CN117608207A - 一种基于反射内存网的通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半实物仿真技术领域，公开了一种基于反射内存网的通信系统及方法，该通信系统，包括光纤网络接口卡，光纤网络接口卡包括光收发模块、串行解串器、FPGA、存储器、PCI桥、PCI总线，光收发模块、串行解串器、FPGA、存储器依次通信连接，FPGA、PCI桥、PCI总线依次通信连接。本发明解决了现有技术存在的稳定性差、传输延时高、通用性差等问题。

Description

一种基于反射内存网的通信系统及方法
技术领域
本发明涉及半实物仿真技术领域，具体是一种基于反射内存网的通信系统及方法。
背景技术
当前，半实物仿真实时仿真系统大多采用高速以太网或者光纤反射内存网的动态实时数据共享方法，在半实物仿真方面的数据共享协议研究相对较少。现有数据共享方法依靠TCP/UDP协议采用光纤进行信息交互或者是采用反射内存卡中断方式传输数据，对于每个光纤反射内存节点异常和故障无法快速诊断，存在一定的技术缺陷。
现有技术存在以下缺点：
1、以往仿真系统与其它系统数据交互采用单机直联或网络通讯模式，单机直联模式具有以下缺点：1）限定了多系统摆放位置，需要将数据交互系统尽可能的集中；2）直联线缆传输会损耗数据值；3）增加了各个系统硬件设计的复杂性和接口的繁多性。
2、现有技术大多采用依靠TCP/UDP协议以太网双绞线构建的数据共享方式，目前最新万兆以太网通信速率，基本符合对于延时要求不高，参与仿真数量较少的仿真系统设计需求。但对于延时要求高，模型同步率高的强实时半实物仿真系统，不能达到设计要求。
3、目前，高速网络技术已在航空领域普遍应用，避免了单机直联的缺点， 高速网络技术主要有光线通道传输、千兆以太网传输和反射内存网等，反射内存网通过反射内存卡和光纤构成的实时通讯网络具有稳定的传输性、确定的低传输延迟、节点多、移植性强、支持硬件中断等特点，成为高速数据传输的关键技术之一，尤其在仿真技术网络方面，但是，反射内存卡目前最多只支持3个中断，对于需要包含较多的其它系统与之间进行高速数据交互的飞机仿真系统仅靠中断解决不了问题，而且反射内存网目前的异步和周期通讯协议存在不通用性等缺点。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于反射内存网的通信系统及方法，解决现有技术存在的稳定性差、传输延时高、通用性差等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种基于反射内存网的通信系统，包括光纤网络接口卡，光纤网络接口卡包括光收发模块、串行解串器、FPGA、存储器、PCI桥、PCI总线，光收发模块、串行解串器、FPGA、存储器依次通信连接，FPGA、PCI桥、PCI总线依次通信连接。
作为一种优选的技术方案，还包括分布式数据总线、数据共享协议编程接口、数字模型、产品、信号源，光纤网络接口卡、数据共享协议编程接口、数字模型依次通信连接，光纤网络接口卡、数据共享协议编程接口、产品、信号源依次通信连接。
作为一种优选的技术方案，数字模型为以下的一种或多种：传感器数字模型、仿真实体数字模型、执行机构数字模型、环境模拟系统数字模型、全量仿真数字模型；产品为以下的一种或多种：传感器实物产品、仿真实体半实物产品、环境模拟系统实物产品、全量仿真实物产品，信号源为模拟信号源或数字信号源。
作为一种优选的技术方案，还包括分别与光纤网络接口卡通信连接的管理节点、仿真节点。
