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光纖反射內存網在半實物仿真系統中的應用

發布時間:2015-11-30 10:39

摘 要:國家某重點試驗室的半實物仿真系統承擔著算法研究、實際產品聯試的任務,具有重要的工程效用。該仿真系統包含近20多個分系統或設備,涉及的設備開發單位有10多個。為了將如此復雜的系統有效地組織在一起,并保證其可靠運行,需要為其設計一個優良的數據信息交換系統。

關鍵詞:光纖反射;內存網;半實物仿真
  基于系統的復雜性,以及仿真數據實時交換的特殊要求,仿真系統采用光纖反射內存網作為其數據信息交換的核心。光纖反射內存網傳輸速率高、實時性強、具有協議簡單、對軟件透明的優勢,另外其傳輸距離比較長,不怕電磁干擾的特點尤其適用于復雜系統,且有利于試驗室布局。
1、光纖反射內存網結構設計
  光纖反射內存網由網卡、路由器和光纖三部分組成,其中網卡選擇的型號是VMIC公司的VMIPCI-5565,路由器選擇的型號是VMIACC-5595。光纖反射內存網的最高傳輸速度為170Mbyte/s,最大可支持256個節點。
  光纖反射內存網有環形和星形兩種構型;實際應用中結合了這兩種構型,見圖1,其網絡結構分為兩層,頂層為環形,底層則為星形,系統主控調度計算機和4個路由器形成頂層環形網,各設備計算機連接在路由器上,構成底層節點。這種混合結構的優點在于:一、由主控計算機發出的系統時鐘信息到達各個節點的時間比較短且較為一致,有利于系統設備間的同步運行;二、仿真系統有多種仿真組態方式,每種仿真組態方式需要的設備并不相同,而混合結構光纖反射內存網允許跳過不用的節點,這樣某些試驗組態下中用不到的設備節點就不需要開機運行。

圖 1
  系統采用價格較為便宜的多模光纖,節點間最大傳輸距離為300米,已滿足試驗室的布線要求。但使用多模光纖時,頂層環形網實際是準環形的,頂層布線必須占用每個路由器的兩個端口。
2、半實物仿真系統設計
  主控計算機通過光纖反射內存網設置仿真系統的仿真模式和設備配置,負責系統時鐘的發布,啟動、暫停或終止系統的運行,并監視在光纖反射內存網上的數據交換,從而掌握系統中每臺設備的運行狀態。該仿真系統運行時數據吞吐量很大,除了需要考慮基本的硬件因素外,還有考慮通訊協議和信息格式方案,以及軟件讀取數據的方式,這些都會極大地影響整個光纖反射內存網的運行效率。
  一般有三種可行的VMIPCI-5565網卡的數據存取方式:中斷方式、定時查詢方式和直讀方式。中斷方式是網卡收到一個完整有效的信息幀后,產生中斷,由操作系統和控制程序響應處理。定時查詢方式是通過信息有效標志確認信息的是否可以讀取,而程序則定時查詢該標志,以確認是否應該讀取信息。直讀方式則最簡單,基本是個異步過程,發送方只管寫,讀取方只管讀,但可能發生邊讀邊寫的情況。
  通過編程和通訊試驗發現:在中斷方式下,每次讀取信息所需要的時間從2毫秒到近30毫秒不等;在定時查詢方式下,如果查詢間隔時間設為1毫秒,則每次讀取信息所需的時間為1毫秒到3毫秒;直接讀取方式則只需要幾十微秒。本系統中的大多數設備采用的是windows系統,所中斷方式響應時間長和不穩定是必然的,這將導致仿真節拍難以控制和預計,所以中斷方式不適合在本系統中使用。定時查詢方式中通訊的雙方通過專門設定的標志來確定通訊信息的完整性和有效性,它適合節點數較少的情況,當系統節點數較多,節點間交叉通訊較頻繁時,等待多個標志有效的過程將占用較多的運行時間,此外在該方式下,如果光纖反射內存網發生傳輸錯誤丟失數據幀,則可能導致讀取數據的設備運行間斷。
3、數據通信協議
  綜合考慮后,仿真系統采用了直讀方式,并配合經過特殊設計的信息幀格式(以表1為例,數據幀長64字節),解決了直讀方式存在的邊讀邊寫的缺陷。
  表1
字節內容第一字段0~3本信息發出時的系統時鐘第二字段4~27本信息的標記特征第三字段28~59有效數據第四字段60~63系統時鐘,重復字節0~3的內容  節點在發送數據時,先在緩沖區內把信息幀的4~59字節的內容填好,然后讀取系統時鐘,并把有效的系統時鐘填寫在信息幀的第一字段,而第四字段則重復第一字段的內容,最后這個節點把緩沖區中數據一次性輸出到光纖反射內存網上。節點讀取數據時,一次把64字節的內容全部讀入,然后檢查信息幀第一和第四字段是否一致,若一致則信息有效,若不一致則信息無效,需要再次讀取和判斷。按這樣處理,不僅讀取信息占用機時少,同時也保證了信息的有效和完整。
  信息幀的第二字段包括仿真試驗編號、信息類型,發出信息節點編號,運行周期參考值,信息幀格式編號,信息幀流水號等內容,通過這些標記特征可以識別光纖反射內存網上的傳輸每一幀數據。另外這個字段在仿真中還起著極為重要的作用,用到數據的節點根據本節點的運行情況,利用字段中的運行周期參考值和信息幀流水號等內容,或直接取用數據,或利用先前讀取的數據向外插值,或暫停運行等待數據更新,通過這樣處理,可使系統中運行周期并不一致的各個設備在異步條件下得以順利的運行。
4、總結
  需要指出的是,即使采用同樣的模型,異步系統的仿真結果也會和同步系統的仿真結果不一樣,一般來講同步系統的結果更可信些,然而本仿真系統出于某些原因并沒能設計成同步系統。本文中的光纖反射內存網應用方案,針對了異步系統的特殊性,實際運行效果還是比較讓人滿意的。
參考文獻
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