常青

摘 要： 針對(duì)采用當(dāng)前轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)一直存在通信接口轉(zhuǎn)換效率低的問題，提出一種互聯(lián)網(wǎng)通信接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先對(duì)惡劣環(huán)境下互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)硬件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，中央處理器與可編程邏輯門陣列間的接口部分主要負(fù)責(zé)控制通信轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)控制芯片與可編程邏輯門陣列間的接口部分負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)通信總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，異步收發(fā)傳輸器接口部分負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。構(gòu)建具有通信讀寫控制信號(hào)功能的分布式區(qū)域異步的存儲(chǔ)器。軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)從通信線速上對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析，給出互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)滿足的約束條件，在該約束條件下以間斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，完成對(duì)惡劣環(huán)境下互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效地提高惡劣環(huán)境下互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信性能，降低網(wǎng)絡(luò)通信能耗。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換； 互聯(lián)網(wǎng)通信接口； 控制芯片； 分布式； 自適應(yīng)轉(zhuǎn)換； 中央處理器

中圖分類號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）01?0028?04

Abstract： Since the low conversion efficiency of communication interface exists in the current conversion system， a design method of the Internet communication interface conversion system is put forward. The hardware platform of the Internet communication interface adaptive conversion system for sever environment is designed. In the design of the hardware platform， the interface between the programmable logic gate array and central processing unit is mainly responsible for the control of communication conversion， the interface between the network control chip and programmable logic gate array is responsible for the conversion between the Ethernet data and network communication bus data， and the interface of asynchronous transceiving transmitter is responsible for the communication data conversion. The distributed area asynchronous memory with functions of communication and control signal read?write is constructed. In the software platform design， the network communication conversion is analyzed in the aspect of communication speed， and the constraint condition which should be satisfied in the use of the Internet communication interface adaptive conversion system is given. Under this constraint condition， the data is converted in the interval mode to accomplish the adaptive conversion system design of the Internet communication interface for severe environment. The experimental results show that the method can effectively improve the network communication performance of the Internet in severe environment and reduce the energy consumption of the network communication.

Keywords： data conversion； Internet communication interface； control chip； distribution； adaptive conversion； central processing unit

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的需求也變得越來越高[1]。而并行的通信總線由于自身固有的串音干擾以及通信信號(hào)的偏移等問題，不能通過提高時(shí)鐘頻率或增加通信數(shù)據(jù)總線的數(shù)目來提高通信轉(zhuǎn)換速度[2]。因此，需求一種新型的高速互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換總線，來降低網(wǎng)絡(luò)通信能耗，同時(shí)提高通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的有效性[3]。互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展給傳統(tǒng)通信技術(shù)帶來了新的革命[4]。利用互聯(lián)網(wǎng)通信總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將計(jì)算機(jī)軟硬件應(yīng)用到通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，從而提高整個(gè)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的效率，具有良好的發(fā)展前景[5]。另外，未來無論是在通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構(gòu)建，還是在互聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)計(jì)中，通信接口的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)包含多種通信接口轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)常用的通信接口解決方案，解決通信接口間的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換問題已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域的重要研究課題[6]。endprint

文獻(xiàn)[7]提出基于單片機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)方法。該方法首先設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單實(shí)用的通信轉(zhuǎn)換模塊。結(jié)合通信轉(zhuǎn)換接口的優(yōu)點(diǎn)，建立在通信接口總線的通信協(xié)議上，擴(kuò)展了通信接口總線在工業(yè)中的應(yīng)用，便于將工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的通信總線網(wǎng)絡(luò)與通信接口相連，利用轉(zhuǎn)換接口強(qiáng)大的處理能力，擴(kuò)展了通信總線在互聯(lián)網(wǎng)中的監(jiān)控和管理功能。但該方法存在實(shí)用性較低的問題。文獻(xiàn)[8]提出一種嵌入式的通信接口轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方法，將多個(gè)通信設(shè)備與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信接口進(jìn)行連接；在軟件的設(shè)計(jì)上，依據(jù)通信系統(tǒng)的要求，使用實(shí)時(shí)任務(wù)的轉(zhuǎn)換方式保證通信接口信息轉(zhuǎn)換的可靠性，但該方法的可行性較低。文獻(xiàn)[9]提出一種通信接口轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)方法，該方法為克服通信總線易受到干擾的弱點(diǎn)，對(duì)通信接口進(jìn)行隔離操作，但存在通信接口轉(zhuǎn)換效率低的問題。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種新的互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效地提高了互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信性能，降低了網(wǎng)絡(luò)通信能耗。

