0 引言

在半實物仿真系統(tǒng)中需要實時地傳輸、操作和分析數(shù)據(jù),并在此基礎上作出相應的控制，實時網(wǎng)絡技術是半實物仿真系統(tǒng)中*技術之一。基于反射內(nèi)存的實時網(wǎng)絡技術目前已發(fā)展較為成熟的一種性能優(yōu)異、概念新穎的實時網(wǎng)絡技術^[1]。相對于以往基于TCP/IP或UDP/IP實時網(wǎng)絡技術來說，它*的提高了系統(tǒng)實時通訊、數(shù)據(jù)反射和信號調(diào)試的能力，使分布式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計及實現(xiàn)更為簡單。本文介紹了基于VMI-5565反射內(nèi)存卡組建實時網(wǎng)絡的方法，并就利用VC++6.0實現(xiàn)實時網(wǎng)絡通訊進行了研究。

1反射內(nèi)存通訊原理及實時網(wǎng)絡構(gòu)建

1.1 反射內(nèi)存通訊原理

反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡采用了*特殊的技術,具備了很強的支持分布實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力^[2]。在每個需要實時通訊的節(jié)點上插入反射內(nèi)存網(wǎng)卡(節(jié)點卡),每塊節(jié)點卡都有自己獨立的局部內(nèi)存,它通過局部內(nèi)存映射將網(wǎng)卡上的局部內(nèi)存映射到主機內(nèi)存,用戶讀寫網(wǎng)卡上的數(shù)據(jù)就如同讀寫主機內(nèi)存上的數(shù)據(jù)一樣快速方便。另外,每塊反射內(nèi)存網(wǎng)卡又通過網(wǎng)絡內(nèi)存映射,將分布節(jié)點卡上的局部內(nèi)存映射到一個虛擬的全局內(nèi)存,即每個節(jié)點在寫入本地節(jié)點卡的數(shù)據(jù)同時也寫入所有其他節(jié)點卡的內(nèi)存。這樣,用戶對本地節(jié)點內(nèi)存的讀寫相當于對全局內(nèi)存進行讀寫,而這個全局內(nèi)存是所有分布節(jié)點都可見反射的,從而實現(xiàn)分布節(jié)點間的數(shù)據(jù)通訊^[3]。通過這種方式,所有的節(jié)點能透明并確定地傳送中斷、消息或者數(shù)據(jù)塊到其他的節(jié)點。

1.2  VMI-5565實時網(wǎng)絡產(chǎn)品簡介

VMI-5565反射內(nèi)存產(chǎn)品是美國VMIC公司于本世紀初推出的網(wǎng)絡通訊產(chǎn)品系列。其特點是通過驅(qū)動軟件寫到某一個節(jié)點反射內(nèi)存板上某一地址單元的數(shù)據(jù)，可同時通過HUB自動映射寫到實時網(wǎng)絡上所有節(jié)點的反射內(nèi)存板上的對應地址單元。同時，也支持直接內(nèi)存訪問（DMA）方式的數(shù)據(jù)塊傳輸。每塊反射內(nèi)存板通過卡上跳線設置在網(wǎng)絡上的ID號。其技術性能指標如下：

(1).實時性能：數(shù)據(jù)傳輸率可達47.1Mbyte/s到174Mbyte/s；

(2). 負載能力：通過選用兩種不同型號的反射內(nèi)存板，具有64M字節(jié)至128M字節(jié)的可選負載能力；

(3). 傳輸距離：支持10km長度的単模光纖300m長度的多模光纖；

(4). 擴展性：単個HUB支持8個節(jié)點。通過級聯(lián)HUB，多可支持256個節(jié)點。

1.3 基于反射內(nèi)存的實時網(wǎng)絡構(gòu)建

實時網(wǎng)絡現(xiàn)行的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)主要有環(huán)型、星型結(jié)構(gòu)等幾種結(jié)構(gòu)。一般來說，環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡單。下面以三個節(jié)點為例，簡單說明環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)過程。三個節(jié)點需要三塊VMI5565卡及3根單股光纖。首先將三塊卡進行統(tǒng)一編址，分別為節(jié)點0、節(jié)點1、節(jié)點2，并將其插入到對應的計算機中，具體編址方式見2.1節(jié)。將節(jié)點0的反射內(nèi)存卡的RX端與將節(jié)點1的反射內(nèi)存卡的TX端連接，同時將節(jié)點1的RX端與T節(jié)點2的TX端連接，節(jié)點2的RX與節(jié)點0的TX連接，如圖1所示：

 

圖1環(huán)形拓撲實時網(wǎng)絡示意圖

環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡單，但是在使用的時候，必須將所有的節(jié)點計算機全部打開才能進行通訊，在節(jié)點較多時，使用不方便，且容易造成因人為失誤而導致仿真試驗失敗的情況。

