CN106850614B - 多功能数字化网络联调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及系统网络通信技术领域，特别是能够对不同数字化网络进行联调，具体地是一种多功能数字化网络联调装置，其包括多通道并行工作控制模块、信号采集模块、协议定义模块、协议解析模块、拓扑生成模块和模拟输出模块。本发明针对不同网络采用对应的采集技术，实现对网络数据数字信号采集与记录，并通过对源码进行解析，实现信号模拟、故障定位、网络拓扑分析等功能；还能够对用户操作中的误操作、非法操作进行限制和提醒，以及实现了各个板卡独立控制的功能，满足各个板卡的监听线程可独立暂停、继续、结束监听的功能；并且能作为通用的联调装置，减少联调过程中大量工装及模拟器开发工作，提高系统联调的效率，缩短联调周期。

Description

多功能数字化网络联调装置
技术领域
本发明涉及系统网络通信技术领域，特别是能够对不同数字化网络进行联调，具体地是一种多功能数字化网络联调装置。
背景技术
随着通信技术的发展，各种以以太网、1553B总线、串口、CAN总线等通信协议构建的数字化网络被越来越广泛地采用。其中，以太网(Ethernet)是一种使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，其定义了在局域网(LAN)中采用的电缆类型和信号处理方法；1553B总线是MIL-STD-1553B总线的简称，其全称为飞机内部时分制命令/响应式多路传输数据总线，是20世纪70年代由美国公布的一种串行多路数据总线标准，其主要特点是分布处理、集中控制和实时响应；串口是串行接口(也串行通信接口或串行通讯接口)的简称，是采用串行通信方式的扩展接口，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信；CAN 总线(Controller Area Network)即控制器局域网，是ISO国际标准化的串行通信协议，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能。
以太网、1553B总线、串口、CAN总线等通信协议及相应的以太网卡、串口、1553B板卡和CAN板卡等板卡被广泛应用于工业控制系统、汽车电子系统以及航空航天等领域，从而构建了各种数字化网络，对数字化网络的监控管理在工业生产中具有十分重要的地位。但现有技术中的联调装置在对数字化网络系统维修保障时多数只针对单一通信协议，例如中国专利CN103645947B公开了一种MIL-STD-1553B总线监控及数据分析系统，中国专利CN101799795A公开了一种1553B总线监控器及具有该监控器的总线系统，这些监控和分析系统都只能针对1553B总线，不具有通用性，而且，该类产品通常只能够对于，现有技术在对数字化网络联调过程中存在着需要开发大量工装及模拟器的工作，系统联调效率较低以及周期较长等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术在对数字化网络联调过程中存在不具有通用性、需要大量工装及模拟器的开发工作以及效率较低、周期较长等缺点，提供一种多功能数字化网络联调装置。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：多功能数字化网络联调装置，包括多通道并行工作控制模块、信号采集模块、协议定义模块、协议解析模块、拓扑生成模块和模拟输出模块；
多通道并行工作控制模块负责创建线程池，针对当前指定工作的板卡，启动相应的线程，能够控制信号采集模块和协议解析模块；
信号采集模块负责对不同数字化网络的数据的监听和捕获，能够基于系统及相应物理板卡的驱动程序，获得当前设备上对应的物理板卡列表及各个板卡的基本信息；基于网络监听的服务，能够实时采集到网络报文，获得报文的源码，并输出至协议解析模块；
协议定义模块通过提供可视化的人机交互方式，接收并响应用户的对协议的添加、编辑和删除操作，通过将操作命令发送至协议解析模块，完成协议的编辑操作，并将操作结果通过界面反馈给用户，同时对用户操作中的误操作、非法操作进行限制和提醒；
报文解析模块根据相应的数字化网络协议及协议定义模块，能够对采集报文的网络层协议和应用层进行解析，从协议层数据中获得报文的基本参数，从应用层数据中识别出该报文对应的协议，并根据协议定义的内容进行解析；
拓扑生成模块提供可视化的人机交互界面，能够基于对指定数字化网络的报文采集结果，显示当前数字化网络的拓扑结构，实时反馈各个节点之间的交互关系，同时提供对当前网络拓扑的保存及加载功能；
模拟输出模块根据定制的协议格式，支持用户通过人机交互界面输入模拟报文的数据，以及目标设备参数，并将数据通过数字化网络发送至目标设备。
进一步地，多通道并行工作控制模块与信号采集模块之间的接口为信号采集控制命令，多通道并行工作控制模块与协议解析模块之间的接口为采集报文源码，协议定义模块与协议解析模块之间的接口为报文协议描述，协议定义模块与协议解析模块之间的接口为报文地址信息，协议定义模块与模拟输出模块之间的接口为报文协议描述。