作为一种优选的技术方案，管理节点协议结构包括指令字段、任务配置字段、状态配置字段、启动配置字段、结束设置字段、时钟设置字段、任务类型字段、设备信息配置字段。
作为一种优选的技术方案，指令字段协议结构包括信息头字段、信息体字段、传输次数字段、校验位字段、信息尾字段。
作为一种优选的技术方案，仿真节点存储有仿真数据，仿真数据包括发送数据、接收数据。
作为一种优选的技术方案，存储器为DRAM、SDRAM或EEPROM。
一种基于反射内存网的通信方法，采用所述的一种基于反射内存网的通信系统。
作为一种优选的技术方案，FPGA控制PCI桥与PCI总线进行数据交互，光纤网上的串行光信号通过光收发模块转换为串行的电信号，串行电信号通过串行解串器后，将串行数据转换为并行数据；FPGA从串行/解串器接收到并行数据，对数据进行解析，检测出数据帧，根据数据帧信息，把需要转发的数据帧及时转发到串行解串器来进行并串转换，同时FPGA把接收到的数据写入存储器，按照计算机指令把数据从存储器中读出。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明能够满足半实物仿真系统中任意数量子系统间实时数据传输需求；
（2）本发明在半实物仿真系统实验过程中能够快速诊断各子系统异常情况；
（3）本发明构建光纤反射内存网可异构扩展性强；
（4）本发明通讯网络具有稳定的传输性、确定的低传输延迟、节点多、移植性强的特点。
附图说明
图1为光纤网络接口卡硬件总体框架图；
图2为多通道异构数据交互示意图；
图3为数字+半实物联合仿真系统组成示意图；
图4为反射内存实时仿真系统网络结构示意图；
图5为连接原理示意图；
图6为连接原理示意图之一；
图7为连接原理示意图之二。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图7所示，为了解决半实物仿真系统中多系统间的数据共享问题，使数据在传输过程中具有更强的实时性、高效性和异常诊断性，提出了一种反射内存网实时数据传输协议，搭建了基于反射内存网的网络结构，描述了反射内存卡中断方式传输数据的缺陷，介绍了多系统内存分布和数据传输协议。本协议能够满足半实物仿真系统中多系统间实时数据传输需求，同时能够快速诊断各系统异常情况，提高了在仿真试验中飞机飞行的真实性和逼真度。
本发明基于光纤反射内存板卡构建实时高速光纤通讯网，旨在使多个独立计算机能高效的共享通用数据集。该通信网络可在每个子节点系统中保存整个共享内存的独立备份，每个子系统均享有充分且不受限制的访问权限，还能以极高的本地内存写入速度修改本地数据集。其中光纤反射内存板卡作为分布式仿真环境构建的重要组成部分，为集群半实物仿真设备间的通讯与数据交互的提供高效可靠的网络通讯手段,具有高带宽、重量轻、同步率高、组网灵活等特点。
更具体的技术方案，如下：
1、设计方案
1.1光纤网络接口卡组成及功能设计
光纤网络接口卡硬件总体构架如图1所示。
接口板采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）芯片作为控制核心，用户可通过编写硬件描述语言程序来定义FPGA芯片功能，可实现各种复杂的组合和时序逻辑电路功能，也能实现各种CPU、嵌入式处理器及DSP的功能，且速度高、全并行。本设计中FPGA一方面控制PCI9054芯片（PCI桥）与计算机PCI接口（PCI总线）进行数据交互，另一方面光纤网上的串行光信号通过光收发模块转换为串行的电信号，串行电信号通过串行解串器（TLK2501）把2.125GHz的串行数据转换为16位106MHz的并行数据，FPGA从串行/解串器TLK2501接收到并行数据，对数据进行解析，检测出数据帧，根据数据帧信息，把需要转发的数据帧及时转发到串行解串器（TLK2501）来进行并串转换，同时FPGA把接收到的数据写入SDRAM，按照计算机指令把数据从SDRAM中读出。采用FPGA作为核心处理器，实现光纤通信的协议规范。FPGA具有并行执行能力，采用逻辑电路实现，可以保证系统实时性。
