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關鍵詞:DSP/BIOS管道流I/O主機
引言
對于數字信號處理應用來說,數據的通信很關鍵。在TI公司的DSP/BIOS環境下有3種通信方式,即基于管道(PIP,pipe)的通信、基于流(SIO,streamI/O)通道的通信以及基于主機(HST,host)通道的通信。每一種通信方式都是通過調度其相應的內核對象來完成的。DSP/BIOS提供了管理每一種通信方式的模塊及相應地API調用,通過這些模塊及調用,可以完成DSP環境下的輸入/輸出(I/O)。本文在對各種通信方式進行簡要介紹的基礎上,對各種通信方式進行比較,并給出利用PIP對象進行數據通信的1個例子。
1通信方式簡介
(1)主機通信
主機通信方式下,由HST對象完成主機與目標機之間的通信。HST對象靜態配置為輸入/輸出,每一個HST對象內部是用數據管道對象來實現的。
開發DSP應用時,可以應用HST對象來模仿數據流和測試程序算法對數據的處理。在程序開發的早期,特別是在測試信號處理算法時,程序使用輸入通道對象訪問來自主機文件中的數據,以及使用輸出通道對象把算法處理過的結果反饋回主機一側,以供查驗或比較。在程序開發的后期,當算法開發完畢時,可以把HST對象改回到PIP對象,通過利用PIP對象完成外設真實數據與目標應用程序之間的通信。
(2)管道通信
管道(PIP)對象用于管理塊I/O(也稱為基于流的I/O或者異步I/O)。每一個PIP對象維護著一個分為固定數量和固定大小的緩沖區(稱為幀)。所有的I/O操作在每一刻只處理1幀。盡管每一幀長度是固定的,但是應用程序可以在每一幀中放置可變數量的數據(但不能超過最大值)。管道有兩端,一端為寫線程,一端為讀線程。寫線程一端用于向管道中添加數據,讀線程一端用于從管道中讀取數據。管道能夠用于在程序內的任意2個線程之間傳遞數據。經常地,管道的一端由ISR控制,另一端由軟件中斷函數控制。數據通知函數(也稱為回調函數)用于同步數據的傳輸,包括通知讀函數和通知寫函數。當讀或寫1幀數據時,這些函數被觸發,以通知程序有空閑幀或者有數據可以利用。
(3)流通信
流是一個通道,通過它,數據在應用程序與I/O設備之間傳輸。流通道可以是只讀的(用于輸入)或者只寫的(用于輸出)。它對所有I/O設備提供了一個簡單通用接口,允許應用程序完全不用考慮每個設備操作的細節。流I/O的一個重要方面是它的異步特性。當應用程序正在處理當前緩沖區時,一個新的輸入緩沖區正在被添充和以前的緩沖區正在被輸出。流交換的是指針而不是數據,這就大大減少了開銷,使得程序更能滿足實時約束的要求。流模塊(SIO)通過驅動程序來與不同類型的設備打交道。驅動程序由DEV(Device)模塊管理。
設備驅動程序是管理一類設備的軟件模塊。這些模塊遵從通用接口(由DEV提供),因此,流函數能夠發出普通請求。圖1給出了流與設備之間的交互示意圖。
(4)各種通信方式比較
DSP/BIOS支持兩種不同的數據傳輸模型,一種是管道模型,由PIP與HST模塊使用;另一種是流模型,由SIO與DEV模塊使用。2個模型都要求1個管道或者流具有1個讀線程和1個寫線程。2個模型都通過拷貝指針而不是數據來完成數據的拷貝。一般來說,管道模型支持低級通信,而流模型支持高級的、與設備無關的I/O。具體情況如表1所列。
表1DSP/BIOS環境下通信方式的比較
管道對象(PIP與HST)流對象(SIO與DEV)程序員必須創建自己的驅動程序提供了一種創建設備驅動程序的更加結構化方法讀/寫線程可以是任意線程類型或者主機PC一端必須由使用SIO調用的任務(TSK)來處理,另一端必須由使用Dxx調用的HWI處理PIP函數是非阻塞的,程序在管道寫或讀之間必須進行檢查,以確保緩沖區可利用SIO_put、SIO_get和SIO_reclaim是阻塞函數(SIO)_issue是非阻塞函數)使用更少的內存,一般較快更加靈活,使用簡單每個管道擁有自己的緩沖區緩沖區能夠從一個流傳輸到另一個流而不用拷貝管道必須使用配置工具靜態地配置流可以在運行時刻創建或者使用配置工具靜態地配置對推棧設備(stackingdevic)沒有內建地支持提供對堆棧設備(stackingdevic)的支持使用HST(內部PIP實現)使得主機與目標機的通信容易起來DSP/BIO提供了大量的設備驅動程序
2基于管道通信的一個例子
在基于以上分析的基礎上,給出利用管道進行通信的1個例子。該例是音頻處理的一個例子。數據從數據源輸入到編碼器以后經量化通過串行口輸入到目標機,目標機處理完畢后再經串行口發送到編碼器,由編碼器經揚聲器輸出。圖2給出數據的流程圖。
(1)管道設計
該例中,設計了DSS_rxPipe和DSS_txPipe兩個管道,其中DSS_rxPipe用于數據的接收,DSS_txPipe用于數據的發送。
(2)線程設計
由于每個管道分別對應1個讀寫線程,因此,發送管道與接收管道總共需要4個讀寫線程。本例中為了簡化設計,只設計了2個線程。其中,音頻處理函數(設計為軟件中斷SWI)既作為接收管道的讀線程又作為發送管道的寫線程;串行口接收中斷處理服務例程ISR既作為接收管道的寫線程又作為發送管道的讀線程。
每次中斷發生時,串行口中斷服務例程(ISR)把數據接收寄存器(DRR)中的數據字(32位)拷貝到數據接收管道的一空閑幀中。當1幀被填滿時,ISR把該滿幀寫到數據接收管道中(通過調用PIP_put),供該管道的讀線程(即
音頻處理函數)讀取。音頻處理函數執行時,它讀取接收管道中的一滿幀,處理完畢后再把它寫到發送管道的一空閑幀中,供該管道的讀線程(即ISR)發送。每次ISR觸發時,它從發送管道中讀取一滿幀(若有的話),并每次32位字地發向串行口發送寄存器(DXR)直到1幀中的所有數據發送完畢。然后,該空閑幀被回收到發送管道,供音頻處理函數(即該管道的寫線程使用)。需要注意的是,由于例子當中發送速率與接收速率一樣,因此,中斷處理函數不但負責數據的接收也負責數據的發送,并且每次中斷執行時只發送1個32位字。
(3)需注意的問題
PIP_alloc和PIP_put由PIP對象的寫線程調用,PIP_get和PIP_free由PIP對象的讀線程調用,這種調用順序是非常重要的。若打亂這種調用順序,將會產生不可預測的后果。因此,每一次對PIP_alloc的調用都要跟著對PIP_put的調用才能繼續調用PIP_alloc;對于PIP_get,情況也是如此。
另外,為了避免PIP調用過程中產生遞歸,作為通知讀/寫函數的一部分,應該避免調用PIPAPI函數。如果為了效率起見必須要這樣做,那么對諸如此類的調用應該加以保護,以阻止同一管道對象的重入以及錯誤的PIPAPI調用順序。例如,在發送管道的通知讀函數以及接收管道的通知寫函數的開始部分,我們添加了如下語句,以避免遞歸調用:
staticIntnested=0;
…
if(nested){/*防止由于調用PIP_get函數而產生的遞歸調用*/
return;
}
nested=1;
…