1 互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的過程中，在惡劣環(huán)境下提出一種互聯(lián)網(wǎng)通信接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。該方法首先對(duì)惡劣環(huán)境下互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件平臺(tái)中央處理器與可編程邏輯門陣列間的接口部分主要負(fù)責(zé)控制通信轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)控制芯片與可編程邏輯門陣列間的接口部分主要負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)通信總線數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換，異步收發(fā)傳輸器接口部分主要負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在可編程邏輯門陣列內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)分布式區(qū)域異步的存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器具有通信讀寫控制信號(hào)的功能。軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)從通信線速上對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析，給出互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使用應(yīng)滿足的約束條件，在該約束條件下以間斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以完成對(duì)惡劣環(huán)境下互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.1 通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)采用因特爾公司的7400作為中央處理器，該芯片是用于通信領(lǐng)域的14位定點(diǎn)處理器，處理的速度達(dá)到160 MHz，主要特點(diǎn)是采用哈佛通信總線結(jié)構(gòu)，具有快速的中斷響應(yīng)與處理能力，16位的通信數(shù)據(jù)總線，三個(gè)外部芯片用于選擇信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)通信接口控制接口芯片對(duì)收到的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將以太網(wǎng)傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為自適應(yīng)通信數(shù)據(jù)，與處理器進(jìn)行交互。采用賽靈思公司的連接性系列的芯片作為外部微處理器，該芯片可配置邏輯模塊的內(nèi)部資源?？色@取的顯示查找表為7160，可使用的通信邏輯區(qū)為3580。以太網(wǎng)接口芯片的控制和異步收發(fā)通過傳輸器來實(shí)現(xiàn)，采用DS90LV019進(jìn)行網(wǎng)段數(shù)量信號(hào)和差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)處理器與可編程邏輯門陣列間采用通信總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換框圖見圖1。

互聯(lián)網(wǎng)通信接口的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為三部分：中央處理器與可編程邏輯門陣列間的接口部分主要負(fù)責(zé)通信轉(zhuǎn)換控制；網(wǎng)絡(luò)控制芯片與可編程邏輯門陣列之間的接口部分主要負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)通信總線數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換；異步收發(fā)傳輸器接口部分主要負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

中央處理器與可編程邏輯門陣列作為通信接口外部處理器相連接，連接內(nèi)容包括：通信接口地址總線、通信接口數(shù)據(jù)總線、通信接口片選信號(hào)、通信接口讀使能、通信接口寫使能、通信接口外部保持請(qǐng)求、通信接口外部保持應(yīng)答、通信接口外部準(zhǔn)備后信號(hào)、通信接口中斷控制信號(hào)。接口連接處理器原理框圖如圖2所示。

中央處理器與可編程邏輯門陣列處理器間采用通信總線接口進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的交互，可編程邏輯門陣列作為一個(gè)外部的擴(kuò)展區(qū)，中央處理器需要通過讀寫和片選控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)方法為：首先在可編程邏輯門陣列內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)分布式區(qū)域異步的存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器的通信數(shù)據(jù)寬度為16位，深度為1 024，具有通信讀寫控制信號(hào)，讀時(shí)鐘與寫時(shí)鐘。讀時(shí)鐘由處理器的讀信號(hào)賦值，寫時(shí)鐘由通用信號(hào)處理器的寫信號(hào)賦值，讀寫控制的信號(hào)由外部通用信號(hào)處理器擴(kuò)展輸入賦值，當(dāng)需要寫外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸入設(shè)置為低，當(dāng)通用信號(hào)處理器需要讀外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸入設(shè)置為高。網(wǎng)絡(luò)通信接口控制器選擇的芯片是臺(tái)灣ASIX公司推出的Non?PCI通信接口的以太網(wǎng)絡(luò)控制芯片。根據(jù)芯片的需要配置控制信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)通信接口芯片控制原理圖如圖3所示。

異步收發(fā)傳輸器接口芯片采用DS90LV019芯片，該芯片的電壓為3.3 V，在該芯片下的網(wǎng)絡(luò)通信接口部件是RS 422/RS 485接口與網(wǎng)段數(shù)量電平轉(zhuǎn)換模塊，電路的原理圖如圖4所示。