1.2基于反射内存的分布式总线和网络通信技术
半实物仿真系统需要建立实时数据交互网络，实现各被试装备、物理效应模拟器、仿真主控计算机、接口模拟等设备之间的数据交互。面向智能联合作战实验的半实物仿真系统除需支持常规半实物仿真系统的数据交互功能外，还需解决包括多种装备计算机体系异构、操作系统异构、数据格式异构、数据存储异构等因素造成的数据交互难题，以支撑多种异构装备在环的仿真验证的能力。
多通道异构数据交互技术将以基于反射内存卡的分布式数据总线为依托，采用FACE架构设计开放可重构智能I/O接口，实现不同硬件平台异构数据的互联互通，解决多通道的异构数据交互难题。多通道异构数据交互技术的示意如图2所示。
（1）基于反射内存卡的分布式数据总线
现有的仿真系统通信网络主要是基于现场总线和以太网，CAN总线在传输小数据包时速率很快，但是当传输数据量较大时无法满足要求，由于面向智能联合作战的半实物仿真系统体量很大，数据交互量大，该方式难以满足系统数据交互需求。以太网是当前使用最广泛的通信网络，能支持大体量数据的交互，但是网络协议太过复杂，且其采用的CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多路访问技术）机制使得它很难保证在确定的时间内响应，实时性难以满足仿真系统的需求。
反射内存网络是一种实时网络，采用复制共享存储机制实现数据传输，网络上的各板卡在逻辑上共用公共存储空间，网络上的任一节点都可以访问反射内存空间，存取的方式和存取本地内存相同。采用反射内存传输的优势有：确定传输、延时小、良好的错误检测和恢复机制，在反射内存网中，复杂的消息和硬件软件协议一起传递。反射内存现有的通信方式是链路层通信，在同时处理多个并发事件的输入数据流时会产生丢包，不能实现实时和可靠的传输。因此根据多通道异构数据交互的具体需要对反射内存网络通信系统进行设计，形成适用于异构数据的分布式数据总线，以满足半实物仿真系统的需求。
基于半实物仿真系统的异构数据交互的显著特点，本系统将以反射内存网为依托，构建分布式数据总线网络，解决多通道异构数据的交互问题。总线是构成计算机系统的骨架，是一组信号线的集合，是传送信息的公共通道，具有消息传递功能和实时响应功能。根据总线传输信号的方式不同，总线又可分为并行总线和串行总线。一般认为，并行总线用于连接各设备以组成系统，而串行总线用于系统互连；并行总线用于近距离高速信息传输，串行总线用于远距离信息传输。根据总线的用途和应用环境又可分为：局部总线、系统总线、外总线。
在分布式多机系统中，每个子系统都有自己的局部总线，局部总线挂有局部存贮器和局部I/O接口，大部分数据传输都是通过局部总线来完成的，只有在访问公共存贮器和公共I/O接口以及各子系统间信息交换时，才用系统总线。分布式多机系统正是采用了分布式数据总线技术，利用局部总线、系统总线和外总线合理协调使用，使得整个系统的数据具有吞吐量大、速度快、功能强。
（2）多域数据的高效引接交互技术
合理的网络通信规范是分布式数据总线能够高效运转的保障，数据分发服务（DDS）是一个分布式实时系统中发布/订阅模型的网络通信规范。平台以数据为中心的发布-订阅模型为所有的分布式节点之间创建了一个虚拟共享的全局数据空间，在该模型下分布式节点在网络上以发布或订阅的方式传输数据，节点可以是发布者或者订阅者，或两者都是。网络中的数据对象用主题做标识，分布式节点在全局数据空间中发布或订阅感兴趣的主题信息。各个节点在逻辑上无主从关系，点与点之间都是对等关系，通信方式可以是点对点，点对多，多对多，在服务质量（QoS）策略的控制下建立连接，自动发现和配置网络参数。
