（信号与信息处理专业论文）基于ieee14511的物理实验数据信息管理系统.pdf

摘要 摘要 物理实验数据信息管理系统( p l d i m s ：p h y s i c sl a b o r a t o r yd a t ai n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ) 是利用计算机网络技术，对大学物理实验教学进行管理的计算机 硬件软件系统。 目前由于各高校的物理实验缺乏统一的网络化标准，不能互通互用，互相浏览，不 同的实验传感器不能即插即用，阻碍了系统的迸一步发展。本文针对上述特点，设计了 一个基于i e e e1 4 5 1 。l 标准的信息系统模型，实验表明取得了理想的效果。 第1 章介绍p l d i m s 的组成、应用以及本文主要的工作。 第2 章介绍引出i e e e1 4 5 1 标准，讨论i e e e1 4 5 1 x 之间的关系。 第3 章描述i e e e1 4 5 1 1 的信息模型、存储、编码及一致性规则。 第4 章基于i e e e1 4 5 1 1 标准进行系统设计，讨论协议信息模型及系统前端方案。 第5 章给出i e e e1 4 5 1 1 系统的应用及实验结果。 最后，指出了系统存在的不足及今后的发展方向。 关键词：物理实验数据信息管理系统( p l d i m s ) i e e e1 4 5 1 1n c a p 信息模型 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t p h y s i c sl a b o r a t o r y d a t ai n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ( p l d i m s ) i sas y s t e m i n v o l v i n gc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ew h i c hr o u n d l ym a n a g e st h eu n i v e r s i t yp h y s i c s e x p e r i m e n ta s s o c i a t e dw i t hn e t w o r kt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，d u et oal a c ko ft h eu n i f i e d ，i n t e r c o n n e c t e ds t a n d a r di np h y s i c sl a b o r a t o r y s y s t e mi nu n i v e r s i t i e s ，p e o p l ec o u l dn o tm u t u a lu t i l i z ea n db r o w s et h ee x p e r i m e n t a ld a t a d i f f e r e n tp h y s i c a ls e n s o r sc o u l dn o tb eu s e di m m e d i a t e l ya n dh i n d e r sf u r t h e rd e v e l o p m e n to f t h es y s t e m i nv i e wo f t h e s ef a c t o r s ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sam o d e lo f t h ep l d i m so nt h eb a s e o f i e e e1 4 5 1 1s t a n d a r d i ti n d i c a t e st h a tt h ee x p e r i m e n th a sa c h i e v e da ni d e a lr e s u l t c h a p t e r1i n t r o d u c e st h ec o m b i n a t i o na n dp r a c t i c eo f t h ep l d i m s c h a r p t e r2d i s c u s s e st h er e l a t i o n s h i pa m o n gi e e e1 4 5 1 x s c h a r p t e r3i st h ei n f o r m a t i o nm o d e lo fi e e e1 4 5 1 1a n di t ss t o r a g e , c o d i n g , d e c o d i n g , a n dt h er e g u l a t i o nt ob em o d i f i e d c h a p t e r4d e a l sw i t ht h es y s t e md e s i g nb a