星型實時網(wǎng)絡由一個實時網(wǎng)絡HUB和實時節(jié)點卡組成。安裝了實時網(wǎng)絡節(jié)點卡的計算機通過光纖連接在HUB上。HUB提供了一個共享內(nèi)存空間，每個節(jié)點在本地都有一個該共享內(nèi)存空間的映射。當任意一個實時處理機在本地節(jié)點卡的內(nèi)存空間中操作時，HUB內(nèi)共享內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)就會被更新。同時，其它節(jié)點上的共享內(nèi)存映射空間中的對應數(shù)據(jù)會被立即更新。這種實時網(wǎng)絡具有低延遲、高傳輸率的優(yōu)點，確保所有節(jié)點數(shù)據(jù)快速更新。仍以三個節(jié)點為例，說明其結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

 

圖2 星型拓撲結(jié)構(gòu)實時網(wǎng)示意圖

星型結(jié)構(gòu)則使用時比較方便，只需打開需用的節(jié)點計算機并給HUB加電即可，工作穩(wěn)定、可靠，但相對環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)來說，增加了一個實時網(wǎng)絡HUB，相同節(jié)點數(shù)，需要的光纖也增加了一倍，增加了成本。

在具體使用中，可根據(jù)節(jié)點數(shù)量來進行實時網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)選擇。節(jié)點較少時選擇環(huán)形拓撲，可有效地節(jié)省成本，節(jié)點較多時，可選擇星型拓撲，使用更為方便。

筆者參與設計并投入使用的仿真系統(tǒng)采用了星型拓撲結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)共有8個節(jié)點，分別對應控制臺計算機、視景計算機、程序解算計算機、設備控制計算機等計算機。該系統(tǒng)目前已經(jīng)成功應與于某半實物仿真系統(tǒng)中。由于該半實物仿真系統(tǒng)不是本文重點內(nèi)容，在此不做進一步說明。

2  反射內(nèi)存存儲空間分配

2.1 反射內(nèi)存編址

在組網(wǎng)前，需要對每塊反射內(nèi)存卡進行統(tǒng)一編址，以便反射內(nèi)存網(wǎng)絡形成一致的連續(xù)的共享空間而不會發(fā)生沖突。在VMI5565反射內(nèi)存卡上，有一排8個小開關，用這些開關即可完成統(tǒng)一編址。8個小開關全部打開時，內(nèi)部地址為00000000，對應的反射內(nèi)存卡為節(jié)點0，僅第1個打開時，內(nèi)部地址為00000001，對應的反射內(nèi)存卡為節(jié)點1，第二個打開為節(jié)點2，依次類推，按照二進制編碼方式排列,依次為0，1，2，4，8，16，32，單個HUB支持8個節(jié)點。

2.2反射內(nèi)存地址空間分配

由于實時網(wǎng)絡系統(tǒng)的內(nèi)存地址空間有限，所以每個節(jié)點計算機寫入內(nèi)存的數(shù)據(jù)需科學、合理和嚴格規(guī)劃。常用的數(shù)據(jù)寫入方式有兩種,種是不進行地址空間分配，而按照具體節(jié)點進行數(shù)據(jù)通訊,即將數(shù)據(jù)發(fā)送端直接將所需的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到對應的數(shù)據(jù)接收端。例如，0號節(jié)點需要將名為ff的數(shù)據(jù)傳遞給1號節(jié)點，其語法如下（VC++6.0下）：

發(fā)送方(0號節(jié)點):

……

retstatus=RFM2gWrite(rh,1,(void *)ff,sizeof(float)*9);

  ……

接收方(1號節(jié)點):

 ……

retstatus=RFM2gRead(rh,1,(void *)ff,sizeof(float)*9);

  ……

此種方式在數(shù)據(jù)量大的時候，會引起溢出，無法保證同一幀數(shù)據(jù)的完整性,另外，當一段數(shù)據(jù)為多個節(jié)點同時需要時，此種方法就不夠方便。因此，目前常用的方式是將反射內(nèi)存空間進行分配。

反射內(nèi)存地址空間分配是通過軟件接口控制文件定義好所有須使用內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)變量地址，同類數(shù)據(jù)連續(xù)分配地址單元，以便其它節(jié)點的計算機可以用直接內(nèi)存訪問方式一次性快速讀取大量數(shù)據(jù)。同時,由于節(jié)點上的計算機在某個時刻寫到某一內(nèi)存地址段的多個數(shù)據(jù)會在下一仿真周期以新的結(jié)果刷新此段數(shù)據(jù)，為了保證其它計算機節(jié)點讀到該地址段幀的數(shù)據(jù)是同一幀的數(shù)據(jù)，需為這段數(shù)據(jù)定義專門的地址單元標志該段數(shù)據(jù)的讀寫狀態(tài)。用此種方式時，可利用如下句子進行操作（VC++6.0下）：