1.1過程數據鏈路層接口1)數據集上層協議通過LPI訪問通信存儲器中的過程數據,LPI提供鏈路層端口初始化,包括數據集的讀寫以及同步操作等功能的原語。LPI規定了數據集的訪問。在一個設備內,數據集由其數據集標識符(DS_Name)來識別。DS_Name由4位的通信存儲器標志(traffic_store_id)和12位的端口地址(port_address)組成。2)LPI原語及調用流程鏈路層上各個原語及其先后調用關系如圖2所示。由圖2可知,進行通信前,發送者側和用戶側需要對鏈路層進行初始化(lp_init),然后調用原語ds_subscribe來預訂一個用于同步的數據集。接著者調用原語lp_put_dataset將數據集寫入相應的通信存儲器中,在進行此操作時,需要解析DS_Name。當數據集通過了物理層發送完成后,用戶通過調用原語lp_get_dataset將數據集從通信存儲器中取出。這樣就完成了數據集的發送和接收。最后雙方共同調用原語ds_desubscribe,從預定表中移去用于同步的數據集。
1.2過程變量應用層接口1)過程變量標識符在一個設備內,過程變量由其所在的數據集(DS_Name)和其在數據集中的位偏移量(Var_Offset)來標識[6]。通過總線傳送時,過程變量由邏輯地址和被傳送的數據集的位偏移量來識別。2)AVI原語應用變量接口AVI定義了變量提供給總線的服務。應用變量接口原語只訪問通信存儲器的端口,并沒有觸發總線的通信。在應用變量接口中,過程變量是單個訪問的,屬于數據集的一部分。為了提高傳輸效率,屬于同一個數據集的過程變量作為一個堅固的整體進行傳送和存儲。過程變量和其所在數據集的刷新定時器一起在一次不可分割的操作中獲取[7]。應用變量接口AVI原語分為3類:單個變量訪問,集合訪問,群集訪問。
2過程數據通信設計思路
2.1過程數據鏈路層的設計
2.1.1過程數據鏈路層數據結構設計在鏈路層傳輸的數據屬于數據集的一部分,數據集由其DS_Name來標識。
2.1.2過程數據鏈路層接口函數設計此函數用于實現過程數據模塊的初始化功能。首先,讀取配置文件建立相應的端口屬性表來建立初值。然后進行差錯判斷,分為通信存儲器標識和端口地址的判斷,如果超出了系統設定的最大值,那么初始化過程失敗。只有在以上條件為真的情況下,才初始化強制變量表和數據集預定表。2)過程“lp_put_dataset”此函數用于數據集的發送,從應用拷貝一個數據集到通信存儲器中的端口。首先,要對輸入參數的合法性進行檢查,主要是對通信存儲器和端口地址進行檢查,判斷是否在系統設定的范圍內。在完成參數檢查后,開始進行數據的發送,將數據拷入相應的端口中,同時,前一次的數據集將被覆蓋。3)過程“lp_get_dataset”此函數用于接收數據集,即從端口拷貝一個數據集和其刷新定時器到應用層。首先,要檢查輸入參數的合法性,分別是對通信存儲器標識和端口地址的值的判斷。然后,根據相應的端口屬性表,將端口中的數據集和刷新定時器拷貝到應用提供的內存中。
2.2過程變量應用層的設計
2.2.1過程變量應用層數據結構設計1)單個變量數據結構設計對于單個變量,利用結構體PV_NAME來描述一個變量,如下:2)集合變量數據結構集合變量使用結構體PV_SET來標識同一個數據集的一組變量,包括每個變量拷入(或拷出)的內存地址以及整個數據集的刷新定時器。3)群集變量數據結構群集結構體PV_Cluster標識一組PV_Set,由通信存儲器進行排序。
2.2.2過程數據應用層接口函數設計1)函數“ap_put_variable”此函數用于單個變量的發送,從應用內存地址空間拷貝一個單個過程變量及檢查變量到通信存儲器。首先,檢查PV_NAME參數的合法性,從PV_NAME中獲取數據集DS_NAME的信息,接著調用lp_get_dataset函數從相應的端口讀取數據集,然后根據PV_NAME中var_type類型,分7種情況進行數組元素個數和數據派生類型的計算,根據計算結果將過程變量和檢查變量拷貝到數據集中,變量上一次的值被覆蓋。在上述過程完成后,調用lp_put_dataset函數將數據集拷貝到宿端口中。2)函數“ap_get_variable”此函數用于單個變量的接收,從通信存儲器拷貝一個過程變量及檢查變量和刷新定時器到應用內存的地址空間。首先,要對PV_NAME進行參數檢查,然后根據PV_NAME獲取的端口信息,調用lp_get_dataset函數從相應的端口獲取數據集。接著就根據算法從數據集中獲取過程變量和檢查變量。3)函數“ap_put_set”此函數用于集合變量的發送,在一次不可分割的操作中,從應用內存地址空間拷貝集合變量到端口。首先,獲取PV_LIST中DS_NAME信息,根據相應的ts_id和port_address調用lp_get_dataset函數獲取數據集。接著,將變量寫進數據集中,在進行此操作前,先對PV_LIST進行參數的檢查。在檢查完成后,調用lp_put_dataset函數將數據集拷貝至相應的端口。4)函數“ap_get_set”此函數用于集合變量的接收,在一次不可分割的操作中,從端口拷貝屬于同一個集合中的過程變量到應用內存地址空間。首先,對PV_LIST進行參數的檢查,檢查通過后,根據PV_LIST中DS_NAME的信息,調用lp_get_dataset函數獲取數據集,然后根據算法將數據集中的變量進行提取,實現群集變量接收的功能。5)函數“ap_put_cluster”此函數用于群集變量的發送,從應用拷貝一個變量群集到通信存儲器中,屬于同一個PV_SET的變量一起拷貝。其實現的過程和函數ap_put_set相同,只是在參數檢查上改為對PV_SET的檢查。6)函數“ap_get_cluster”此函數用于群集變量的接收,從通信存儲器拷貝過程變量的一個群集到本地用戶實體。其實現的過程和函數ap_get_set基本相同,不同點在于參數檢查是對PV_SET的檢查。
3過程數據實時協議通信測試驗證
3.1測試驗證平臺由于變量服務對于MVB和WTB通信存儲器的訪問原理和實現過程相同,因此測試基于MVB設備間的過程數據通信來驗證鏈路層和應用層接口功能[8]。本測試連接以D113為核心的MVB主設備、UIC網關A、B兩組的MVB通信板以及MVB協議分析設備,組成擁有一主、三從的MVB通信網絡,如圖3所示,連接無誤后各套設備上電準備,UIC網關的兩組從設備分別與電腦主機通過以太網相連,MVB協議分析設備通過USB與電腦主機相連。
3.2過程數據鏈路層測試及驗證首先啟動D113MVB板卡的PC104核心模塊進入winxp系統,啟動UIC網關MVB板下位機VxWorks系統。然后啟動上位機Tornado集成開發環境,運行FTP服務器程序Tftpd32,建立連接后,下載MVB實時協議棧代碼。接著就開始進行端口配置,在測試中,配置0x001,0x002,0x005為源端口,接收來自D113MVB板卡發出的數據,3個端口功能碼分別為0,1,4,接收字節數為2,4,32,配置0x008,0x009,0x00a為宿端口,向D113MVB板發送數據,功能碼為2,接收的字節數為8,測試結果如圖4,圖5所示。鏈路層接口向上層應用提供數據集的讀寫操作,對于應用是不可見的,因此,為了測試的可視性,在上層應用中設計了兩個函數ap_get_dataset和ap_put_dataset,這兩個函數調用了鏈路層lp_put_dataset和lp_get_dataset這兩個收發數據集的函數,測試時能實時反應出收發數據的情況。通過以上兩個結果圖可以看出,D113板卡和UIC網關的MVB板卡能準確地互相接收和發送數據,驗證了過程數據鏈路層能正常的進行數據通信,功能得以實現。