s e do nt h ei e e e1 4 5 1 1s t a n d a r di n f o r m a t i o n m o d e la n dt h ed e s i g no f f r o n te n di nt h es y s t e m c h a p t e r5g i v e st h ea p p l i c a t i o na n d t h ee x p e r i m e n to f i e e e1 4 5 1s y s t e m l a s t l y , t h ea r t i c l ep o i n t so u tt h ed e f i c i e n c yi nt h es y s t e ma n dt h ef u r t h e r o r i e n t a t i o n k e yw o r d s ：p l d i m s ( p h y s i c sl a b o r a t o r yd a t ai n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) ；i e e e 1 4 5 1 1 ；n c a p ；i n f o r m a t i o nm o d e l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：i 竖雯墅 日期：2 业 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：i 望查! 荤 导师签名： 日期：砷6 厂 i 第事绪论 1 1 课题简介 第一章绪论 近年来，计算机、通信、网络信息化技术高速发展。使整个社会的信息化进程不断 加快。中华人民共和国经济及社会发展的“九五”计划和2 0 1 0 年发展的远景目标纲要 提出建设数字化校园，提高学校特别是高校的数字化水平。随着计算机网络技术的普及 和发展，其应用已不仅仅满足于办公自动化，需要将其引入教学管理，以提高教学质量。 大学物理实验是大学本科阶段教育的重要基础课程。随着大学招生人数的增多，教 学规模的扩大，数据信息量的增加，也对实验课程的教学和管理方式提出了更新更高的 要求。因此，我们顺应科学技术的发展和时代的要求，将网络、数据存储及快速处理等 技术引入实验教学管理模式之中，通过建立物理实验数据信息管理系统( p l i d m s ： p h y s i c sl a b o r a t o r yd a t ai n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y m h n ) ，使得管理教师可以通过先进的 网络化手段，实时采集、传输、处理实验数据信息流，指导和检查学生的实验进程和测 量结果等，对实验教学进行全方位管理，提高教学质量和教学效率。p l i d m s 的建立， 使物理实验教学从传统方法向网络化模式迈进，走向信息时代发展的前列。 p l i d m s 软件采用先进的管理信息系统( m i s ) 技术，实现对信息的采集、传输、加 工、保存、维护和使用，建立一个对实验课程中的数据、设备等进行管理及分析和判断 的信息系统平台。课题目标是基于网络化智能变送器组件的一个公共对象模型以及这些 组件之间的接口标准，来制订标准化的连接方法，使不同的传感器无须考虑接口标准和 协议就能即插即用，使不同的实验系统可互通互用，互相浏览。 p l i d m s 项目将m i s 技术首次应用于物理实验教学管理领域，通过鉴定后将首先应 用于大学的物理实验教学，并将进而推广普及到其他实验系统。 1 2 实验室信息管理系统0 1 l 1 2 1 概述 实验室信息管理系统( l i m s ：l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) 是通过计算 机对实验室数据信息进行管理的计算机软、硬件平台，由采集、存储、检索等信息处理 模块组成，通过计算机网络连为一体，采用先进的管理思想和数据库技术，实现以数据 东南人学硕 学位论文 为核心的全方位一体化管理，并产生对信息管理者有用的信息。系统将资源管理，事务 管理，人员管理，网络管理，实验数据管理，学生成绩管理，以及报表管理等多个模块 结合起来，形成实验综合管理和监控体系。该系统是辅助实验管理者决策的一个集合体， 能测定实验教学盼各种运行情况并利用现有信息进行分析，从全局出发控制教学进程， 满足教学管理的要求，实现教学规划和目标。 1 2 2 系统的发展 实验室信息管理系统随着计算机技术的不断发展和更新，也在不断地升级换代。 早期的实验室信息管理系统是终端主机结构。系统中的操作都由主机来完成，数据 库也保存在主机内，终端只作为一种输入，输出设备。这类系统主要用于数据的采集和计 算处理。其初期投资大，开发技术难度高，维护费用也高，不利于推广。 现在所使用的实验室信息管理系统多为基于客户机服务器( c s ) 的分布式结构或浏 览器服务器( b s ) 结构，或者是发布订阅式结构。 c s 分布式结构中的应用程序分为客户机部分和服务器部分。