平台数据规范有两层：分别是DLRL层（数据本地重构）和DCPS层（以数据为中心发布订阅）。DCPS层是ModelOS的核心和基础，提供了通信的基本服务；DLRL层将DCPS层提供的服务进行了抽象，在DLRL层建立了与底层服务的映射关系。
如图3所示，给出了基于反射内存的数字仿真与半实物仿真联合的虚实结合仿真系统组成。针对典型作战实验场景的验证需求，半实物仿真需要接入数字仿真系统，通过组织并动态调度仿真节点，模拟特定场景下各个节点的生成与销毁、装备之间数据信号的实时传输与处理，真实再现复杂作战环境下半实物子系统装备协同作战过程。
基于光纤反射内存网，制定半实物仿真组件的标准模型接口与身份标识ID，通过仿真综合管理系统对仿真资源进行统一调度与管理，根据数字仿真系统的仿真过程，实现对各仿真实体和场景生成、消亡的实时控制；同时半实物仿真实体的数据也按照规定的时钟同步技术，实时分发和储存到共享内存，供数字仿真系统调用，保障两种系统信息流准确和一致。
1.3网络结构与需求分析
多系统实时数据传输网络基本采用分布式网络，飞机仿真试验系统主要与液压系统、温度系统、加载系统、操纵系统等试验系统进行数据传输交互，考虑到各系统本身的独立性，以及各系统之间的关联性，飞机仿真试验系统与各系统分别摆放在不同的位置，相隔几百米，而且所有的系统数据需要试后进行统一管理和相关性分析，因此需要大型数据库系统和管理系统，所有系统之间主要通过反射内存卡和多模光纤组成网络与其它系统通讯，网络结构如图4所示。
由于各节点之间通过反射内存卡分配的内存空间和光纤交互数据，对数据传输协议提出几点性能要求：
1）传输实时性：半实物实时仿真系统性能的优劣决定了半实物仿真实验的真实性和逼真度，要提高实验仿真的品质，高速数据采集系统之间的数据交互延迟不低于10ms，低速数据采集系统之间的数据交互不低于1s，例如仿真系统与加载系统之间的数据传输延迟不得低于10ms，仿真系统与环境模拟系统之间的数据传输延迟1s完全能够反映出温度的实时变化。
2）各系统差异化处理：各系统的信号变化具有缓急之分，如加载系统和环境模拟系统在实时性上差异1000倍，而且数据量差异也较大，因此，针对不同的系统需要可以采用不同的传输方式和定制化内存空间大小，如果按照一致的传输方式将会导致无法保证仿真实验品质或者浪费有限的软硬件资源。
3）纠错能力强：各系统数据传输过程中提高传输的可靠性，保证数据的准确性，必须采用一定的校验方法来保证数据传输的高可靠性。
4）异常诊断：各系统之间相互独立，仅有关联数据进行传输，若某个系统出现了异常情况，而仿真试验系统没有及时获取到仍然采用原有数据进行仿真控制，将会导致仿真系统的安全性，因此，必须及时诊断出各系统的运转情况，通过判断采取不同的应急措施。
1.4实时数据传输协议设计
数据传输协议通常都是接收双方对一包数据的包头、包尾、信息体格式、速率与纠错方法的一种规定。每种协议在制定前首先需要了解所选用的网络原理。
1.4.1反射内存网原理
反射内存网是一种专用的高速实时网络，主要由反射内存卡和光纤连接组成，网络中的每个节点需要插入一块内存卡，支持PCI、PMC 等多种总线接口，每个节点中的内存区域中的数据在整个网络中处于共享状态。反射内存卡是无需软件参与仅靠硬件操作的一种传输方式，节点之间数据传输亦不需要CPU 参与，在几百ns级的确定时间周期内能够完成数据传输，可以满足高速实时系统快速性要求；同时不需要考虑网络的通讯协议，软件读、写操作简单灵活，适合不同反应周期的要求。文中采用HY-FB2125G-PCI光纤板卡，它是PCI总线的光纤反射内存接口板、HY-FHX8光纤HUB和MMF（1300nm）设计一种多系统多通讯方式的高速实时数据传输协议。