3.3過程數據應用層測試及驗證應用層的測試針對集合和群集變量的收發進行了試驗。在進行集合變量測試時,配置主設備端口0x004為源端口,功能碼為4,從設備配置相應的宿端口。群集變量測試配置0x003端口,數據0x10和0xAA在數組1中,0xA1A2在數組2中,兩個數組整合成一個變量集合發送。測試結果如圖6~8所示。根據圖6~8,集合變量和群集變量能準確的收發和接收,驗證了實時協議變量應用層接口能正常使用,功能得以驗證。
4結束語
手機測試
挑戰:
中國的手機市場發展迅猛,世界各大手機廠商競相爭奪手機用戶。在如此激烈的競爭中,手機的功能日趨豐富,比如攝像頭、MP3、FM調頻收音機等等。同時,手機通訊協議也層出不窮,GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。為了應對產品的不斷變化,工程師面臨著提高效率并縮短產品市場化時間的挑戰,他們需要一個靈活而強大的通用測試平臺。我們先來看一個通用測試平臺針對手機通訊協議的變化而表現出來的優勢。大家知道,2G的協議比如GSM和CDMA都已被成功地運用于市場了,而3G的協議比如WCDMA,CDMA2000等等是未來的必然趨勢。在從2G到3G的轉變中,面臨客戶群、設備置換、技術的成熟度風險等等問題。運營商希望能夠進行平滑的過渡,在不丟失已有手機用戶的情況下,首先升級交換網絡部分,這使得用戶可以使用過渡期的2.5G產品,然后等時機成熟時再升級無線網絡部分達到3G的標準。2G的測試儀器已經比較成熟,3G的測試產品正在加緊開發,2.5G的專用測試設備卻由于傳統儀器制造商考慮到研發成本和市場前景的問題而匱乏。
一家著名的手機制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)協議的2.5G手機產品,需要針對這一產品的測試方案。EDGE是一個專業協議,由于它的出現時間比較短,了解它的人也比較少,要在短期內構建一個EDGE測試系統是一個巨大的挑戰。為了在市場上與同行競爭,需要在一個月內能夠使用這套測試設備。
應用方案:
利用TestStand模塊化,兼容性強,可自定義的特點,根據生產測試的需要對其進行修改與完善,并結合LabVIEW,GPIB卡,以及相應的測試儀器,創建百分之百符合自己需要的CDMA基站測試系統。
使用的產品:
硬件上整個系統包含了一個PXI機箱,其中有:
NIPXI-8186摘要:MSM6882是日本OKI公司生產的、采用最小頻移鍵控方法的數據調制解調器。該器件內含接收、發送和時鐘產生電路,且數據傳輸波特率可在1200bps和2400bps中選擇。文中介紹了MSM6882的主要性能和工作原理,給出了MSM6882在無線通信中的應用電路設計。
關鍵詞:MSM6882;最小頻移鍵控;無線數據通信
1引言
計算機與數據終端的普及使得無線數據通信技術在很多領域得到廣泛應用。在無線數據傳輸設備中,調制解調器是不可缺少的一環。調制解調器的調制方式主要有頻移鍵控(FSK)、相對相移鍵控(DPSK)等,其中最小頻移鍵控(MSK)調制方式是FSK方式中較好的一種。MSK調制方式是連續相位頻率鍵控(CP-FSK)方式的特殊情況,其調制系數為0.5。MSK信號在碼元轉換瞬間沒有相位突變,因而信號頻譜在頻帶之外的滾降會加快,占用頻帶比PSK信號窄,但卻具有與PSK相同的性能,非常適合在無線通信中使用。
MSM6882是日本OKI公司生產的采用MSK調制方式的調制解調芯片。它的工作溫度為-25℃~70℃,采用DIP22或SOC24封裝,其主要特點如下:
片內濾波器采用開關電容結構;
數據傳送波特率1200/2400bps可選;
片內發送濾波器可作為音頻信號濾波器單獨使用;
接收定時再生電路有兩種同步方式供用戶選擇;
片內集成有振蕩電路;
調制可采用正弦或余弦方式;
采用單5V電源供電(MSM6882-5)。
2MSM6882的引腳功能
MSM6882的引腳排列如圖1所示,其引腳功能描述如下:
X1、X2:晶體輸入腳。當外接時鐘時,X1懸空。
MCS:時鐘頻率選擇端。該腳為“0”時,外部晶振或時鐘選擇3.6864MHz,為“1”時,外部晶振或時鐘選擇7.3728MHz。
ME:調制器使能端。該端為“0”時,TI腳與發送低通濾波器相連,為“1”時,調制器與發送低通濾波器相連。
SD:發送數據輸入腳。
ST:發送時鐘輸出腳。使用時可用ST信號的上升沿同步SD腳的信號。
SIN:正弦調制方式選擇。
PRE:發送數據預置選擇。為“0”時,SD腳信號輸出至AO腳。
BR:波特率選擇位。其選擇方式見表1所列。
表1波特率選擇表
時鐘頻率(MHz)MCSBR波特率(bps)
7.3728112400
101200
3.6864001200
SG:片內模擬信號地。
GND:芯片電源地。
TI:音頻信號輸入。
AO:調制信號輸出。
AI:解調信號輸入。
CDT,CDO:芯片測試腳。正常使用時,CDT腳應接地,CDO腳懸空。
RD:接收數據端。經解調后的信號由此腳串行輸出。
RT:接收數據時鐘。使用時可用RT信號的下降沿同步RD腳數據。
CF:快速鎖相控制。該端為“1”時,RD腳和RT腳的輸出信號相位差大于22.5°,相位校正將快速完成;如果相位差小于22.5°,相位校正以低速進行。而在該腳為“0”時,無論RD腳和RT腳的輸出信號相位差為多少,相位校正均以低速進行。通常情況下該腳接高電平,即選擇快速鎖相方式。
CT:同步方式選擇。為“0”時,鎖相環在50比特內完成相位同步。為“1”時,鎖相環在18比特內完成相位同步。
FT:自環測試控制。通常接高電平。
VDD:芯片電源端口。
3MSM6882的內部結構原理
MSM6882的內部結構如圖2所示。該電路主要由三個部分組成:發送電路、接收電路和時鐘發生電路。發送電路包括調制器、發送低通濾波器和兩個RC低通濾波器。它在PRE和SIN輸入信號控制下可完成對輸入二進制數據的調制或輸入音頻信號的濾波。在完成調制功能時,首先由調制器將輸入數據調制為MSK信號,再由發送濾波器和兩個RC低通濾波器濾除高頻分量并加以平滑后,輸出到線路上。在完成音頻濾波功能時,發送濾波器將與調制器斷開而與TI端接通,從而直接將輸入的音頻信號濾波并送至線路。
接收電路由RC低通濾波器、混頻器、接收帶通濾波器、限幅器、采樣保持電路、延遲檢測器、檢測后置濾波器和定時再生器組成。接收信號經接收濾波器濾除雜波后,可由限幅器和采樣保持電路變換為方波信號輸入延遲檢測器。然后由延遲檢測器恢復出解調數據,經檢測濾波送入定時再生電路以提取接收時鐘,最后將接收時鐘和解調數據輸出。
圖3
時鐘發生電路可為整個電路提供時序信號。
4應用電路
圖3給出了MSM6882的實際應用電路。此電路的通信波特率為1200bps,由于MSM6882的發送數據和接收數據均需要有同步時鐘來同步,因此應選擇82C51異步串行通信接口芯片來使MSM6882與AT89S52微處理器相連接。通過AT82C51的RTS腳可控制電臺的PTT,而RTS則通過反相信號控制MSM6882的發送使能。電臺的SPK腳和MIC腳通過各自的耦合回路與MSM6882的AI腳和AO腳相連。在設計時,82C51單片機CLK腳的輸入時鐘周期應在0.42μs到1.35μs范圍內,否則芯片可能不能正常工作。由于MSM6882的AO腳的輸出電平較高,因此,通過可調電阻W1可調節調制信號輸入到電臺的幅值。從電臺接口出來的SPK信號一路經信號限幅后送入MSM6882的AI腳,另外一路經放大、檢波、幅值比較后送入82C51的DSR腳,以作為載波檢測信號。同時,通過W2調節載波檢測信號的靈敏度。當系統檢測到該信號時,可以采取延時發送的方式來避免同頻干擾和信道阻塞。對82C51的操作方法可參考相關書籍,這里不再重復。對于抗干擾性要求較高的場合,電臺和調制解調器之間可采取加入傳輸線變壓器的方法將兩端的電信號進行隔離,由于篇幅所限,這里不再贅述。