由客户机通过硬件接 口与实验仪器装置连接，完成数据实时采集处理、存储部分数据、与用户交互等任务。 由服务器执行后台综合管理服务，建立总数据库，进行数据分析，管理共享的外部设备 等。系统具有强大的管理能力和事务处理能力。 b s 结构是客户端通过浏览器与系统连接，服务器端完成大部分数据处理等工作。 c s 结构和b s 结构是当前计算机技术和网络技术在实验室信息管理系统中的应用 和实现，并可以实现数据的集中化管理和资源共享，具有先进性。发布订阅式是一点对 多点模式，只要有标准的语法语义就可以资源共享。 1 2 3 主要结构与功能 实验室信息管理系统可以实现对信息的采集、传输、加工、保存、维护和使用，建 立一个对实验课程中的数据、设备等进行管理、分析和判断的信息系统平台。 图l ，1 为实验室信息管理系统l m i s 的原理性模型。中心部分为系统数据库，软件 由以下5 部分组成：数据采集、数据分析、报表生成、实验室管理、系统管理等。图1 1 中的3 个同心圆环将系统的技术性能指标划分为3 个等级，详见表1 1 。图1 1 中的关键 事项是指考核l i m s 系统模型各种功能的主要内容，包含配置管理、通信管理、数据管 理、文件资料管理、性能高低、质量优劣、安全保密、用户接口等。 第一章绪论 图1 1实验室信息管理系统l i m s 的原理性模型 表1 il i m s 原理性模型分类表 第一类l i m s第二类l i m s第三类l i m s ( 小型的) ( 中等功能的)( 先进的) 配置管理、文本管理、联机文档显示，配置管理，文版本管理静态表格修订管理，配置 关键事项质量、安全保密、用本管理，质量、安全保密、图管理、文本管理、质量，安全保密、 户接口形用户接口 多任务多用户接口、多媒体 固定结构的数据库，中等性能，完整处理资料，用高性能，结果处理，分布式和集中 l i m s 数据库 能力、性能有限户定义所引式处理 联机收集仪器资料( 只有一种 数据采集人工注册，输入结果方法) 传输文件( 只有一种方传输仪器采集的数据，传输文件 法1 预定义数学函数，图形功能，预定义数学函数，幽形功能，数据 数据分析结果检验、基本计算 基本统计 统计，动态连接 用户定义报表，分类查询，生_ i j 户定义报表，分类查询，生成基 生成报表 预定义报表成基本图形，特殊查询和生成本图形，特殊查询和生成l i m s 报 报表表 实验室管理 积累数据报表实验室使用记录实验室资料管理、使用记录管理 系统性能动态调节、数据存盘、备 系统管理 备份、恢复系统存盘、备份、恢复、容错份、恢复、容错、与外系统用先进 的连接方式进行通信 3 东南大学硕 学位论文 1 3 系统模型1 2 。1 1 3 1 体系 c l i e n t s e r v e r ( c s ) 计算模型由麻省理工学院的f o r r e s t o e rr e s t a r c h 在1 9 8 9 年首先提 出，是为了解决台式计算机与网络服务器之间数据和应用软件的共享问题而设计的一种 计算机网络结构，并已经发展成为一种标准的计算机网络模型。c s 模型定义如下：客 户机是指运行用户服务请求程序，并将请求传送给服务器的计算机；服务器是指管理数 据资源，响应并受理由多个客户机发出的多个请求，将请求排队或同时处理，保存数据， 并将处理结果传送给客户机的计算机。 传统的c s 两层结构如图1 2 ，应用分为4 部分：表示逻辑、业务逻辑、事务逻辑 和数据逻辑。通常表示逻辑在客户机端，事务逻辑和数据逻辑在客户机端或服务器端， 亦可双方都有一部分。 图1 2c s 两层结构图 1 ) 交互性强： 交互性强是c s 模式的一个固有优点。在c s 模式中，客户端有一套完整的应用程 序，出错时，可以提供提示、在线帮助等多项强大功能，并可以在子程序之阅自由切换。 2 ) 安全性好 c s 模式提供了更安全的存取模式。因为c s 模式是配对的点对点结构模式，采用 适用于局域网、安全性比较好的网络协议，安全性可以得到很好的保证。 3 ) 降低网络通信量 因为c s 模式只有两层结构，网络通信量只包括c l i e n t 与s e r v e r 之间的通信量， 所以c s 模式具有处理大量信息的能力，且处理速度也大为提高。 4 第一章绪论 1 3 2 物理实验数据信息管理系统的结构 拟采用如图1 3 所示的两层c s 模式结构，分别为实验信息管理层和教学管理层( 子 系统) 。 图1 - 3 物理实验数据网络信息管理系统结构图 物理实验数据信息管理系统可以实现对信息的采集、传输、加工、保存、维护和使 用，建立一个对实验课程中的数据、设备等进行管理、分析和判断的信息管理系统平台。 1 4 实验信息管理层1 4 l 1 4 1 功能 实验信息管理层可同时监控多个实验室，即监控多个教学管理层( 子系统) 。所有数 据信息通过接口上传到实验信息管理层。实验网络信息管理系统进行信息分析，即数据 拟合、数据统计分析，判断实验数据是否符合实验要求、仪器工作状况是否正常等。