进一步地，所述多通道并行工作控制模块包括多线程管理类、板卡控制线程类和板卡控制窗口类；多线程管理类通过创建线程池，负责实现对各个线程的创建、暂停、继续、关闭及资源释放；板卡控制线程类负责实现板卡控制，提供板卡的启动、运行和结束的控制；板卡控制窗口类提供对板卡启动、暂停、继续和结束控制的交互界面，响应用户操作，并控制多线程类控制线程的工作状态，同时将线程工作状态通过交互界面反馈用户；
进一步地，所述信号采集模块包括报文采集工厂类、报文采集的基类和报文源码输出类；报文采集工厂类负责根据用户选择的板卡，创建对应的采集对象；报文采集的基类负责规范和定义报文采集的接口，包括初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取和采集报文的输出接口；报文源码输出类负责获得和管理采集到的报文源码，通过双缓冲技术，保证源码的采集率。
更进一步地，所述报文采集的基类包括以太网报文采集类、1553B报文采集类、串口报文采集类、无线网报文采集类；以太网报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现以太网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；1553B报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现1553B总线网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；串口报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现串口的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；无线网报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现无线网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出。
进一步地，所述协议定义模块包括协议编辑窗口类、协议编辑类、协议树类和XML读写类；协议编辑窗口类负责实现协议编辑的主窗口，响应用户执行的协议编辑的操作，包括添加、删除和编辑协议内容，并将操作后的结果进行显示；协议编辑类负责根据用户的操作，创建相应的对象，维护和管理协议信息；协议树类负责以树型控件的方式显示协议；XML读写类负责通过XML文件的格式保存协议，以及从XML文件中读取协议写入内存的能力。
进一步地，所述协议解析模块包括协议输入类、协议层解析、应用层解析和解析结果显示；协议输入类负责以队列的形式管理内存中待解析的协议，并通过信号量机制保证协议的进出；协议层解析负责根据协议类型，对报文的协议层进行解析；应用层解析负责根据采集的报文以及用户录入的报文协议，对报文进行逐个字段的解析；解析结果显示负责对解析的结果进行显示。
更进一步地，协议层解析支持以太网、1553B、串口及CAN总线的网络协议及应用层协议。
进一步地，所述拓扑生成模块包括节点类、网络管理类和拓扑显示类；节点类负责模拟当前设备节点，并记录节点的信息；网络管理类负责根据采集的报文创建或定位对应的节点，并建立节点之间的关联；拓扑显示类通过环桩的方式显示拓扑结构图。
更进一步地，节点类记录节点的信息为IP地址、端口号或1553B地址
本发明由于采取了上述技术方案，其具有如下有益效果：
本发明所述的多功能数字化网络联调装置，能够通过接口接入到数字化网络，针对不同网络采用对应的采集技术，实现对网络数据数字信号采集与记录，并通过对源码进行解析，实现信号模拟、故障定位、网络拓扑分析等功能；还能够对用户操作中的误操作、非法操作进行限制和提醒，以及实现了各个板卡独立控制的功能，满足各个板卡的监听线程可独立暂停、继续、结束监听的功能；并且能作为通用的联调装置，减少联调过程中大量工装及模拟器开发工作，提高系统联调的效率，缩短联调周期。
附图说明
图1为本发明所述的多功能数字化网络联调装置的结构示意图；
图2为本发明所述的多通道并行工作控制模块的结构示意图；
图3为本发明所述的信号采集模块的结构示意图；
图4为本发明所述的协议定义模块的结构示意图；
图5为本发明所述的协议解析模块的结构示意图；
图6为本发明所述的拓扑生成模块的结构示意图；
图7为本发明所述的多功能数字化网络联调装置的工作流程示意图；
图8为本发明所述的多功能数字化网络联调装置的工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的内容作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的多功能数字化网络联调装置，能够应用于系统维修保障中的单机接口测试(校验)、系统接口对接联调、系统集成测试、系统故障定位、拓扑分析、流量监控及协议设计反求等，其包括多通道并行工作控制模块、信号采集模块、协议定义模块、协议解析模块、拓扑生成模块和模拟输出模块。