1.4.2 反射内存网中断缺点
反射内存卡支持中断方式通知各个节点接收数据，通长支持3个中断，而且用户可以定义中断的优先级与具体功能。但是，反射内存卡的中断不适合多系统高速数据传输，首先，中断个数有限不能完成3个以上系统的实时中断数据传输方式，其次，中断请求后得到中断应答方可进行本次数据的接收，最后，利用中断方式需要占用CPU使用率。基于中断缺点，在多系统实时数据传输中主要根据整个网络系统的不同特性要求需要设计不同的数据传输协议。
1.4.3 反射内存分布
根据反射内存网的特点：1）反射内存网中每个节点的节点号必须唯一，节点号顺序不重要，只需通过光纤反射内存对应的NODEID读取即可；2）同一内存区域不能被多个系统同时进行写操作，可同时进行读操作，如同时写操作必须进行加锁机制将会导致增加开销。因此，数据传输协议需要给每个系统单独开辟一块内存区域，单个系统开辟的指定的内存区域仍需进行详细划分便于管理。针对半实物实时仿真系统特点以及实时仿真机节点个数，假设整个网络中的系统有30个节点，由于各个系统承载的数据量不同，例如半实物仿真数字以及模拟源节点承载的数据量远比半实物控制节点承载的数据量大，数据库节点只从各个系统内存中读取对应的半实物仿真数据，也就是说要根据半实物系统调度关系区划分反射内存。即只需划分仿真机模型管理控制区域、数据共享区域以及故障检测区域三部分，所以将整个光纤内存地址总体划分为三大部分。在模型管理控制区为每个节点设备大小不同的块，用于分配每个仿真节点的控制指令地址、仿真任务地址、设备在线状态地址、设备启动地址、仿真时钟地址、模型设备信息地址、模型类型以及模型任务类型地址。用于管理调度每个子节点设备运行状态、存储每个节点设备信息以及子节点设备任务分配。在数据共享区则被分为数据发送区和数据接收区两部分，数据发送/接收区为每个子节点设备按照数据量大小分配大小不同的地址块用于共享每台设备实时数据，故障检测区则主要为每台设备分配大小相同的内存区域用于存储设备的故障状态，故障类型以及故障危险等级等故障诊断信息。半实物仿真系统多节点反射内存分布如表1所示。
表1半实物仿真系统多节点反射内存分布表
为了后续维护方便和二次开发，每块内存区域都具有预留空间，并且针对实际情况，整个内存卡也保留预留，在整个内存房内仍可增加节点系统。
1.4.4 协议结构
为实现多系统之间统一管理、资源节省和实时高速传输，协议结构要求：
1）在表1中将每个地址类型划分为30个子区域，每个子域存储每个节点设备对应的信息；管理节点信息相对较少，根据每台设备节点信息量大小固定长度分配设备相关信息，分配方法可参考仿真机输入/输出字段数据共享映射表。
2）数据库节点字段映射表光纤地址半实物系统数据只读不写，数据库管理设备只能读取数据库节点数据写入光纤，不可以修改数据库数据，ID-1数据库节点设备地址映射如表2所示；数据库子节点设备分配地址长度都为0x1000。
表2ID-1数据库节点设备地址映射表
3）不同系统需要共享数据交互的信息不同，数据段分配内存大小不同。设备节点1(ID1)的仿真子节点数据传输输入字段映射如表3，设备节点1(ID1)的仿真子节点数据传输输出字段映射如表4所示，起始地址是相对每个分系统地址的绝对地址。由于目前接入系统30个节点都为实时仿真机，因此数据功能共享每台半实物节点分配地址长度为0x1000。