实 验数据信息管理系统将反馈信息传输给教学管理层的指导教师或实验者，包括实验数据 是否符合实验要求，仪器工作状况是否正常等；并建立实验数据库，分类保存分析数据， 备份数据记录，用于掌握仪器使用运转状况，及实验总结。 物理实验数据信息管理系统是一个基于网络的自动化信息系统。实验数据信息的特 点是数据量大，且需要进行分析、处理和绘图等操作。预期达到的实验教学效果为：实 验内容增多、规模扩大；实验教学质量提高，实现教与学互动；实验设备管理；实验数 据快速处理及存储等。 系统设计开发模式与结构特点体现在：模块化的系统设计，系统及其功能模块的耦 东南大学硕士学位论文 合，系统功能的可扩展性。 实验信息管理层主要包括设备管理( 包括资源管理，网络管理) 、教学管理( 包括事 务管理，人员管理) ，数据管理( 包括报表管理，数据查询管理) 等3 方面多个模块，并 将各个模块相结合，完成对实验教学的管理。 1 4 2 设备管理模块设计 设备管理模块主要包括资源管理模块和网络管理模块。 1 ) 资源管理模块 功能是管理各种教学设备资源，包括仪器名称、型号、编号、购入年限、价格、使 用状况记录、责任管理人员维修记录等多项功能。系统采用s o ls e r v e r2 0 0 0 数据库， 查询的条件包括：等于、小于、大于、小于等于、大于等于。目的是为建立对实验设备 的统管理和统筹规划，使整个实验信息管理系统的基础硬件设备得到有效管理，并以 此作为对软件系统的必要支撑。 2 ) 网络管理模块 功能主要包括网络系统结构管理、子系统管理、安全管理、可靠性管理等。 1 4 3 教学管理模块设计 教学管理模块包括事务管理、人员管理、学生信息管理、技术监督管理等功能。 1 ) 事务管理 包括课程安排( 班次、人数、时间) 、设胃课程内容、规定教学内容、实验精度等级 等。 2 ) 人员管理 与教学相关的人员通常可以分为如下几种类型：教师( 或助教) 、学生、实验员( 负 责仪器设备的管理) 、教学主管。系统分配给不同类型的人员不同的分工，并设定权限。 人员管理模块主要包括人员信息的增加、修改、删除和查询，通过系统管理程序来 实现。人员信息包括：姓名、工号、部门、职务、课程安排、备注等。 用户查询信息时，主要是按照查询内容( 姓名、工号、部门、职务、课程安排等) 以 查询条件( = 、( 、) 、( = 、) = 、l i k e 、b e t w e e n ) 和查询值进行固定查询或者查符合条件的 人员信息，然后将查询结果按一定格式显示在页面上。 3 ) 学生信息管理 6 第一章绪论 主要包括：学生的分组、课程安排时问、专业学号、评分等项内容。指导教师可以 进行设置和查询。查询条件( ：、( 、 、( = 、) = 、 li k e 、b e t w e e n ) 和查询值进行固定查 询或者查询符合条件的学生信息，然后将查询结果按一定格式显示在页面上，并可以以 i 一定格式输出。 4 ) 技术监督管理 主要用于设置和检验实验是否达到精度等级。实验中的各项测量内容，及实验结果 可与已知的标准量进行比较，或与实验过程中测得的参考量进行比较，如果超出可允许 的实验误差范围，则进行分析后，按一定格式输出结果，并同时将结果通过c s 系统传 输到子系统。各实验的指导教师就可以及时了解学生情况，并给予指导。 1 4 4 数据管理模块设计 数据管理模块包括报表管理、数据查询管理等。 1 ) 报表管理 设计原则如下：用户需求，突出重点，严格规范，留有接口，便于扩展等。 报表系统采用模块化开发的方法，系统模块具有分解性、组装性、易理解性、连续 性和模块保护等特性。 报表系统的功能可分为横向和纵向两方面进行实施。横向将报表系统划分为用户登 录、数据计算、报表类型选择、输出格式等模块；纵向分为用户界面、系统安全层、测 量数据层、结果图表层等。 2 ) 数据查询管理 数据查询的方法有两种。一种是具体实验结果查询，点击具体实验结果树形目录下 的具体实验组别，就可以看到某一位学生的实验数据记录以及实验的相关信息；另一种 是条件查询，根据给定的实验信息条件，如时间、学号、仪器编号、仪器固定参数等， 查询条件( = 、( 、) 、( = 、) = 、l i k e 、b e t w e e n ) 和查询值进行固定查询或者查询符合条件 的信息，然后将查询结果按一定格式显示在页面上，并输出。 1 4 5 工作流程 实验信息管理层的工作流程如图1 4 所示。 7 东南入学硕上学位论文 f 莳理人鲢臀翔乏l 是扦实验项h ( 教学赞肆缢r 系统) j 1 选抒所裴震象的实验信愚琐l ! ! l l上ll 实 蜒实 验验 骏 验 人 数仪 时 员据器闯 信 信信信 息息息息 呆采聚采 集 集集集 司 广丁 广 i 鲁i 窖；骏怡l 分自ri i 引 保存实验结果实验 f 实验报告乍成l l i 退出系统 图1 4 实验信息管理层的工作流程 1 4 6 系统维护 系统维护包括系统初始化、设定用户权限、基本信息设定和数据维护。通过c s 结 构( 系统管理程序) 实现。 1 ) 系统初始化 系统对数据库中的内容进行初始设定，设定好以后各参数不得随意修改。 2 ) 设定用户权限 权限根据实验室数据信息管理系统使用人员的实际情况进行分配，如根据各个实验 课程的教学任务的安排，设定管理人员的权限，及使用子系统的指导教师的权限等。 