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基于模块化嵌入式SBC的紧凑型虚拟终端作为节点用于分布式控制和数据采集

供稿:653A294E-B5E1-4E23-9DC7-BFE7D2FF483E 2007/7/20 10:12:00

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来源:ICALEPCS2003
Compact Effective (price/performance) RT-systems with System Area Network (SAN) Architecture for DAQ, Monitoring, Control and Diagnostics based on SBC and DSP DAQ-Control I/O modules are proposed. Terminal Control Station (TCS-node) and Supervisor Control Station (SCS-node) is developed on SBC-modules. Weak and Strong Interactions between Distributed Node provided by tradition LAN (Ethernet 10/100) or by SCI-modules. DSP-based DAQ-Control modules with front-end Signal Conditioning Electronics are embedded as basic part of a TCS-node. Both TCS and SCS can be used in autonomous mode. Virtual modeling in TCS and SCS can be used as data file or for simulating signal on internal or external (with precision DAC) nodes by user friendly interface.人们已经提出了基于SBC和DSP数据采集控制I/O模块的用于数据采集、监测、控制和诊断的具有系统区域网络(SAN)体系结构的紧凑型高效(性价比高)实时系统。终端控制点(TCS节点)和管理控制点(SCS节点)在SBC模块上发展起来。传统的LAN(10/100M以太网)或SCI模块提供了分布式节点间的弱/强相互作用。基于DSP的具有前端信号调理电子器件的数据采集控制模块作为TCS节点的基本部分嵌入到系统中。TCS和SCS都能以自治模式运作。TCS和SCS中的虚拟模型能够通过用户友好界面作为数据文件来使用或者用于内部或外部(精确度高的DAC)节点上的信号仿真。紧凑型模块化实时系统
二十世纪八十年代后期,整个计算机板被大规模集成芯片所限制,而后此芯片发展为单片机或DSP。PC/104(Plus)模块将会由支持嵌入式Linux的台式机和笔记本电脑组件组成。PC/104-Plus增加了使用板板总线(120管脚)的PCI总线。微型机包括了一些插入底板总线的板(模块)。第一个微型机是基于8位ISA的。一些现代的紧凑型计算机通过在一个单板上或基于无源总线(VME/VXI, cPCI)的独立型(无底板)系统来实现其功能。用于数据采集和控制的底板计算机由于体积太大而无法作为智能嵌入式节点。单板计算机(SBC)和输入输出模块在大型试验中能作为有效的平台用于紧凑型数据采集和控制系统中。具有新型接口(USB、FireWire、Single Eurocard(3U形式))的嵌入式SBC是国际标准(IEEE1101.1)。VME总线允许3U形式的16位数据传送,而完整的数据总线带宽支持6U。嵌入式SBC模块开放了紧凑型系统节点结构。cPCI形式具有一些优势。与VME(3U)相比,cPCI(3U)是个更高效的系统(性价比高)。使用底板的方法使维护和升级3U cPCI模块变得更为简单。cPCI/PXI总线支持single-wide板和double-wide板中的32位或64位数据传送。 cPCI(3U)的总线性能优于3U VME。cPCI/PXI增加了系统的灵活性,将PCI扩展槽的槽数由4个提高到了8个。用于工业现场(如VME)的cPCI和用于模块仪器系统(如VXI)的PXI都是基于无源底板的。cPCI/PXI(3U)板支持I/O,并用于需要分布式I/O的工业自动化中。cPCI支持现场总线用于数据采集、控制、监视和进程报告中,但是价格昂贵。虚拟终端和管理控制点作为LAN节点人们提出的紧凑型模块化系统包括一套节点——终端控制点(TCS)、管理控制点(SCS)和发生器节点。TCS基于拥有三至四个PCI扩展槽无源总线的紧凑型SBC,而SCS则基于拥有两个PCI扩展槽的slim SBC MB总线。PCI扩展槽用于一至两个基于DSP的数据采集和控制模块。如今每个TCS都基于Windows(而后是QNX,RT-Linux)。一些应用程序在LabView或其他的语言如C上发展起来。TCS的核心是具有LAN芯片及256MB内存的紧凑型中型尺寸低功率SBC JUKI-511P(GXLV/GX1-233/266/300 32-bit MMX 处理器)。