P操作系統
NIPXI-5660
2.7GHzRF信號分析儀,9kHz到2.7GHz,20MHz實時帶寬,80dB真實動態范圍
NIPXI-5670
RF信號源,250kHz到2.7GHz,16位,100MS/s任意波形發生,22MHz實時帶寬
NIPXI-5122
14位數字化儀,100MS/s實時采樣,2GS/s隨機間隔采樣,100MHz帶寬
NIPXI-4070
6位半數字萬用表,6ppm精度
其中,NIPXI-5660被用作矢量信號分析儀,NIPXI-5670被用作射頻信號源,NIPXI-5122被用作示波器,NIPXI-4070被用作數字萬用表。
軟件上使用了LabVIEW圖像化開發環境和NI-DAQmx驅動程序。
關鍵詞:BACnet智能建筑樓宇自動化面向對象
隨著計算機、通信、控制和圖形顯示技術即4C技術的快速發展和全球對信息高速公路的大力建設,智能建筑,這個數字化、網絡化和信息化的結合產物開始進入人們的視野。然而,如今智能建筑內各種控制功能變得愈發強大而復雜,致使不同廠商生產的設備使用于同一建筑物內,但各個廠商基本上都是開發自己專有的通信協議,于是各式各樣的通信協議和設備給智能建筑的系統集成及管理使用帶來諸多不便,用戶處于受制于廠商而使造價提高、使用和維護費用增加的境地。所以制定一個開放的、統一的通信協議標準,并形成即插即用(plugandplay)的環境,就成為十分迫切需要解決的問題。
目前,在智能建筑領域,現場總線和通信協議主要有:(1)最初應用于工業控制領域的總線協議,如具有代表性的Profibus總線、Lonworks總線、CAN總線等;(2)專門針對智能建筑的總線和通信協議,如美國的BACnet和CEBus、歐洲的EIB等。本文就其中的BACnet作詳細介紹。
圖1BACnet的體系結構層次圖
1BACnet協議概述
樓宇自動控制網絡數據通信協議BACnet(AData
CommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNetwork)由美國供熱、制冷與空調工程師協會組織的標準項目委員會135P于1995年6月正式通過制定。標準編號為ANSI/ASHRAEStandardl35-1995,同年12月正式成為美國國家標準,并得到歐盟標準委員會的承認,成為歐盟標準草案。2000年1月ISO組織TC205委員會的15個國家(中國、法國、日本、英國、美國等)的代表一致通過決議,將BACnet作為“委員會草案”進行廣泛評議,適當修改后列為“國際標準化草案”,最后成為國際標準。
一般樓宇自控設備從功能上講分為兩部分:一部分專門處理設備的控制功能;另一部分專門處理設備的數據通信功能。而BACnet就是要建立一種統一的數據通信標準,使得設備可以互操作。BACnet協議只是規定了設備之間通信的規則,并不涉及實現細節。
BACnet協議模型為:(1)所有的網絡設備,除基于MS/TP協議的以外,都是完全對等的(peertopeer);(2)每個設備都是一個“對象”的實體,每個對象用其“屬性”描述,并提供了在網絡中識別和訪問設備的方法;設備相互通信是通過讀/寫某些設備對象的屬性,以及利用協議提供的“服務”完成;(3)設備的完善性(Sophistication),即其實現服務請求或理解對象類型種類的能力,由設備的“一致性類別”(ConformanceClass)所反映。
1.1BACnet的體系結構
BACnet是一種針對智能建筑的開放性的網絡協議,遵循OSI模型體系結構,BACnet體系結構層次圖如圖1所示。BACnet協議從硬/軟件實現、數據傳輸速率、系統兼容和網絡應用等幾方面考慮,目前支持五種組合類型的數據鏈路/物理層規范。其中主從/令牌傳遞(MS/TP)協議是專門針對樓宇自控設備設計的數據鏈路規范。BACnet在物理介質上,支持雙絞線、同軸電纜和光纜。在拓撲結構上,支持星型和總線拓撲。
BACnet沒有嚴格規定網絡拓撲結構,如圖2所示。其中:網段(Segment)是多個物理網段通過中繼器(R)連接形成的段落區間;網絡是多個網段通過網橋(B)連接而成的,每個網絡都形成一個MAC地址域;BACnet/Internet網絡是將使用不同局域網技術的多個網絡用路由器(RT)互聯起來形成的網際網。
在BACnet拓撲中設備之間只存在一條邏輯通路,無需廣域網的最優路由算法;其次,BACnet具有單一的局部地址空間,所以BACnet參照OSI模型制定了簡化的網絡層協議,向應用層提供不確認無連接的數據單元傳送服務。每個BACnet設備都被一個網絡號碼和一個MAC地址唯一確定。
網絡層通過“路由器”實現兩個或多個異類BACnet局域網(不同的數鏈層)的連接,并通過協議報文進行“路由器”的自動配置、路由表維護和擁塞控制。BACnet路由器與每個網絡的連接處稱為一個“端口”。路由表中包含端口的下列項目:(1)端口所連接網絡的MAC地址和網絡號;(2)端口可到達網絡的網絡號列表及與這些網絡的連接狀態。圖2中,“1/2RT”是半路由器,由PTP連接形成一個完整的BACnet路由器,即BACnet網際網將廣域網技術向應用層屏蔽。
BACnet應用層即BACnet應用實體,通過API(應用編程接口)為上層應用程序服務,并與對等應用層實體通信。應用實體由兩部分組成:用戶單元和應用服務單元(ASE)。ASE是一組特定內容的應用服務。而用戶單元支持本地API、保存事務處理上下文信息、產生請求ID、記錄ID對應的應用服務響應、維護超時重傳機制所需的計數器以及將設備行為要求映射為對象。
BACnet應用層提供證實和非證實兩種類型的服務。BACnet定義了四種服務原語:請求、指示、響應和證實,它們通過應用層協議數據單元(APDU)傳遞。由于BACnet建立在無連接的通信模式上,所以OSI模型提供端到端服務的傳輸層部分簡化功能也由應用層實現,分別為:可靠的端到端傳輸和差錯校驗;報文分段和流量控制;報文重組和序列控制。
1.2BACnet的對象、服務和功能組
BACnet采用面向對象技術,借此提供一種表示樓宇自控設備的標準。在BACnet中,對象就是在網絡設備之間傳輸的一組數據結構,網絡設備通過讀取、修改封裝在應用層APDU中的對象數據結構,實現互操作。BACnet目前定義了18個對象,如表1所示,每個對象都必須有三個屬性:對象標志符(Object_Identifier)、對象名稱(Object_Name)和對象類型(Object_Type)。其中,對象標志符用來唯一標識對象;BACnet設備可以通過廣播自身包含的某個對象的對象名稱,與包含相關對象的設備建立聯系。BACnet協議要求每個設備都要包含“設備對象”,通過對其屬性的讀取可以讓網絡獲得設備的全部信息。
表1BACnet對象
對象名稱應用舉例
01模擬輸入AnalogInput模擬傳感器輸入如機械開關On/Off輸入
02模擬輸出AnalogOutput模擬控制量輸出
03模擬值AnalogValue模擬控制設備參數如設備閥值