3 ) 基本信息设定 实验名称、仪器编号、仪器套数、实验课程的教学内容，数据要求等信息。 4 ) 数据维护 包括数据备份、恢复，数据导入( 从a c c e s s 数据库将当前数据导入s o l s e r v e r 数据 库) 、数据导出( 数据存储、生成报表) 功能。 8 第一章绪论 1 4 7 系统安全性 出于安全性的考虑，系统对页面进行合法性检查，保证每个页面都只有合法用户通 过输入正确的用户名和密码才能进入。 实验数据由实验仪器直接传输给指导教师和信息管理层的数据网，或者由学生测量 数据后，手工将结果输入，软件读取数据，不允许人为地直接在数据库中写数据，即实 验数据必然是实验中测量到的结果，以保证实验数据的客观性、真实性和科学性。 1 5 教学管理层子系统 教学管理层即各个实验室中的实验指导教师。实验指导教师实时接受实验者的人员 信息、实验信息和实验数据，及信息管理层的反馈指导信息。 实验者主要为学生。实验数据由实验仪器直接传输给指导教师和实验信息管理层的 数据网，或者由学生手工输入。 教学管理层包括智能型波尔共振仪实验网络系统、智能型扭摆测量转动惯量实验网 络系统等多个子系统。 1 5 1 子系统结构 下面以智能型波尔共振仪实验网络系统为例讲述子系统的结构。 智能型波尔共振仪实验网络系统的结构共分为3 层，如图1 5 所示。底层为由学生 测量使用的实验装置波尔共振仪和控制箱，中层为集线器( h u b ) ，顶层为由任课教 师管理的计算机，即实验室数据信息管理系统中的客户机。 智能型波尔共振仪实验网络系统的底层为多组波尔共振仪的机械部分和控制箱构 成。 波尔共振仪的机械部分由铜质摆轮、带铁芯的阻尼线圈、电机、两个光电门及连杆 等部分组成。实验中，系统采用双光电门技术，用于记录摆轮做受追振动的周期和振幅， 用频闪法可测量摆轮做受迫振动时的振动系统与强迫力之间的相位差，也就是摆轮与电 机之间的相位差。此外，还有另一种方法可以测量相位差的值，即可由摆轮和电机上的 两个光电门读取的时间数据，经控制箱处理后得到相位差值，再输入计算机，用于和频 闪法测量到的结果进行比较。 9 东南大学硕士学位论文 冷数据信号流 - 卜控老0 信号流 图1 5 智能型波尔共振仪网络系统结构 波尔共振仪的控制箱上有液晶显示屏、多个按钮和调节强迫力周期的十圈电位器。 控制箱的内部结构主要包括电源电路板、闪光灯电路板、键盘以及主控电路板等。其中 主控电路板由单片机电路、复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p i e xp r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) ，r s - 2 3 2 通讯电路及液晶显示屏接口电路等部分组成。 波尔共振仪的机械部分和控制箱之间有多条电源线和数据线相连接，用于将控制信 号传送到波尔共振仪的机械部分以完成实验控制与测量。控制箱采用大容量可编程器件 设计，可以控制实验仪器的工作状态，如调节阻尼电流或启动电动机等。数据的流向为 从光电门产生的脉冲信号整形后进入c p l d 电路，经处理后由单片机采集，一方面通过 r s 2 3 2 上传到集线器；另一方面生成显示数据送往液晶显示器，显示测量结果，让实验 者观察和记录数据。 集线器( h u b ) 主要由单片机、c p l d 和r s 一4 8 5 、r s 一2 3 2 接口电路组成。局域网采用星 型拓扑结构。以集线器作为一个中心节点，波尔共振仪通过控制箱连接在这个节点上， 多个设备可以共同享用局域网。 网络的顶层是计算机与集线器相连，负责接收采集器送来的实验数据，并根据机号 1 0 第一章绪论 ( 地址) 归类进入数据库。实时显示每个学生的实验测量情况，并进行储存和运算。实验 指导教师可调用数据库检查、监视实验的进行和结果。 此局域网系统的最大容量为：可同时容纳2 5 5 位学生做实验。 1 5 2 子系统的数据通信接口 网络项层计算机与集线器之间通过r s 一4 8 5 通信接口的数据信号进行通信。r s - 一i 8 5 与r s 一2 3 2 通信接口相比，更适于长距离、串行异步通信，且成本低、抗干扰性好，易 于构成网络。r s 一4 8 5 通信接口是半双工方式，而r s 一2 3 2 是全双工方式，所以网络项层 的计算机通过转换器将r s 一2 3 2 通信接口转换为r s - 4 8 5 通信接口。 集线器与控制箱之间用r s - 2 3 2 通信接口进行数据传输，如图1 5 。 1 5 3 子系统的通信模式 数据发送采用轮询的集中控制机制。计算机依照一定顺序逐个访问各仪器，询问是 否有信息要发送。如果有，则该仪器立即占用线路并将信息发给计算机；如果没有，则 将应答信息送给计算机，计算机再访问下一台仪器。这样使每台仪器都有同等机会，并 在预定的时间间隔内将数据安全、有效地发送到计算机上。所用报文格式如图1 6 所示。 为了提高数据传输的可靠性，数据包传输过程中采用了差错校验与数据包重传技 术。控制箱中有数据存储器作为缓冲区。