數(shù)據(jù)寫入節(jié)點：

……

    retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500, (void *)ff,sizeof(float)*9);

……

數(shù)據(jù)讀取節(jié)點：

……

retstatus=RFM2gRead(rh,0x500,

(void *)ff,sizeof(float)*9);

……

數(shù)據(jù)寫入節(jié)點只需將ff數(shù)據(jù)寫入到固定的地址（0X500），需要用到此段數(shù)據(jù)的節(jié)點均可到該地址進行讀寫，此種方式下，發(fā)送法不需關注接受方，而只需按照事先約好的數(shù)據(jù)存儲地址寫入即可，同樣，接受方也是如此。

2.3 地址空間分配時的注意事項

在反射內(nèi)存空間地址分配時，須注意所分配的空間應大于所需傳遞的數(shù)據(jù)長度并有一定的余量，應按照單個數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)個數(shù)來進行仔細計算所需的存儲空間。

在地址空間分配及實時通訊過程中，應有的數(shù)據(jù)記錄空間和節(jié)點，做好試驗狀態(tài)和實驗結(jié)果的記錄。同時在每次仿真開始前應清空射內(nèi)存中原有的數(shù)據(jù)，以防造成誤操作，從而對仿真設備造成損壞。

3  在VC++下的實時通訊協(xié)議設計

   在VC++下利用反射內(nèi)存網(wǎng)實現(xiàn)實時通訊之前，要進行驅(qū)動安裝與環(huán)境變量設置。具體內(nèi)容見參考文獻^[4]。設置完成后，方可進行相關操作。在筆者完成的實時系統(tǒng)中，采用VC環(huán)消息Message方式進行傳遞進行。首先是完成頭文件加載與反射內(nèi)存卡打開并使之處于使能狀態(tài)，隨后是等待觸發(fā)。按照反射內(nèi)存統(tǒng)一編址方式進行通訊協(xié)議設計，具體如下。

3.1 反射內(nèi)存卡初始化及使能

   在VC++環(huán)境下，首先要完成反射內(nèi)存卡的頭文家加載與發(fā)射內(nèi)存卡打開及使能，參考代碼如下：

 

#Include "rfm2g.h"http://反射內(nèi)存頭文件；

……

Main()

{

……

If((retstatus=RFM2gOpen(rfmFn,&rh))!= RFM2G_SUCCESS)

    {

        printf("Cannot open RFM2G\n");

        exit(0);

    }  

    if(rh == (RFM2GHANDLE) NULL){

        printf( "%s>  rh = %x ", me, rh );

    }   //判斷是否打開成功

retstatus=RFM2gEnableEvent(rh,RFM2GEVENT_INTR1); //使能反射內(nèi)存卡，等待時間觸發(fā)；

……

}

3.2 發(fā)送接受協(xié)議

    初始化完成后，通訊開始。為了確保數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)恼_性，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收雙方需要握手協(xié)議。這一點在牽扯到仿真設備初始化的半實物仿真過程中尤為重要。設發(fā)送方在0X500地址處寫入TX=1，等待接受方應答信號。接受方在0X500處讀到TX并確定TX=1，完成準備工作后在0X1000處寫入RX=1。當發(fā)送方收到RX并確認為RX=1時，正式數(shù)據(jù)開始發(fā)送，實時仿真開始。雙方具體操作如下。

3.2.1發(fā)送操作

   發(fā)送方首*行握手信號發(fā)送，等待應答成功后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。仿真過程結(jié)束后發(fā)送TX=2，通知接收方通訊完成，待到對方應答后，關閉反射內(nèi)存，實時通訊結(jié)束。

以發(fā)送名為ff數(shù)據(jù)至0X500為例，整個通訊過程參考代碼如下：

  ……

RFM2gClear(&rh)；

TX=1；

retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500, (void *)TX,sizeof(float)*9);//發(fā)送TX

retstatus=RFM2gSendEvent(rh,32,

RFM2GEVENT_INTR1,0x0);//發(fā)送消息事件；

while(1){

retstatus=RFM2gRead(rh,0x51, (void *)RX,sizeof(float)*9);

    if（fabs(RX-1)<0.000001 )

          break;

printf("wait RX…%lf\n",fabs(RX-1));