04數字輸入BinaryInput數字傳感器輸入如電子開關On/Off輸入
05數字輸出BinaryOutput繼電器輸出
06數字值BinaryValue數字控制系統參數
07命令Command向多設備多對象寫多值如日期設置
08日歷表Calender程序定義的事件執行日期列表
09時間表Schedule周期操作時間表
10事件登記EventEnrollment描述錯誤狀態事件如輸入值超界或報警事件。通知一個設備對象,也可通過“通知類”對象通知多設備對象
11文件File允許訪問(讀/寫)設備支持的數據文件
12組Group提供單一操作下訪問多對象多屬性
13環Loop提供訪問一個“控制環”的標準化操作
14多態輸入Multi-stateOutput表述多狀態處理程序的狀況,如制冷設備開、關和除霜循環
15多態輸出Multi-stateOutput表述多狀態處理程序的期望狀態,如制冷設備開始冷卻、除霜的時間
16通知類NotificationClass包含一個設備列表,配合“事件登記”對象將報警報文發送給多設備
17程序Program允許設備應用程序開始和停止、裝載和卸載,并報告程序當前狀態
18設備Device其屬性表示設備支持的對象和服務以及設備商和固件版本等信息
在BACnet中,把對象的方法稱為服務,對象及其屬性提供了對一個樓宇自控設備“網絡可見信息”的抽象描述,而服務提供了如何訪問和操作這些信息的命令和方法。BACnet設備通過在網絡中傳遞服務請求和服務應答報文實現服務。BACnet定義了35種服務,并將其劃分為6個類別:(1)報警與事件服務(AlarmandEventServices)包含8種服務處理環境狀態的變化,提供了BACnet設備預設的請求值改變通告、請求報警或事件狀態摘要、發送報警或事件通知、收到報警通知確認等方法;(2)文件訪問服務(FileAccessServices)包含2種服務,提供讀寫文件的方法,包括上/下載控制程序和數據庫的能力;(3)對象訪問服務(ObjectAccessServices)包含9種服務,提供了讀、修改和寫屬性值以及增刪對象的方法;(4)遠程設備管理服務(RemoteDeviceManagementServices)包含11種服務,提供對BACnet設備進行維護和故障檢測的工具、方法;(5)虛擬終端服務(VirtualTerminalServices)包含3種服務,提供了一種面向字符的數據雙向交換機制,使其他具有專有特性的樓宇自控設備成為一個BACnet虛擬終端并使BACnet網絡能對其進行重構;(6)網絡安全服務(NetworkSecurityServices)包含2種服務,提供對等實體驗證、數據源驗證、操作者驗證和數據加密等功能。
BACnet功能組規定了實現特定控制功能所需的對象和服務的組合。BACnet已定義了13個功能組,包括時鐘功能組、事件響應功能組、文件功能組、虛擬終端功能組、設備通信功能組等。
1.3BACnet設備級別和設備等級說明
在實際的樓宇自動化系統中,沒有必要也不可能所有的設備都支持、包含上述所有的對象和服務。因此,BACnet定義了6個一致性類別(設備級別)。一致性類別的分級編號為1~6,最低級別是類別l。每個類別都規定了設備要實現的最小服務子集,且包含低級別的所有服務。
為了幫助用戶和工程人員確定不同BACnet設備之間的互操作性,需要廠商為每個設備提供標準格式文件以標識設備中己實現的BACnet標準的內容,即文件需包括設備符合BACnet等級的說明。這個文件就是PICS(ProtocolImplementationConformanceStatement),它包括:(1)標識廠商和描述設備的基本信息;(2)設備符合BACnet的級別;(3)設備所支持的功能組;(4)設備所支持的基于標準或專有的服務,設備啟動或響應服務請求的能力;(5)設備所支持的基于標準或專有的對象類型及其屬性描述;(6)設備支持的數據鏈路技術;(7)設備支持的分段請求和響應。
2BACnet的互聯網擴展
目前,BACnet標準使用兩種技術實現與Internet的互聯。第一種技術附件H中稱之為“隧道”技術,并將其設備稱之為分組封裝/拆裝設備,簡稱PAD。其作用就像一個網關/路由器,這在圖2中兩個半路由器連接廣域網形成一個完全的BACnet路由器有所體現。第二種技術附件J中稱之為BACnet/IP,設備直接封裝IP幀/包在BACnet網絡和Internet上傳輸。
PAD將BACnet報文數據封裝在IP協議數據包內傳輸,在目的BACnet網絡解封。因此每個連接Internet的BACnet網絡都要配置PAD網關/路由器。它可以是一個單獨的設備,也可以是某種樓宇控制設備功能的一部分。
選擇最佳的位置,調節載波頻率配置,均衡交通分配,提高網絡質量。為了獲得最佳的覆蓋以及良好的維護,確保設備完好率;但要提高網絡質量和優化網絡參數,只做優化的功能,不能充分體現基于網絡的維護。對企業服務、維護客戶服務、維護的最終目標是為互聯網用戶提供高質量的網絡服務,最終的目標只能通過優化網絡維護的實施,維護工作具有重要的現實意義。在傳輸網絡的建設和運營多年后,會出現一些問題,如設備老化,傳輸質量和傳輸速率不能滿足業務需求;網絡的拓撲結構是不科學的,網絡維護困難,企業不能滿足安全需求;網絡資源的低利用率,網絡管理有待加強。
基礎維護做的好,可確保設備完好率,要提高網絡質量,必須要優化網絡參數,即進行無線通信網絡優化。只有搞好無線通信網絡優化才能使基礎維護的成效得以充分體現。維護為經營服務,經營為用戶服務,維護的最終目標是為網上用戶提供高質量的網絡服務,而只有通過無線通信網絡優化才能實現維護的最終目標,維護工作才有實際的意義。
二、提高數據通信效率與質量
目前,最大的困難是無線數據傳輸,數據傳輸和接收節點的移動,其移動速度會更快,這是因為在高速數據傳輸信道的功率波動的條件。換句話說,發射機可以有一個強大的能力來傳輸信號發送消息,但由于發射機和轉播是在快速移動的狀態信息可能會被削弱,實際到達時間和削弱信息可能導致信息失真。為了解決這個問題,一個科學和計算機工程活動,亞力山大海倫和其他研究人員,北卡羅來那大學教授想出了一個辦法來提高每個節點在整個網絡的數據傳輸能力,選擇最佳路徑;同時選擇最可靠的數據傳輸。海倫說“我們的目標是獲得最大的數據傳輸速度快,且不會使信號失真?!碑斠粋€節點需要發送信息,首先需要計算從中繼接收數據的強度,然后將這些數據轉化成一個算法,通過計算,可以預測一個繼電器是在信息的傳輸。此外,中繼傳輸的強度,該算法可以看出哪一個中繼節點可以發送數據。如果一個中繼傳輸太多太快,信息和數據的質量將受到影響,同時如果數據傳輸速度太慢,網絡將無法運行,無法提高效率高。
三、結束語
系統構成
隨著CDMA技術的發展及應用,近年來以CDMA網絡作為無線數據傳輸的平臺,也被應用到了海洋資料浮標上。將CDMA數據終端和數據接收中心接入到CDMA網絡平臺中來實現浮標數據的傳輸。浮標總體系統框架如圖1所示。
浮標系統通訊部分包含了浮標端的數據發射終端和浮標數據接收處理端的數據接收中心。浮標數據發射終端DTU硬件組成部分主要包括CPU控制模塊、無線通訊模塊以及電源模塊等。CD-MADTU內部封裝了PPP撥號協議以及TCP/IP協議棧并且具有嵌入式操作系統,從硬件上,它可看作是嵌入式PC與無線CDMAMODEM的結合;它具備CDMA撥號上網以及TCP/IP數據通信的功能。并且提供串口數據雙向轉換功能。另外DTU采用了心跳包,可保持永久在線。浮標數據接收處理端的數據接收中心包括接收系統和數據庫。