在发送端，报文尾部加入差错校验码组后发送。 在接收端，实验系统管理软件根据报文中的差错校验码组检查报文的正确性，并发送接 收确认信息给发送端。发送端收到确认信息后荐发送下一个报文。若发送端在规定时甸 内未收到确认信息，则重新发送报文。 计算机发给控制箱的报文 控制箱地址 询问报文类别 报文氏度 数据信息 数据信息 校验码 图1 6 报文格式 控制箱发给计算机的报文 计算机地址 报文类别 报文长度 数据信息 数据信息 校验码 东南人学硕士学位论文 本系统通信协议包括上行协议和下行协议，以数据采集器为汇集点。上行协议规定 集线器与计算机之间的通信机制；下行协议规定集线器与控制箱之间的通信机制。通信 协议包括软件( 硬件) 握手协议；询问、应答命令协议：请求、传送数据协议等。其中， 握手协议解决联机问题，命令协议解决链路问题，数据协议解决传送问题。 1 6 论文主要内容 针对目前各个高校的实验管理系统各自为政的特点，本文主要基于i e e e1 4 5 1 标准 设计了一个互通互用、互相浏览的实验数据管理系统。主要包括系统前端的设计，协议 栈设计，信息模型设计，系统组网设计，以及数据传输格式的设计。 全文安排如下： 第1 章作为绪论，介绍物理实验数据信息管理系的组成、应用和发展。 第2 章介绍i e e e1 4 5 1 1 标准的模型、配置及对i e e e1 4 5 1 标准本身进行讨论。 第3 章阐述i e e e1 4 5 1 标准的一致性，涉及发布订阅式的语法语义，存储解码编码 规则，及一致性原则。 第4 章讨论基于i e e e1 4 5 1 1 的实验数据管理系统的设计，包括系统前端设计，协 议栈设计，信息模型设计，数据传输格式设计等。 第5 章是系统在物理实验教学中的应用及结果。 最后为结束语。 1 2 第二章i e e e1 4 5 1 1 标准 2 1i e e e1 4 5 1 家族。叫 第二章i e e e1 4 5 1 1 标准 i e e e 和美国的国家标准与测试学会( n i s t ) 制定了系列标准i e e e1 4 5 1 ，定义了 传感器或执行器的软硬件接口标准，为执行器或传感器提供了标准化的接口和软硬件定 义，使不同的现场网络之间可以通过应用i e e e1 4 5 1 定义的接口标准互连、互操作，解 决不同网络之间的兼容性问题，使传感器厂家、系统集成者和用户有能力以低成本去支 持多种网络和传感器家族，并且通过简单连线，降低了系统的总消耗。所以，i e e e1 4 5 1 家族对网络化智能传感器的即插即用，功不可没。 1 9 9 3 年，i e e e 和n i s t 发起了一个活动，制定了一系列智能传感器和系统的标准， 相继出台了i e 髓1 4 5 1 1 i e e e1 4 5 1 4 的标准，其中，i e e e1 4 5 1 1 为网络应用处理器信 息模式；i e e e1 4 5 1 2 是智能传感器、微处理器通信协议和智能传感器电子数据单( t e d s ) 格式；i e e e1 4 5 1 3 为分布式多点系统的智能传感器的t e d s 格式和数字通信；而i e e e 1 4 5 1 4 则为混合型通信协议和变送器d s 格式，其中i e e e1 4 5 1 1 和i e e e1 4 5 1 2 已 由i e e e 通过，作为全能的应用标准被选定和接受。 在一个互换性网络中，发展了许多新的术语和缩写词，以处理智能传感器单元为例， t e d s 就是一种具有传感器接口特性的机器可读规范，一个智能传感器接口模块( s t i m ) 网络库1 4 5 1 1 p i 毒埔俯视如咿 ， 翌5 d 智虢传蹴黻口 网络应用 处理器 1 4 5 1 a 传蒜器总线接口 智熊传礤嚣 耳标模式 1 j 5 1 二e 图2 i i e e e1 4 5 1 家族的工作关系 1 3 东南大学硕t 学位论文 包括t e d s 和辅助电子设备。辅助电子设备包括网络适配器( n c a p ) 到传感器之日j 的 硬件接口。 而n c a p 是一个支持网络接口应用功能的装置，通过一个或多个传感器，可以进入 到物理层。独立的传感器接口是l o 个引脚的数字通信接口，它允许n c a p 或主机获得 传感器的显示内容，或实现执行器操作及t e d s 的数据请求。 图2 1 所示，标准通过n c a p 把智能传感器、s 1 r i m s ，总线接口模块，以及混合型 变送器等单元联系在一起，这些标准规定得足够细，通过给元件、子系统和系统制造商 提供灵活性来获得互换。 2 2i e e e1 4 5 1 1 标准的对象模型 i e e e1 4 5 1 1 工作组的目标是应用现有的各种网络技术，开发出从智能变送器到网 络的标准连接方法，而对使用何种网络协议和网络收发器没有限制。通过定义网络化智 能变送器组件的一个公共对象模型以及这些组件之间的接口标准来制订了标准化的连 接方法。图2 2 为网络化智能传感器的模型。 图2 2 网络化智能传感器模型 这个模型可从物理层和逻辑层的角度来分析。从物理层角度看，实线部分表示了系 统的各个物理组成部分。