其中，多通道并行工作控制模块负责创建线程池，针对当前指定工作的板卡，启动相应的线程，能够控制信号采集模块和协议解析模块，从而实现对板卡接收缓冲区的监听以及对采集报文的解析；在本发明中，板卡可以为以太网卡、串口、1553B板卡或CAN板卡等。
其中，信号采集模块负责对不同数字化网络的数据的监听和捕获，能够基于系统及相应物理板卡的驱动程序，获得当前设备上对应的物理板卡列表及各个板卡的基本信息；基于网络监听的服务，能够实时采集到网络报文，获得报文的源码，并输出至协议解析模块；在本发明中，数字化网络可以为以太网、串口、1553B总线或无线网络等。
其中，协议定义模块通过提供可视化的人机交互方式，接收并响应用户的对协议的添加、编辑和删除操作，通过将操作命令发送至协议解析模块，完成协议的编辑操作，并将操作结果通过界面反馈给用户，同时对用户操作中的误操作、非法操作进行限制和提醒。
其中，报文解析模块根据相应的数字化网络协议及协议定义模块，能够对采集报文的网络层协议和应用层进行解析，从协议层数据中获得报文的基本参数(如以太网报文中的源MAC、目的MAC等)，从应用层数据中识别出该报文对应的协议，并根据协议定义的内容进行解析。
其中，拓扑生成模块提供可视化的人机交互界面，能够基于对指定数字化网络的报文采集结果，显示当前数字化网络的拓扑结构，实时反馈各个节点之间的交互关系，同时提供对当前网络拓扑的保存及加载功能。
其中，模拟输出模块根据定制的协议格式，支持用户通过人机交互界面输入模拟报文的数据，以及目标设备参数，并将数据通过数字化网络发送至目标设备。
在图1中，本发明定义了多通道并行工作控制模块与信号采集模块之间的接口名称为信号采集控制命令，其接口编号为II1-2，具体接口内容、接口类型和说明如下表1：
表1：接口编号II1-2的接口描述
Figure 25305DEST_PATH_IMAGE001
在图1中，本发明定义了多通道并行工作控制模块与协议解析模块之间的接口名称为采集报文源码，其接口编号为II1-4，具体接口内容、接口类型和说明如下表2：
表2：接口编号II1-4的接口描述
Figure 292338DEST_PATH_IMAGE002
在图1中，本发明定义了协议定义模块与协议解析模块之间的接口名称为报文协议描述，其接口编号为II3-4，具体接口内容、接口类型和说明如下表3：
表3：接口编号II3-4的接口描述
Figure 114407DEST_PATH_IMAGE003
在图1中，本发明定义了协议定义模块与协议解析模块之间的接口名称为报文地址信息，其接口编号为II4-5，具体接口内容、接口类型和说明如下表4：
表4：接口编号II4-5的接口描述
Figure 783286DEST_PATH_IMAGE004
在图1中，本发明定义了协议定义模块与模拟输出模块之间的接口名称为报文协议描述，其接口编号为II3-6，具体接口内容、接口类型和说明如下表5：
表5：接口编号II3-6的接口描述
Figure 856545DEST_PATH_IMAGE005
如图2所示，所述多通道并行工作控制模块包括多线程管理类(ThreadManage)、板卡控制线程类(CardControlThread)和板卡控制窗口类(CardControlDialog)；多线程管理类通过创建线程池，负责实现对各个线程的创建、暂停、继续、关闭及资源释放；板卡控制线程类负责实现板卡控制，是一个线程类，提供板卡的启动、运行和结束的控制；板卡控制窗口类提供对板卡启动、暂停、继续、结束等控制的交互界面，响应用户操作，并控制多线程类控制线程的工作状态，同时将线程工作状态通过交互界面反馈用户；这样以来所述多通道并行工作控制模块实现了各个板卡独立控制的功能，满足各个板卡的监听线程可独立暂停、继续、结束监听的功能。
如图3所示，所述信号采集模块包括报文采集工厂类(CaptureFactory)、报文采集的基类(PackCapture)和报文源码输出类(PackageBuffer)；报文采集工厂类负责根据用户选择的板卡，创建对应的采集对象；报文采集的基类负责规范和定义报文采集的接口，包括初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出等接口；报文源码输出类负责获得和管理采集到的报文源码，通过双缓冲技术，保证源码的采集率；