系統方案
本系統采用點對點數據傳輸方式。CDMADTU開機之后自動連接到CDMA網絡中,并與數據中心建立通信鏈路。CDMADTU通過串口將數據從數據采集處理系統讀入,然后對數據打包,使用AT指令以報文形式通過網絡發送到具有固定公網IP的數據中心。數據接收中心通過網絡接收到數據后,然后對數據解析。數據解析后,顯示數據并存儲數據。
資料浮標數據中心軟件設計
1接收系統軟件設計
浮標數據接收中心安裝在具有固定公網IP的電腦上,本系統采用專線。若中心電腦是通過路由器上網的,在路由器上要設置數據轉發。數據接收中心包含三個方面:數據通信、數據處理及系統配置。上位機軟件采用VisualC++進行編程。程序采用了UML建模思想。一是根據采集的參數設計了各個參數組件,如氣溫、氣壓等控件。在主程序中調用參數組件顯示接收到的數據。二是狀態機的設計。根據接收情況分為不同處理方式。
CDMA接收程序中,讀取DTU發送的數據包有三種方式:阻塞、非阻塞及消息模式。文中采用消息模式。消息模式基于windows的消息機制,啟動服務的時候DSC需要傳輸一個窗口句柄、一個消息類型給開發包,同時窗口實現一個消息處理函數來處理該消息類型。開發包在收到數據的時候,將向觸發消息函數,通過消息函數自動完成數據的讀取、處理過程的流程。數據通信子程序的流程圖如圖2所示:在數據通信模塊與數據處理模塊關聯中,文中采用了有限狀態機FSM思想。有限狀態機的工作原理為發生事件(event)后,根據當前狀態(current_state),決定執行的動作(action),并設置下一個狀態號(next_state)。
本程序采用switchcaseFSM。數據處理軟件設計流程如圖3所示,其中數據處理程序中還包含了波浪主波向確定方法,即對十六個采樣點采用加權平均的方式求出主波向。系統配置:通過查詢,可以獲得浮標主機參數配置,同時也可以通過無線網絡設定浮標各個傳感器的工作模式。包括采樣間隔、發送數據時間、是整點發送還是半點發送。
2數據庫
數據庫系統包括兩個部分:實時數據存儲、數據查詢和數據管理。實時數據存儲:系統整點接收到數據后,不僅在實時界面顯示浮標各參數數據。同時為了清晰地看出浮標參數的變化,添加了參數的曲線示意圖。而且對整點接收到的數據存入到數據庫中,同時根據庫中已存數據,進行日統計數據的輸出顯示。由于浮標存儲的數據不是大容量數據,而access數據庫操作簡潔、方便,不用依賴Server也可以對數據進行操作,因此本系統采用了access數據庫存儲數據。數據查詢:可以查詢某個時間段的數據。同時也可以導入到excel表格中。加以改進可以生成每月浮標數據報表。
數據管理:由于實時顯示的只是各整點的數據,而中間采樣點的數據是以二進制文件存儲在計算機中的,要想直觀查看采樣點數據,就必須對數據進行處理,因此在數據管理中可以看到采樣點數據原始數據及處理后的數據。數據管理模塊還可以擴展插入、刪除數據庫數據操作等。
資料浮標數據對比及結論
為了測試浮標的整體性能,海洋監測實驗室于2011年8月在上海蘆潮港海洋站附近布放SZF型多功能波浪浮標一套,與蘆潮港海洋觀測站進行一個星期的比測。其氣象數據對比圖如圖4、5所示。從上述對比曲線可以看出,浮標測得的氣象數據和海洋站測得的數據基本一致。2012年3月13日至17日于象山海域使用波浪騎士進行了波浪比測試驗,其對比結果如表1。國外主波向計算一般采用畫方向譜然后分析得到主波向。國內對方向譜研究也有一定成果。如管長龍等研究的擴展本征矢法(EEV)等,文中也對波浪譜進行了分析,結果基本符合要求。
信息安全體系模型由基礎安全設施、信息安全管理、安全技術支撐和安全保障服務四個層面構成,為事后數據處理系統提供全面的安全體系保障。•基礎安全設施:基礎安全設施為數據處理系統信息安全體系建立一個可相互信任的環境,是其他安全技術實施的基礎?;A安全設施以PKI(公鑰基礎設施)/PMI(特權管理基礎設施)/KMI(密鑰基礎設施)技術為核心,實現證書認證、權限管理、密鑰管理、可信時間戳、密碼服務等功能。•信息安全管理:在數據處理系統信息安全體系中,管理占有相當大的比重。信息安全管理包括策略管理、組織管理、制度管理、網絡管理、設備管理、系統管理、病毒管理、介質管理、安全審計管理等功能。•安全技術支撐:利用各類安全產品和技術建立起事后數據處理安全技術支撐平臺。安全技術支撐包括物理安全、運行安全和信息安全。物理安全包括環境安全、設備安全和介質安全;運行安全采用防病毒、入侵檢測和代碼防護等成熟技術對網絡進行防護;信息安全包括訪問控制、信息加密、電磁泄漏發射防護、安全審計、數據庫安全等功能。•安全保障服務:安全保障服務確保在出現自然災害、系統崩潰、網絡攻擊或硬件故障下,事后數據處理系統得以快速響應和恢復,并定期進行安全培訓服務,建立安全可靠的服務保障機制。
2體系劃分
2.1基礎安全設施
事后數據處理系統基礎安全設施是以PKI/PMI/KMI技術為基礎而構建的證書認證、權限管理、密鑰管理和密碼服務等基礎設施。基礎安全設施提供的技術支撐適用于整個事后數據處理系統,具有通用性?;A安全設施的技術運行和管理具有相對的獨立性。1)證書認證證書認證是對數字證書進行全過程的安全管理。由證書簽發、密鑰管理、證書管理、本地注冊、證書/證書撤銷列表查詢、遠程注冊等部分構成。2)權限管理權限管理是信息安全體系基礎安全設施的重要組成部分。它采用基于角色的訪問控制技術,通過分級的、自上而下的權限管理職能的劃分和委派,建立統一的特權管理基礎設施,在統一的授權管理策略的指導下實現分布式的權限管理。權限管理能夠按照統一的策略實現層次化的信息資源結構和關系的描述和管理,提供統一的、基于角色和用戶組的授權管理,對授權管理和訪問控制決策策略進行統一的描述、管理和實施。建立統一的權限管理,不僅能夠解決面向單獨業務系統或軟件平臺設計的權限管理機制帶來的權限定義和劃分不統一、各訪問控制點安全策略不一致、管理操作冗余、管理復雜等問題,還能夠提高授權的可管理性,降低授權管理的復雜度和管理成本,方便應用系統的開發,提高整個系統的安全性和可用性。3)密鑰管理密鑰管理是指密鑰管理基礎設施,為基礎安全設施提供支持,并提供證書密鑰的生成、存儲、認證、分發、查詢、注銷、歸檔及恢復等管理服務。密鑰管理與證書認證服務按照“統一規劃、同步建設、獨立設置、分別管理、有機結合”的原則進行建設和管理,由指定專人維護管理。密鑰管理與證書認證是分別設立,各自管理,緊密聯系,共同組成一個完整的數字證書認證系統。密鑰管理主要為證書認證提供用戶需要的加密用的公/私密鑰對,并為用戶提供密鑰恢復服務。4)密碼服務密碼服務要構建一個相對獨立的、可信的計算環境,進行安全密碼算法處理。根據系統規模,可采用集中式或分布式計算技術,系統性能動態可擴展。事后數據處理系統采用集中式計算技術。
2.2安全技術支撐
安全技術支撐是利用各類安全產品和技術建立起安全技術支撐平臺。安全技術支撐包括物理安全、運行安全和信息安全。物理安全包括環境安全、設備安全和介質安全;運行安全包括防病毒、入侵檢測和代碼防護等;信息安全包括訪問控制、信息加密、電磁泄漏發射防護、安全審計、數據庫安全等功能。
2.2.1物理安全