图中传感器和执行器组成了变送器模型，变送器通过接口连接 到微处理器或控制器，而微处理器或控制器连接到网络。传感器或执行器与其它的设备 第一章i e e e1 4 5 1 i 标准 硬件接口定义为n c a p 。n c a p 的物理层硬件由微处理器及其支持电路组成，含连接变 送器的输入接口和连接到网络的输出接口。虚线部分表示了系统的逻辑层，可分为应用 组件和支持组件。支持组件包括操作系统、网络协议和变送器固态组件。操作系统提供 了一个应用接口，如图中n c a p 支持的逻辑接口所示。第二个逻辑接口，网络抽象逻辑 接口规范由p o r t s 和服务器对象分配组件组成，提供了一个包含一些通讯指令的抽象 模型，来隐藏某一个给定网络的通讯细节，使用户不用过多考虑通讯协议。第三个逻辑 接口，变送器抽象逻辑接口规范为变送器的输入输出硬件和固件定义提供了同样的抽象 模型，事实上，这个接口使所有这些变送器接口像i o 驱动器。功能模块由组件和服务 组成。n c a p 模块提供了各种应用模块之间的组织和支持不同模块。以上所有这些模块、 组件和服务在i e e e1 4 5 1 1 标准中有详细的定义。注意，这些接口是可选的，并不需要 都用于一个n c a p 的具体实现。i e e e1 4 5 1 1 使用了面向对象的模型定义提供给智能传 感器及其组件。该毽型童= 玺墅錾娄组盛l - = 仝娄描述功篚夔迭堕茎查塑壁堑，这些功 能模块称为实例或对象。基本类的概念被附加规范扩展，以便用于i e e e1 4 5 1 1 。这些 一_ 。- _ _ 。- - - - 一 规范包括发布集合( 类所产生的事件) ，订阅集合( 类所相应的时间) ，状态机( 一个大 规模的状态转换规则标准集) 以及一组数据类型的定义( 提供用户所必需的一部分特 性) 。这些对象类具有特定的属性、动作和行为，为传感器提供一个清楚、完整的描述。 该模型也为传感器的接口提供了一个硬件无关的抽象描述，同时通过采用一个标准的应 用编程接口( a p i ) 来实现从模型到网络协议的映射。这个标准以可选的方式支持所有 的接口模型通信方式，如s t i m 、t b i m ( t r a n s d u c e rb u si n t e r f a c em o d u l e ，传感器总线 接口模型) 和混合模式传感器。 i e e e1 4 5 1 1 标准支持的现场设备和应用有很多优点，例如，丰富的通信模型，支 持客户机服务器模型和发布订阅模型；强有力的模型简化了分布式测控系统软件的开 发和系统的复杂度；模块化的结构便于定制任意大小的系统；与现场总线无关，总线和 现场设备对应用来说是透明的，等等。 1 9 9 4 年3 月，n i s t 和i e e e 共同讨论了关于智能传感器接口标准的制定，提出了 开发这样一种简化控制网络和智能传感器连接标准接口的可能性，并通过了两个标准， 即i e e e1 4 5 1 1 和1 4 5 1 2 。i e e e1 4 5 1 1 标准主要描述了网络适配处理器( n c a p ：n e t w o r k c a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ) ，主要负责智能传感器与网络系统的连接部分。而i e e e 1 4 5 1 2 标准则主要描述了智能传感器模型( s t i m ：s m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c ef o rs e n s o r s a n d a c t u a t o r s ) 和传感器电子数据表格( t e d s ：t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ) 。这两 东南大学硕 学位论文 部分负责规范智能传感器数据的读取、存储和传输。将以上两标准结合，便能真正适用 于所有控制网络和适用于各类传感器及执行器的标准传感器网络接口。此后又推出了 i e e e1 4 5 1 3 和1 4 5 1 4 标准草案，其中i e e e1 4 5 1 3 提出了一个正在开发中的规范，定 墨工二全基至二銮焦堑垡堕的玺娄佳盛墨旦络；而i e e e1 4 5 1 4 则定义了一个传统模拟 量传感器和执行器上增加值描述功能的规范，使传感器和执行器既有模拟接口又有数字 接口的概念。可以用图2 3 来表示i e e e1 4 5 1 标准的组成。 n _ n 鲥【c i 妇 q 凳剥糟i 匏n t e 徽r f a c em o d 删u l ei p k 埘i a ，l 赢耐点筠数事接珏j 一 l p m c e 羽c n 辩络适配应用缒理嚣 0 咧抟巷m o 器d u 岛l e 线( t 轻b i m “) 扳型l 搬e1 4 5 1 。1 嚣准 q 吲m i 灌x e 食d m 按。黼d ct 舳r s l , , s d a ”i 图2 3i e e e1 4 5 1 1 标准的组成 2 3i e e e1 4 5 1 1 一一n c a p 【删 i e e e1 4 5 1 1 建立了一个描述网络化智能传感器的通用对象模型，定义了柔性的模 块化的集合，包括网络接口、测量与控制功能以及传感器接l z l ，而这些都是通过n c a p 实现的。