其中，所述报文采集的基类包括以太网报文采集类(NetCapture)、1553B报文采集类(M1553BCapture)、串口报文采集类(ComCapture)、无线网报文采集类(WireCapture)；以太网报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现以太网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；1553B报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现1553B总线网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；串口报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现串口的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；无线网报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现无线网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出。
如图4所示，所述协议定义模块包括协议编辑窗口类(ProtoalEditDialog)、协议编辑类(ProtoalEdit)、协议树类(ProtoalTree)和XML读写类(XMLFactory)；协议编辑窗口类负责实现协议编辑的主窗口，响应用户执行的协议编辑的操作，包括添加、删除和编辑协议内容，并将操作后的结果进行显示；协议编辑类负责根据用户的操作，创建相应的对象，维护和管理协议信息；协议树类负责以树型控件的方式显示协议；XML读写类负责通过XML文件的格式保存协议，以及从XML文件中读取协议写入内存的能力。
如图5所示，所述协议解析模块包括协议输入类(PackageInput)、协议层解析(ProtoalParses)、应用层解析(ApplicationParses)和解析结果显示(ParseShow)；协议输入类负责以队列的形式管理内存中待解析的协议，并通过信号量机制保证协议的进出；协议层解析负责根据协议类型，对报文的协议层进行解析，包括以太网、1553B、串口及无线；应用层解析负责根据采集的报文报文以及用户录入的报文协议，对报文进行逐个字段的解析；解析结果显示负责对解析的结果进行显示。
如图6所示，所述拓扑生成模块包括节点类(Node)、网络管理类(NetManage)和拓扑显示类(TopologyShow)；节点类负责模拟当前设备节点，并记录节点的信息，如IP地址、端口号或1553B地址等；网络管理类负责根据采集的报文创建或定位对应的节点(Node)，并建立节点(Node)之间的关联；拓扑显示类通过环桩的方式显示拓扑结构图。
如图6和图7所示，本发明所述的多功能数字化网络联调装置在工作时，首先由用户启动多功能数字化网络联调装置，启动完毕后，用户可进入协议编辑录入和报文采集两个流程：
其中，报文协议编辑录入流程：
S1：进入到装置的协议编辑录入界面；
S2：添加新的报文，输入报文名称；出现名称冲突，装置自动生成新的名称；
S3：为报文依次添加报文字段，定义报文字段的名称；若出现名称冲突，装置自动生成新的名称；
S4：编辑报文字段的属性，包括首字节、字段长度、浮点型标志、分辨率；
S5：将协议保存到指定文件。
其中，报文采集流程：
S1：用户通过人机交互界面选择工作板卡，支持多种选择，包括以太网卡、1553B板卡及串口；
S2：装置自动检查板卡的是否安装在当前设备；
S3：装置获取板卡的基本信息，如板卡的名称、板卡号、驱动入口；
S4：设置板卡的工作模式，将以太网设置为混杂模式；将1553B板卡设置为MT(监听)模式；设置串口的波特率、奇偶校验方式；
S5：针对选择的板卡依次启动对应的监听线程，开始对板卡接收缓冲区进行监听；
S6：将板卡接入到数字化网络；此时当网络中存在交互的数据，板卡将能够采集到；
S7：对采集到的数据进行预处理，对以太网保留UDP与TCP报文，对于1553B保留状态字、指令字与数据字，其余报文全部过滤；
S8：按照编辑录入的报文格式，对网络应用层数据解析；
S9：显示解析的结果。
此外，用户在完成协议编辑录入后，可以通过本发明所述的多功能数字化网络联调装置进行模拟输出，步骤如下：
步骤一：指定待发送的报文，根据报文字段要求，编辑每个字段输出的内容；
步骤二：选择输出报文的板卡；
步骤三：设置目标设备的参数，若通过以太网卡输出，则设置目标设备的IP地址、端口号及周期；若通过1553B板卡输出，则设置目标设备的RT地址和子地址及周期；
步骤四：点击发送按钮，装置根据录入的内容模拟输出信号。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.多功能数字化网络联调装置，其特征在于：包括多通道并行工作控制模块、信号采集模块、协议定义模块、协议解析模块、拓扑生成模块和模拟输出模块；
多通道并行工作控制模块负责创建线程池，针对当前指定工作的板卡，启动相应的线程，能够控制信号采集模块和协议解析模块；所述多通道并行工作控制模块包括多线程管理类、板卡控制线程类和板卡控制窗口类；多线程管理类通过创建线程池，负责实现对各个线程的创建、暂停、继续、关闭及资源释放；板卡控制线程类负责实现板卡控制，提供板卡的启动、运行和结束的控制；板卡控制窗口类提供对板卡启动、暂停、继续和结束控制的交互界面，响应用户操作，并控制多线程类控制线程的工作状态，同时将线程工作状态通过交互界面反馈用户；