}

printf("RX Readly...\n");//握手成功

retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500,(void *)ff,sizeof(float)*9);//發(fā)送ff

retstatus=RFM2gSendEvent(rh,32,RFM2GEVENT_INTR1,0x0);//發(fā)送消息

……

If(stop=start)//仿真完成

{

TX=2；

retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500,(void *)TX,sizeof(float)*9);//發(fā)送TX

retstatus=RFM2gSendEvent(rh,32,RFM2GEVENT_INTR1,0x0);//發(fā)送消息事件；

while(1){    retstatus=RFM2gRead(rh,0x510,(void *)RX,sizeof(float)*9);

if（fabs(RX-2)<0.000001 )

         break;

printf("wait RX…%lf\n",fabs(RX-1));

}

printf("Retaime TR over...\n");

retstatus=RFM2gDisableEvent(rh,

RFM2GEVENT_INTR1);//關閉使能反射內(nèi)存；

RFM2gClose(&rh);//關閉反射內(nèi)存；

}//仿真過程結(jié)束，關閉反射內(nèi)存

……

3.2.2 接受操作

接受操作類似于發(fā)送操作，只需要在初始化完成后，有一個等待事件觸發(fā)的命令即可。當收到事件觸發(fā)后，即從0X500處讀入數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)，當收到的數(shù)據(jù)同預設一致時，發(fā)送應答信號至0X510，并準備接受數(shù)據(jù)。當接受到數(shù)據(jù)為Tx=2時，即返回RX=2并停止使能反射內(nèi)存卡，關閉反射內(nèi)存卡，通訊結(jié)束。等待觸發(fā)的代碼如下，其他類似于發(fā)送方。

……

RFM2gClear(&rh)；

retstatus=RFM2gWaitForEvent(rh,&info);

……

retstatus=RFM2gDisableEvent(rh,RFM2GEVENT_INTR1);//關閉使能反射內(nèi)存；

RFM2gClose(&rh);//關閉反射內(nèi)存；

}//仿真過程結(jié)束，關閉反射內(nèi)存

……

利用上述方法即可實現(xiàn)實時通訊過程。

4 在Windows下實現(xiàn)實時通訊

由于Windows是多任務操作系統(tǒng)，因此常見的實時系統(tǒng)常采用DOS等單任務系統(tǒng)，或者是購買RTW模塊并實現(xiàn)Windows下的實時性設計。但是，在實時性要求不是很高的情況下(仿真步長>0.5ms)時，可以通過提高進程優(yōu)先級并強制關閉其他進程的方法來實現(xiàn)強實時計算。同時，可以通過獲取計算機機器時間并以此來進行仿真步長的準確定時。采用此方法，可有效地實現(xiàn)各個節(jié)點的時間統(tǒng)一管理，可有效地提高系統(tǒng)的實時性。在實際使用過程中，仿真步長可根據(jù)整個系統(tǒng)的單步計算、控制的耗時情況以及仿真對象的實際情況進行選擇，并選擇合適的方式（中斷、查詢）來實現(xiàn)仿真周期的準確定時。

筆者完成的實時系統(tǒng)設計中，通過查詢方式并采用死循環(huán)的形式，實現(xiàn)了仿真周期為0.5毫秒的半實物仿真。實際測試（測試環(huán)境：CPUP4 2.8GHZ 512M）統(tǒng)計結(jié)果表明，在采用實時處理以后，完成一步計算幀周期定時誤差大為1.2毫秒，采用實時處理以后，平均幀誤差在30微妙，大為130微妙。采用實時處理后的反射內(nèi)存網(wǎng)兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸時間誤差均值小于80微妙，大值小于200微妙。經(jīng)過任務優(yōu)先級調(diào)整后的仿真進程受操作系統(tǒng)影響較小，在所得到的測試結(jié)果中，99%在40-50微妙以內(nèi)，大值不超過130微妙，實時網(wǎng)數(shù)據(jù)延時大值不超過150微妙，*仿真步長在0.5毫秒以上的系統(tǒng)仿真任務。

5 小結(jié)

本文主要介紹了基于反射內(nèi)存卡的實時網(wǎng)絡系統(tǒng)設計方法，并給出了具體的通訊協(xié)議及注意事項，同時，就如何在Windows系統(tǒng)下實現(xiàn)實時通訊進行了簡要介紹。利用該方法設計的實時系統(tǒng)已在某半實物仿真實驗室中應用，經(jīng)驗證，該系統(tǒng)具有通信實時性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸可靠性高的特點，滿足實時仿真需要，取得了良好的效果，被實踐證明是一種成熟、有效的方法。

 

  

 

 

參考文獻：

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[4 David .J.Kruglinski, Scot Wingo,George Shepherd著，希望圖書創(chuàng)作室 譯. Visual C++6.0技術（第五版）[M].北京：北京希望電子出版社，2000,395~402