1.2 互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換方法

結(jié)合上述的通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)通信接口帶來的通信方式與通信時(shí)間的約束，考慮一種具有代表性的情況，假設(shè)各互聯(lián)網(wǎng)通信接口的線速為[VA，VB1，VB2，…，VBn，]互聯(lián)網(wǎng)通信接口[A]硬件的接收以及發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)通信接口[Bj]的軟件發(fā)送以及接收緩沖區(qū)的大小是[SAhr，SAht，SABjr，SABjt，]互聯(lián)網(wǎng)通信接口[Bj]硬件的接收以及發(fā)送緩沖區(qū)的大小是[SBjhr，SBjht，]互聯(lián)網(wǎng)通信接口傳輸時(shí)間分別是[TA，TBj，]其中，[j]為小于[N]的整數(shù)。若使互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換，忽略中斷的響應(yīng)時(shí)間與數(shù)據(jù)遷移需要的時(shí)間，必須滿足：

[VATA

在進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將通信接口數(shù)據(jù)從通信接口[A]流向通信接口[Bj，]可描述為：

[VATA>SAht+j=1nSABjt+SBjhr+VBjTBj] （2）

由式（1）、式（2）可知，互聯(lián)網(wǎng)通信接口緩沖區(qū)越大，通信接口模塊能承受的高速通信時(shí)間就越長。因互聯(lián)網(wǎng)通信接口的線速與緩沖區(qū)的大小都是穩(wěn)定的，所以式（1）實(shí)際是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)通信接口的通信時(shí)間與通信方式的約束。假設(shè)[VA>j=1nVBj，]互聯(lián)網(wǎng)通信接口[A]連續(xù)向通信接口[Bj]發(fā)送通信數(shù)據(jù)，而互聯(lián)網(wǎng)通信接口[Bj]則不停地將接收到的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)走，經(jīng)過一定時(shí)間，通信數(shù)據(jù)就會(huì)溢出，可表示為：

[SAhr=j=1nSABjr+SBjhtVA-j=1nVBj] （3）

因此，互聯(lián)網(wǎng)通信接口只能以間斷的方式進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的傳輸（滿足大部分的情況），[Sbuffer]表示通信接口參數(shù)，且其通信接口占比為[η]（停歇的時(shí)間與通信接口傳輸周期之比），要滿足式（1），從而得出：

[η=trtr+twVAtw

式中：[VA]表示數(shù)據(jù)鏈接；[VB]表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。求解上述方程，得出[tw]與[η]需滿足的要求：

[twVA-VB-Sbuffertw] （5）

式（5）與理解一致，說明通信接口緩沖區(qū)越大，或通信接口的線速相差越小，通信接口的連續(xù)通信數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間才會(huì)越長，通信接口占比才能越小，通信接口的利用率與通信接口的轉(zhuǎn)換性能才會(huì)越高。滿足式（5）的通信接口模塊可進(jìn)行間斷式通信接口轉(zhuǎn)換而不會(huì)發(fā)生通信數(shù)據(jù)溢出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文在惡劣環(huán)境下提出的互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的有效性，在互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，采用Visutal 2008中提供的Pocket PC作為網(wǎng)絡(luò)終端模擬器，瀏覽大量不同的通信接口轉(zhuǎn)換，并訪問轉(zhuǎn)換速度快的通信接口，實(shí)驗(yàn)周期為15 min，實(shí)驗(yàn)從站4個(gè)，采用互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)記錄，利用最佳的通信接口頻率方法可以將通信接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)男侍岣?0%左右，不同信道數(shù)量下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率如圖5所示。

驗(yàn)證通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換波特率提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率的方法。使用上述相同的設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。時(shí)間為30天，實(shí)驗(yàn)周期為15 min，實(shí)驗(yàn)從站為4個(gè)，實(shí)驗(yàn)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)如表1，表2所示。

根據(jù)表1和表2統(tǒng)計(jì)的通信數(shù)據(jù)能看出，利用本文所提的通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，能使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率提高10%左右，主要是因?yàn)樵诶帽疚乃岱椒ㄟM(jìn)行通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換時(shí)，從通信線速上對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析，并給出互聯(lián)網(wǎng)通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使用應(yīng)滿足的約束條件，在該約束條件下以間斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而提升了通信接口自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。

3 結(jié) 論

針對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是通過軟件與硬件相結(jié)合，存在通信接口轉(zhuǎn)換效率低的問題，為此，在惡劣環(huán)境下，提出一種互聯(lián)網(wǎng)通信接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法有效地提高惡劣環(huán)境下互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信性能，降低網(wǎng)絡(luò)通信能耗，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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