信号采集模块负责对不同数字化网络的数据的监听和捕获，能够基于系统及相应物理板卡的驱动程序，获得当前设备上对应的物理板卡列表及各个板卡的基本信息；基于网络监听的服务，能够实时采集到网络报文，获得报文的源码，并输出至协议解析模块；
协议定义模块通过提供可视化的人机交互方式，接收并响应用户的对协议的添加、编辑和删除操作，通过将操作命令发送至协议解析模块，完成协议的编辑操作，并将操作结果通过界面反馈给用户，同时对用户操作中的误操作、非法操作进行限制和提醒；
协议解析模块根据相应的数字化网络协议及协议定义模块，能够对采集报文的网络层协议和应用层进行解析，从协议层数据中获得报文的基本参数，从应用层数据中识别出该报文对应的协议，并根据协议定义的内容进行解析；
拓扑生成模块提供可视化的人机交互界面，能够基于对指定数字化网络的报文采集结果，显示当前数字化网络的拓扑结构，实时反馈各个节点之间的交互关系，同时提供对当前网络拓扑的保存及加载功能；所述拓扑生成模块包括节点类、网络管理类和拓扑显示类；节点类负责模拟当前设备节点，并记录节点的信息；网络管理类负责根据采集的报文创建或定位对应的节点，并建立节点之间的关联；拓扑显示类通过环桩的方式显示拓扑结构图；
模拟输出模块根据定制的协议格式，支持用户通过人机交互界面输入模拟报文的数据，以及目标设备参数，并将数据通过数字化网络发送至目标设备。
2.根据权利要求1所述的多功能数字化网络联调装置，其特征在于：多通道并行工作控制模块与信号采集模块之间的接口为信号采集控制命令，多通道并行工作控制模块与协议解析模块之间的接口为采集报文源码，协议定义模块与协议解析模块之间的接口为报文协议描述，协议定义模块与协议解析模块之间的接口为报文地址信息，协议定义模块与模拟输出模块之间的接口为报文协议描述。
3.根据权利要求1所述的多功能数字化网络联调装置，其特征在于：所述信号采集模块包括报文采集工厂类、报文采集的基类和报文源码输出类；报文采集工厂类负责根据用户选择的板卡，创建对应的采集对象；报文采集的基类负责规范和定义报文采集的接口，包括初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取和采集报文的输出接口；报文源码输出类负责获得和管理采集到的报文源码，通过双缓冲技术，保证源码的采集率。
4.根据权利要求3所述的多功能数字化网络联调装置，其特征在于：所述报文采集的基类包括以太网报文采集类、1553B报文采集类、串口报文采集类、无线网报文采集类；以太网报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现以太网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；1553B报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现1553B总线网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；串口报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现串口的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出；无线网报文采集类继承“报文采集的基类”，负责实现无线网的初始化板卡、报文采集、采集报文源码获取、采集报文的输出。
5.根据权利要求1所述的多功能数字化网络联调装置，其特征在于：所述协议定义模块包括协议编辑窗口类、协议编辑类、协议树类和XML读写类；协议编辑窗口类负责实现协议编辑的主窗口，响应用户执行的协议编辑的操作，包括添加、删除和编辑协议内容，并将操作后的结果进行显示；协议编辑类负责根据用户的操作，创建相应的对象，维护和管理协议信息；协议树类负责以树型控件的方式显示协议；XML读写类负责通过XML文件的格式保存协议，以及从XML文件中读取协议写入内存的能力。
6.根据权利要求1所述的多功能数字化网络联调装置，其特征在于：所述协议解析模块包括协议输入类、协议层解析、应用层解析和解析结果显示；协议输入类负责以队列的形式管理内存中待解析的协议，并通过信号量机制保证协议的进出；协议层解析负责根据协议类型，对报文的协议层进行解析；应用层解析负责根据采集的报文以及用户录入的报文协议，对报文进行逐个字段的解析；解析结果显示负责对解析的结果进行显示。
7.根据权利要求6所述的多功能数字化网络联调装置，其特征在于：协议层解析以太网、1553B、串口及无线协议。
8.根据权利要求1所述的多功能数字化网络联调装置，其特征在于：节点类记录节点的信息为IP地址、端口号或1553B地址。
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