物理安全的目標是保護計算機信息系統的設備、設施、媒體和信息免遭自然災害、環境事故、人為物理操作失誤、各種以物理手段進行的違法犯罪行為導致的破壞、丟失。物理安全主要包括環境安全、設備安全和介質安全三方面。對事后數據處理中心的各種計算機、外設設備、數據處理系統等物理設備的安全保護尤其重要。對攜帶進入數據處理中心的U盤、移動硬盤、可攜帶筆記本等移動介質進行單獨安全處理。
2.2.2運行安全
運行安全采用防火墻、入侵檢測、入侵防護、病毒防治、傳輸加密、安全虛擬專網等成熟技術,利用物理環境保護、邊界保護、系統加固、節點數據保護、數據傳輸保護等手段,通過對網絡和系統安全防護的統一設計和統一配置,實現全系統高效、可靠的運行安全防護。系統安全域劃分為事后數據處理中心專網安全域、靶場專網安全域、外聯網安全域。事后數據處理中心專網與靶場專網安全域邏輯隔離,靶場專網與外聯網安全域邏輯隔離。1)防火墻防火墻技術以包過濾防火墻為主,對系統劃分的各個安全域進行邊界保護。在事后數據處理中心出入口、網絡節點出入口、外網出入口等節點安裝配置防火墻設備,保證數據傳輸安全。2)入侵檢測入侵檢測對事后數據處理系統的關鍵安全域進行動態風險監控,使用成熟的入侵檢測技術對整個系統網絡的入侵進行防控。3)病毒防治在各網絡節點保證出入站的電子郵件、數據及文件安全,保證網絡協議的使用安全,防止引入外部病毒。在事后數據處理系統的重要系統服務器(包括專業處理服務器、數據服務器等)配置服務器防病毒產品。在所有桌面系統配置防病毒防護產品,提供全面的跨平臺病毒掃描及清除保護,阻止病毒通過軟盤、光盤等進入事后數據處理系統網絡,同時控制病毒從工作站向服務器或網絡傳播。在事后數據處理中心配置防病毒管理控制中心,通過安全管理平臺管理控制服務器、控制臺和程序,進行各個防病毒安全域的防病毒系統的管理和配置。
2.2.3信息安全
信息安全包括訪問控制、信息加密、電磁泄漏發射防護、安全審計、數據庫安全等功能。信息安全技術是保證事后數據處理中心的原始測量數據、計算結果數據、圖像數據等各類數據的安全技術,使用成熟的安全信息技術產品完成全面的信息安全保障。1)訪問控制訪問控制主要包括防止非法的人員或計算機進入數據處理中心的系統,允許合法用戶訪問受保護的系統,防止合法的用戶對權限較高的網絡資源進行非授權的訪問。訪問控制根據方式可分為自主訪問控制和強制訪問控制。自主訪問控制是事后數據處理中心各級用戶自身創建的對象進行訪問,并授予指定的訪問權限;強制訪問控制是由系統或指定安全員對特定的數據、對象進行統一的強制性控制,即使是對象的創建者,也無權訪問。2)安全審計事后數據處理中心運用安全審計技術對系統的軟件系統、設備使用、網絡資源、安全事件等進行全面的審計??山踩C軝z測控制中心,負責對系統安全的監測、控制、處理和審計,所有的安全保密服務功能、網絡中的所有層次都與審計跟蹤系統有關。3)數據庫安全數據庫系統的安全特性主要是針對數據而言的,包括數據獨立性、數據安全性、數據完整性、并發控制、故障恢復等幾個方面。
3事后處理系統解決方案
事后數據處理系統主要用于完成遙測和外測的事后數據處理任務,提供目標內外彈道參數,并存儲和管理各類測量數據,為各種武器試驗的故障分析和性能評定提供支撐和依據。該系統必須具備的主要功能如下:•海量的數據輸入輸出和存儲管理功能;•快速的各類試驗測量數據處理功能;•可靠的數據質量評估和精度分析功能;•有效的信息安全防護功能;•強大的數據、圖像、曲線顯示分析以及報告自動生成功能。建立事后數據處理系統信息安全運行與管理的基礎平臺,構建整個系統信息安全的安全支撐體系,保證事后數據處理系統各種業務應用的安全運行,通過技術手段實現事后數據處理系統安全可管理、安全可控制的目標,使安全保護策略貫穿到系統的物理環境、網絡環境、系統環境、應用環境、災備環境和管理環境的各個層面。•實現事后數據處理任務信息、型號信息、處理模型、模型參數、原始數據、計算結果、圖像數據的安全保護;•建立起認證快捷安全、權限/密鑰管理完備、密碼服務安全的安全設施;•建立起功能齊全、協調高效、信息共享、監控嚴密、安全穩定的安全技術支撐平臺;•建立事后數據處理系統信息安全體系的技術標準、規范和規章制度。
4結語
關鍵詞:電力系統;動態信息數據庫;磁盤保存形式;內存映射
0引言
數據庫技術在電力系統電網調度自動化中得到廣泛使用。借助數據庫,能夠有效保存不同離散遙信量,能夠記錄各種電壓、電流等不同數據信息。數據庫能夠保存各種歷史信息內容,供電網使用。歷史數據的合理保存是數據分析的關鍵和基礎,促使低頻采樣周期數據滿足實際需求。
1基于時間序列下動態信息數據庫框架
電力系統動態信息數據庫分為三層。第一層是數據保存層,主要是文件管理和磁盤緩存模塊,合理保存大量動態信息。第二層是數據處理層,一般是網絡通信、數據解壓和查詢等不同模塊,主要工作是保存數據,合理壓縮,在形成索引前合理處理,并及時對數據進行查詢、統計、后期處理等。第三層是應用程序接口,可以二次開發利用。動態信息數據庫系統主要由三部分組成,分別是服務器、命名服務器和數據訪問客戶。數據處理器是動態信息數據庫的中心,能夠合理壓縮和查詢數據。命名服務器能夠控制數據。數據訪問由兩部分組成,第一是動態信息數據庫維護,第二是保存和查詢二次接口。數據服務器啟動運作期間,需要向命名服務器注冊具體名稱和地質。客戶端訪問工作期間,在處理服務器前期,需要和命名服務器連接,處理訪問數據地址,合理保存數據[1]。
2電力系統動態信息數據庫關鍵技術應用
電力系統動態信息數據庫的關鍵是建立在時間序列基礎下的動態數據保存、管理和查詢對策劃,關鍵技術主要是并發數據處理機制、內存映射文件、磁盤處理形式等[2]。
2.1并發數據處理機制
動態信息數據庫高效工作的關鍵是滿足客戶端提出的需求,強化磁盤文件交互質量和效果。通常情況下,基于多核CPU技術形式,合理使用服務端處理線程,強化計算處理能力,即合理處理物理磁盤讀寫速度問題,分析磁盤高速數據吞吐間的平衡程度。數據處理主要是寫和讀兩種形式[3]。為使數據可以達到高速處理基本要求,需要借助線程池技術處理數據,有效使用不同CPU并行在一個TCP連接上,進行報文處理工作,即對一個連接上的任務進行并行化處理,達到高質量處理效果。并行處理技術在書寫數據期間,能夠最大限度提升服務端數據處理效果。通常情況下,數據處理速度是300萬事件1s。數據讀取處理和線程池技術,可并行處理不同客戶的真實需求。系統設置高度緩存區,借助ORACL數據庫綜合分析策略,保持高速緩存,在并發查詢中實現數據的有效共享和分析,從而高效訪問終極目標。并行化處理技術讀取數據期間,能夠提升服務端的整體速度,通過實際測試系統實現20個并行查詢期間,客戶讀取時間大概為10萬事件1s。
2.2內存映射文件形式和磁盤保存機制
動態信息數據庫保存TB級別的所有數據文件,能提升文件磁盤處理速度,是動態信息數據庫提升工作效率的基礎。借助統一化磁盤保存技術處理內部映射文件,不同工作線程對數據文件部分進行映射處理,達到高度保存數據的基本要求。內存映射文件形式。內存映射文件形式和虛擬內存相差無幾。借助內存映射文件保存一個地址空間保存區域,將物理保存期上交到此區域內部,內存文件物理保存器將其保存在磁盤上,即非系統文件內容。文件操作前期需要進行映射工作,將整個文件從磁盤中加載,借助內存映射文件有效處理磁盤上的文件。所有文件保存形式都采用直接管理形式,能夠節省很多內存,使文件釋放更多時間。部分映射的緩存管理機制建設。因為需要以TB級別形式保存所有數據源、文件,所以不能一次性將所有數據信息全面映射在內存文件,需要借助緩存管理形式保存和分享海量信息。緩存管理一般使用固定內存形式,將內部含有的各種數據不斷映射在處理服務器地址空間,進而達到更好的保存效果。對于系統中存在的動態數據信息,通過索引形式確定。磁盤緩存管理器中存在的數據,全部放置到一個共同緩存區域,依據LRU對策合理化管理。