因此在璺论上任何转感器都亘能连接到缸蛔圈釜。墨至! 宣查盒垩竺翌! 竺垦! 以了。这个对象模型是通过一个类结构表现出来的，具体结构如图2 4 所示。 - 一、，、k ，、，- - _ _ 、， _ 一 图2 4n c a p 对象模型结构 1 6 第一章i e e e1 4 5 1 1 标准 从图2 4 可以看到i e e e1 4 5 1 1 标准提供了两种网络通讯模式，即客户一服务器 ( c l i e n t - s e r v e r ) 模式和发布订阅( p u b l i s h - s u b s c d b e ) 模式。客户服务器适于点到点的 一对一通讯模式，而发布订阅适用于一对多或多对多的通讯模式。这些模式定义了一 系列在应用对象与通讯网络之间的软件接口语法和语义。i e e e1 4 5 1 1 通过实例化客户、 一一、，一 发布和订阅端对象并且实施服务对象的操作来实现这些网络通讯模型。另外这些软件接 口独立于具体的使用网络，也就是说网络发生变化时，这些接口不需要修改。这是因为 i e e e1 4 5 1 1 标准并没有规定任何具体的网络通讯规则和协议。对任何一个具体网络只 _ 、 是重耋塑终塾! ：塑量堡重塑堡二全垡堡壁：堡! 窒皇堑塑! 里兰兰! 竺! ：! 錾塑堡茎蕉选壁 在垡焦熊整式a 垒绵琏趣堡! i ，和把在线传输格式的数据转化成i e e e1 4 5 1 1 数据格式的反 编排规则。有了这些代码库，再加上前面已经编好的网络通讯软件接口，就可以使所设 计的网络传感器完全摆脱总线的内部要求。实现了以上软件毯旦届，还需对它实现硬件 支持。为此，可采用一块通讯处理芯片来实现i e e e1 4 5 1 1 标准所定义的通讯模式。这 ，、 块通讯处理芯片也就是前面提到的f n c a p l 其具体结构可用图2 5 表示。n c a p 要完成 。一 的工作有读取从s t i m 接口传来的数据，并将它按编排规则转换成总线传输格式，再通 过总线控制器发送出去，而当远程终端要对下层执行器等通过总线进行操作时，n c a p 就接受从总线传来的数据，并将其反编排成自己的数据格式后传给s t l m 接口，完成对 下层执行器的控制。不同的总线形式其数据传输格式也不同，但只要在n c a p 控制程序 中有前述代码库，则这部分程序无需随总线变动而做修改，就像同一台电脑接不同的打 印机时，只需更换打印机的驱动程序就可以了。 精蛾 图2 5n c a p 系统组成结构 2 4i e e e1 4 5 1 1 信息模型1 1 0 1 i e e e1 4 5 1 1 ，即网络应用处理器信息模型，定义了智能传感器的对象模型，用面向 对象语言对传感器的行为进行了描述。n c a p 指s t i m 与网络间进行网络通信、s t i m 1 7 东南大学硕l 一学位论文 通信以及数据转换的硬件设备，通常又称为网络节点。这个标准通过为智能传感器与执 行器开发一个通用的控制网络信息对象模型定义了一个网络应用处理器到控制网络的 接口。现在有许多控制网络应用都可以实现传感器到网络的访问，而此标准的目的就是 要提供一个网络中立的编程模型来减少把智能传感器与执行接入网络的困难。它为企业 级用户提供了一个全面的数据模型和一个简单的编程框架来建立可互操作的分布式应 用。为实现这一目标，i e e e1 4 5 1 1 提供了如下功能： 传感器应用程序的可移植性软件复用； 即插即用的软件功能一组件； ，- 、- _ 一 网络中立网络抽象层。 i e e e1 4 5 1 1 信息模型对n c a p 进行了面向对象的定义，是网络化智能传感器设备 的面向对象的表达，对象模型定义了具体的传感设备的抽象对象，即具有属性、方法和 状态行为的一些类。其中包含了如下定义：传感器模块( t r a n s d u c e rb l o c k s ) 、功能模块 ( f u n c t i o nb l o c k s ) 、n c a p 模块( n c a _ pb l o c k s ) 等，如图2 - 6 所示。它们提供了对传 感器及其要连接到的网络的简单明了的描述，适用于各种不同的网络化传感器应用。并 很好地解决了应用程序如何与系统中的物理传感器和执行器交互，以及这些应用程序如 何与所连接网络的交互。 图2 6i e e e1 4 5 1 1n c a p 通用对象模型 2 5i e e e1 4 5 1 标准的讨论| 1 | - 1 2 】 自i e e e 和n i s t 组织制定网络化、智能传感器接口标准i e e e1 4 5 1 以来，基于i e e e 1 4 5 1 的产品还没有太多的问世，基于i e e e1 4 5 1 的n c a p 芯片不再使用了，说明市场 1 8 第一章i e e e1 4 5 1 i 标准 还不能完全接受推广使用这个标准。出现这种状况，除了标准本身的问题外，还有其它 因素。 现场总线厂商和