案需要基于Windows的软件来完成用于控制应用RT-Linux,RTEMS,QNX,OS-9,VxWork的人机连接、网络连接、文件治理和确定性的实时软件。用于与PC兼容的嵌入式SBCs的Linux支持倾向于以正常方式使用芯片来提供，包括一些特定的功能如：显示控制器形式、LCD面板控制信号、PCMCIA、板上固态磁盘和非标准的功能看门狗定时器。3与SAN互相连接的分布式系统由于在分布式数据处理系统中，大量并行处理器受到总线的限制，所以可扩展一次性接口SCI就成为一个用于高级多处理器体系构造的最好的系统区域网络SAN而开展起来。随后，第一个具有硬件一致性的基于SCI的高性能模块化多处理器系统被开发出来。根据多级物理模型，人们提出将用于高性价比系统的基于标准紧凑型PCPC-board和链路模块如Dolphin的高级集成化实时系统高效SAN体系构造用于实验物理研究中的高性能数据收集、控制和分布式数据处理。组建高性价比实时系统的一个最正确方法是使用工业计算机系统MBICSMB、PCMB或者cPCI/PXI，并根据实际的应用场合通过不同的拓扑连接到SAN中。分布式并行数据处理模型包括对称多处理SMP、大规模并行处理MPP和机群系统RMC和NUMA。RMC映射内存集群是一个在节点和通讯连接之间具有内存复制功能和内存传输机制的集群系统。借助系统区域网络SAN的链路模块，分布式集成系统的高模块化构造可以支持分布式处理器和内存之间的高效交互作用。SAN包括以下几个级：1核心级由一套内核处理器、存储器、I/O控制器所组成，它们之间互相连接。与同一板上的片外存储器相比，新型单芯片微型机具有更短的通讯链路，更易访问和更短的数据传输时间。2系统模型的紧凑型板构造的原子级A模块包括用于特定目的和一般目的的处理器。用于数据收集和控制的最简高效实时系统可以以具有单核、双核或者三核处理器的标准PCMB为根底。在同一总线上，处理器模块有数目限制。对称多处理SMP是用于多处理器的根本软件模型。3分子级宏观构造取决于系统拓扑构造。大量多处理器节点可以通过SAN“大总线模型连接到大型千处理器系统中以支持分布式集成实时系统用于数据收集、控制和数据处理应用。4分布式系统的互相连接基于链路、桥接和开关模块L模块、B模块和S模块。通讯速度的本钱比针脚和板空间的本钱下降地更快。传统的通讯基于总线，这限制了处理器的数目。一个可行的解决方案是在很多独立的点对点连接上使用基于包的信号，这可以解决总线瓶颈的问题，但也带来了新的问题怎样保持系统中分享内存模型的cache一致性。处理器模块之间的弱互相作用基于消息传送以太网。中级互相作用基于集群中使用的外部存储设备磁盘、磁带。处理器核之间的强互相作用基于直接读取分布式存储器，并在SCI上实现，SCI也支持处理器模块之间的弱互相作用。SCI的强互相作用包括小包交易带回波的发送和响应别离的包。包格式包括写xx、读xx、挪动xx和锁定命令，此处xx表示允许的数据块长度数据字节数目，在数据包头的右方。可扩展性是增强多处理器实时系统性能与千处理器系统相连接的一个问题。SAN架构的分布式存储器模型能支持并行流水线数据处理计算作为SMP模型运行于单个地址空间。64位地址支持每个节点上的256T字节。Cache一致性支持分布式并行数据处理实时系统中所有处理器的数据可用性。实时系统包含有很多处理器，它们尝试着修改单个数据或者与此同时将数据的备份保存到自己的cache中。通过软件或者硬件实现的一致性阻止多处理器在同一时刻尝试修改同样的数据。硬件一致性支持高性能高价格而软件一致性那么提供了高性能低价格。模块化实时系统的拓扑构造应基于一套优选过的模块来开发系统以到达最优化地解决确定问题的目的。它应是个具有矩阵探测器的用于数据收集的矩阵或者是用于3D图像的3D拓扑构造。在控制领域，系统应需要有类似于大型机器线性或者环形构造的拓扑。基于SAN的分布式系统应该分享64位SCI地址，高16位用于在适当的节点转发数据包。系统拓扑可以在简易环、多环、桥接或者交换器的根底上实现处理器之间的并行流水线的强互相作用。SCI基于点到点的连接并支持同一时间内所有处理器模块的事务。商用Dolphin的L模块提供了每秒800M字节的双向SCI连接用于挪动大量的具有小型应用-应用潜力2.3毫秒的分布式数据并且减少了用于多点应用的最好的可扩展性的节点控制信息。基于网络的分布式实时系统包括下面节点：连接到虚拟端VS的控制器端CS采集实时数据并输出控制数据。具有一个以太网端口的简易CS基于具有两个PCI插槽的紧凑型ICSMB用于数据收集和控制模块。另一个端口用于扩展或者另外的以太网连接。VS应该支持专业级的仿真、监测和测试。虚拟仪器和标准应用软件基于根本的操纵系统Windows、Linux，借助于10/100M以太网，它们工作于连接到大量安装有RTLinux的分布式CS的VS上。每个VS应该可以到达多效劳器级。可扩展模块化实时系统的结合通用模型集成了基于互相连接的网络以太网和SANSCI的数据收集、触发和控制系统。对于控制技术领域中的工程系统来讲，具有两个PCI插槽的紧凑型ICSMBA模块和以太网是个不错的平台。而对于实验物理领域中的高性能数据收集和触发系统来讲，基于嵌入式cPCI/PXI且与SANSCI互相连接的节点是个不错的平台。