2.3關聯數據保存形式
結合電力系統的根本特征進行分析,標記保存的歷史數據,主要包括時標、數據值和質量碼三種形式。電力系統基本特征格式如下:時標8字節、數據值4字節、質量碼4字節。時標主要利用2字節整數表示,精準度為1μs,數據值可以使用精準浮點表示,質量標志一般利用4字節整數表示。因此,一個完整事件點使用的保存空間一般為16字節。
2.4電力系統數據收集處理流程
動態海量數據庫可以將不容數據點分為離散數據和連續數據兩種類型。結合數據性質的差異性,使用不同處理形式。離散數據點主要是電力系統中存在很多變化的數值量,比如遙信量、被返回的原始值等,不能進行插植處理。連續數據點對應的是連續變化的測量數值,比如電壓、電流等連續變化的數據。動態海量數據庫需要結合設置的內容進行分析和研究,強化電力系統工作效果。
2.5混合壓縮算法
動態數據庫可以分為兩種形式,分別是有損和無損,整合后最終形成混合壓縮算法。有損壓縮就是使用線性帶寬壓縮算法,壓縮率為8~10。無損壓縮就是將浮點依據IEEE-754表示形式分為1位、7位和23位,小數需要再次壓縮,精準度處理。將三部分數值全部壓縮處理后,以隨機序列形式將其擴大為原來的3~5倍。質量位可以借助哈夫曼算法合理處理,連續量可以使用混合壓縮算法。壓縮率是有損和無損的乘積。分析數據的最終特征,確保動態信息的壓縮效果,是通常情況下的25~30倍。
2.6電力系統數據采集處理步驟
動態數據庫中有很多數據內容,可以分為離散數據點、連續數據點兩種形式,結合數據基本性質差異性,采用不同數據處理形式進行全方位處理和分析。離散數據點主要是電力系統中存在各種有序變化且不連續的量,比如遙信量、設備運行狀態等。對實際工作中存在的各種離散數據點進行壓縮處理,使用系統查詢和保存原始數據信息,整個過程中不使用插值處理。連續數據點是測量和處理一些連續性變化的數據,比如電壓、電流等動態化數據內容,結合具體情況設定壓縮允許誤差,壓縮處理歷史數據,將壓縮后的數據全部保存在磁盤中。
【關鍵字】 數據通信課程 信息化教學設計 教學改革 考核評價
一、課程教學現狀分析
數據通信技術融合了通信技術和計算機技術,是21世紀發展最快、影響最深遠的技術。隨著數據通信技術的應用深入到社會經濟的各個領域,網絡基礎設施建設、管理和維護的人才需求也在不斷增加。高職院校為國家培養基層技術人才,在數據通信網絡領域變得更為緊迫,因而掌握數據通信的理論原理和實操技術對高職網絡通信類專業的學生更為重要。
由于該課程是校企合作專業承上啟下的專業支撐課程,其教學目標是在確定本門課程針對的崗位群之后,根據崗位群對學生專業技能和能力素質的需求,與企業專家共同討論而制定的,并圍繞企業實際的工作項目來設置教學內容,實現學習與實踐的無縫銜接。課程使用中興通訊NC教育系列教材《IP網絡技術》,針對學生基礎薄弱、喜歡動手實踐的特點,校企合作配備了中興公司開發的ZXR10交換機、路由器實訓設備以及Cisco仿真軟件,解決了以往教學過程中,缺乏有效的信息化手段,僅通過知識內容講解,學生無法掌握交換機、路由器的內部結構和開通交換設備的問題。根據實際工作項目的復雜程度,筆者設計出局域網搭建、網絡間互連、網絡擴展技術及應用、交換技術典型案例分析等典型項目,每個項目包含了一系列循序漸進的小任務,配合中興ZXR10系列交換機、路由器及Cisco仿真軟件等實訓設備進行理實一體化教學。學生通過對數據通信課程的學習,能夠掌握數據通信技術的基本構架、原理及組網方式,掌握數據配置和業務調試、設備故障排查、故障處理及設備維護的基本技能,具備IP網絡分析和IP網絡優化與維護的基本技能。經過2年多的項目化教學實踐,不但強化了學生在團隊溝通協調能力、方案設計技能,同時還提升了學生職業素養,取得了良好的教學效果。但由于本門課程理論性強,知識點枯燥,重點難點多,筆者也發現學生在課堂上雖然動手實踐能力得到充分發揮,但學習主動性和創新思維能力還有待進一步增強。
二、信息化教學資源在數據通信課程中的運用
近年來,在信息技術推動職業教育改革創新的大背景下,國內多所高職院校(包括深圳職業技術學院、北京工業職業技術學院等)校企合作專業都相繼開展了信息化教學研究及實踐,取得明顯效果。為提高課程教學水平,強化教學效果,筆者以現代教學理念為指導,以信息技術為支撐,應用現代教學方法,將信息技術、數字資源進行有效融合,充分運用到教學中去,突出教學重點,解決教學難點,系統優化教學過程,最大限度地激發學生的學習主動性。
在教學過程中,筆者借助信息技術將課程教學與實踐教學進行有機融合設計,創造逼真的職場環境和氛圍,基于學生的學習能力、習慣、基礎、層次等特征,以信息技術為支持,充分應用中興ZXR10系列交換機、路由器實訓設備,綜合運用多媒體課件、個人電腦、在線視頻會議系統、中興數據通信助理工程師認證題庫、Cisco仿真教學軟件、“快樂Study11”微信公眾號平臺等信息化資源,將課前預習、課堂學習、課后復習三大過程有序結合,營造出真實的信息化環境,搭建師生、生生高度互動的信息化教學平臺,突出課程教學重點,解決教學難點,系統優化教學過程,最大限度地激發學生的學習興趣,提高學習主動性。
課前,筆者通過公眾微信號推送電子教學任務書,提出了教學目標、教學內容以及本節知識重難點供學生預習,激發學習興趣。課上,在理實一體化教學法的基礎上,綜合運用1+N、團隊合作、角色扮演、競賽角逐等教學方法(如圖1),利用多媒體課件講解分析理論知識,并借助中興ZXR10系列交換機、路由器進行實操演練,Cisco仿真軟件輔助練習。課堂上,筆者作為主講教師負責課程的講授,引導學生去思考,提出項目設計目標,引導學生思考并設計方案。學生運用網絡、實操設備、仿真軟件等信息化手段,根據項目要求,進行個人項目方案設計,小組項目方案設計環節,鍛煉學生分析、解決問題的能力,強化溝通能力。助理教師則輔助學生完成項目設計方案,幫助同學解答疑難問題。當同學設計完成以后,通過在線視頻會議系統,將設計方案上傳給企業老師,通過與實踐經驗豐富的企業教師進行互動,學生的學習興趣明顯提升,企業教師也給予學生更為專業的指導,形成1+N的教學模式。通過項目分組實戰競賽,充分鍛煉學生的團隊合作能力,溝通交流能力,以及未來工作中的可持續發展能力,強化學習效果。
課后,學生可通過公眾號鞏固知識點,查看課后小結,完成章節練習,了解行業資訊,反饋留言,預習新課等,充分利用碎片化時間,隨時隨地進行學習。此外,學生還可免費使用Cisco仿真軟件進行課后拓展提高,復習實操配置任務,鞏固實操技能。在同學們課后提出疑難問題時,教師還可通過QQ群為同學解答,或通過網絡在線直播平臺為有定期開設在線直播課程,學生可通過直播平臺實時提問,教師及時解答。
本課程的考核按實訓40%,平時20%,期末筆試40%計算。遵循過程與結果并重的原則,根據平時項目中的學生自評,小組成員互評,組長重點評價,教師總結評價4種方式進行綜合測評,形成的多元化教學評價,得出學生的實訓考核成績以及平時成績。理論部分的40%則通過期末筆試來考查的專業知識掌握情況。本課程還實行以證代考,學生通過中興數據通信網絡助理工程師認證考試即可獲得本課程成績。