它提供了紧凑型闪存卡(Type2)、EIDE接口和PS/2键盘/鼠标接口。内置SVGA/LCD显示控制器提供了1024*768的解决方案,并提供了音频接口和TV-OUT功能。数据采集和控制模块包括了DSP、14位ADC和12位DAC。信号调理电子器件用于满足真实目标的需要。根据构造模型作为内部发生器,以14位ADC和12位DAC用于信号仿真为基础使用16个输入测量通道用于数据采集,此节点能够配准周期信号并将其显示在监视器上以供分析。外部发生器基于相似的具有高精确度DAC的compact SBC,而用于此发生器的节点则产生外部信号用于实现对真实数据文件的正确仿真或复杂目标信号的数学模型。SCS的核心是基于两个扩展槽的Compact MB,并作为管理控制点(SCS)通过10/100M以太网连接到SCS。SBS的尺寸为185*122mm,电源为5V(1.8A)。带有SBC的输入信号调理电子器件和仪器数据采集器及控制模块嵌入到机架(chassis)中。SCS节点中更复杂的信号的建模支持信号作为数据文件或真实目标数据的数学构造和在内部或外部发生器上的信号建模。SCS的核心基于低功率的slim PC MS-6215和Windows(或Linux)。作为SBC(MS-6351)的Micro LPX MB基于815芯片集和赛扬/奔腾3处理器(FC-PGA)。815芯片集集成了显示高速缓冲SDRAM控制器(支持32位133MHZ SDRAM阵列用于3D图形显示)。SCS能够用于自治模式或二次集成系统上。机架(chassis)用于MS-6351Micro LPX MB与用于TCS和适应硬盘、光驱、软驱一样,具有同样的尺寸,它也支持LAN、VGA、USB、扬声器、PS/2鼠标和键盘。传统的10/100M以太网和SCI模块分别提供了弱相互作用和强相互作用。传统网络(10/100M以太网,FireWire,USB)作为标准连接用于计算机中。串行总线(USB,FireWire)用于高速I/O上。现场总线的概念对于所有电子设备来说应该是透明的。对于时间要求不严格的应用场合,10/100M以太网(TCP/IP)是个提供弱相互作用(信息传递)的好选择。基于SCI的相互连接支持可扩展多处理器集群的特性对具有强相互作用节点的先进的高性能实时系统是有利的。高性能系统(服务器,DB)通常是基于对称多处理(SMP)、大规模并行处理(MMP)和集群结构(RMC,NUMA)的。内存映射集群(RMC)能够在节点间进行内存复制和转储。用于系统区域网络(SAN)的SCI对于服务器和数据库来说是个相当先进的多处理器结构。具有高效SAN结构的集成实时系统基于有效作用于性价比高的系统的紧凑型系统节点。模块化实时系统节点的优点:
-与Intel处理器兼容的Compact SBC具有PC机的一些优势如操作系统(MS-DOS, Windows, Linux)、语言和工具;
-图形语音方面的嵌入式智能;
-嵌入了网络(TCP/IP,HTTP) 的SBC;
-嵌入式USB替代了端口(串口、并口);
-SBC嵌入式解决方案需要基于Windows的软件(人机界面),网络连接和文件管理;
-Linux正使用低成本、开源的解决方案,它支持开放性标准、网络连接、通信、Internet和其他功能;
-软硬件的模块化能使你最大程度地使用应用软件,并提供SBC的灵活性支持。
模块化系统支持SBC(10/100M以太网、USB、FireWire和现场总线)和高性能SCI模块上的网络连接。分布式节点作为一套虚拟点——发生器、终端和管理控制点。Linux支持与PC兼容的嵌入式SBC,它趋向于以正常方式使用芯片。Linux包括一些特定功能:显示控制器模式、LCD面板控制信号、PCMCIA接口、固态磁盘和其他功能。控制应用软件(RT-Linux,RTEMS,QNX,OS-9, VxWork)需要确定的实时软件。LabView是另一种仪器软件,它支持分布式功能。分布式实时系统
终端控制系统TCS节点能够作为自治设备或集成系统节点来工作。
它提供了信号监视、信号处理(数据注册)和信号可视化功能。在这种模式中,设备使用了监视器、键盘和鼠标。图形用户界面(GUI)用于过程监视和控制。大量紧凑型终端点通过LAN与单个实时系统的SCS连接起来用于分布式控制和数据采集。
管理控制点(SCS节点)支持GUI,GUI为每个远程TCS节点提供了控制、测试和监测并帮助分析从分布式终端控制点得到的复杂信号。管理点SCS节点控制所有连接了的终端TCS节点并将信号显示于监视器上以便进行实时的数据分析。
信号建模是TCS和SCS节点的附加功能,通过内部DAC(作为嵌入式信号发生器)或具有精确度高的DAC的外部节点,TCS和SCS节点可用于系统测试和对真实目标信号的仿真。在内部DAC协助下,支持构造复杂信号的虚拟发生器软件可用于系统测试和真实输入信号的仿真以实现系统测量和监测过程调试。
构造信号的虚拟发生器模型能够作为输入数据文件,对给定的内部或外部节点(高精确性DAC)进行信号仿真。
具有嵌入式SBC和高精确度DAC的特定发生器提供的最后模式与紧凑型节点和SAN结构相类似。

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