表3ID1-仿真子节点数据传输输入字段映射表
表4 ID1-仿真子节点数据传输输出字段映射表
4）模型故障诊断在光纤反射内存网中也起着至关重要的作用，能一定程度上提高系统运行的安全性，提高半实物仿真系统运行过程中，系统仿真实验运行效率，提升半实物系统可维护性。因此，添加模型故障诊断功能在协议体系内是非常必要的。ID1为仿真模型故障诊断字段地址映射如表5所示。
表5ID1为仿真模型故障诊断字段地址映射表
5）所有的子节点设备都通过统一的设备控制指令，光纤控制指令如表6所示。即将控制指令编码发送到光纤指令地址，每台子节点设备读取光纤指令地址的命令，控制每台设备的运行状态。
表6光纤控制指令表
6）每个子节点设备对应的相关光纤地址是预先设定好的，当管理调度软件需要那部分数据，去对应的光纤地址读取实时共享的数据即可实现数据快速度共享，光纤反射内存网相当是一个高速内存用于共享来自各个系统节点的实时仿真数据，不存在复杂协议头的识别和解析工作，进一步提高了数据共享速度。
不同系统需要数据交互的信息不同，数据段分配内存大小不同。管理节点协议结构如表7所示，起始地址是相对每个分系统地址的绝对地址。根据分配的地址段结合本设备的各项信息所占内存的大小，合理分配地址长度，其中表7中每个字段都包含所有子设备节点的所有信息，管理节点的内存区域在设备启动任务下发后不在进行相关参数的修改，只能进行读操作，也就是说管理调度会在任务运行过程中加入写禁止权限。以防外部介入修改硬件设备信息以及相关任务信息。其中任务运行状态、控制指令字段除外，仿真实验的启动控制以及运行状态的监控应具有最高权限。
表7管理节点协议结构表
管理节点每个子节点设备对应字段的大小和格式各节点完全相同，主要是管理系统对各分系统发送的执行信息和各子系统反馈给管理系统的信息。因此每个字段分配给每个设备块地址类似，每个字段主要由信息头、信息体和校验位，校验方式采用和校验，例如指令字段协议结构如表8所示。指令表如表6所示占1字节，表8中信息体就占1字节，由于每个管理节点信息体的数据量不同可以根据每个字段信息量配置信息体中字节数m的大小。比如管理节点字段中有设备信息配置字段，就需要根据设备信息内容长度确定信息体字节大小。每台设备定义以固定的地址长度依次递增。
表8指令字段协议结构表
仿真节点主要是各分系统当前设备的仿真数据，包含仿真试验系统数据源和数据目标，这里统一定义为发送数据以及接收数据两个区域，由于光纤反射内存读写数据误码率几乎为零，为进一步为了减少内存开销和提高数据共享的速率，数据输出地址和数据输入地址仅保留数据区域和预留，将数据校验放到软件部分实现，初次之外，为保证数据精度所有分系统的数据以double型存放。其中输入输出字段数据最大读写长度预设为45个双精度浮点型数据。同时还保留预留字段数据读写长度还可以进一步扩展。针对与数据读写次数的计算由于与仿真数据无关，用于仿真系统数据吞吐量和系统运行性能评估，统一在软件端进行计算评估，硬件读写存在不必要延时，为进一步提升读写效率，暂不进行与仿真数据不相关的数据读写。后续进行协议优化可对这部分进行改进。每个设备数据共享内存地址长度为0x1000。子节点设备地址分布如表1所示。由于半实物仿真设备节点存在输入输出两路数据，因此根据需求设计反射内存输入数据共享内存和输出数据共享内存区。ADD2的输入输出数据映射在表3的基础上地址长度增加0x1000就是ADD2节点设备的光纤地址，ADD3到ADDn共享内存区在上一个设备地址基础上增加0x1000的地址长度即可得到。以ADD1为例，ADD1包含两块数据存储区分别为数据输入区和数据输出区，输入区主要接收管理调度软件发送的控制数据和下发的任务数据，输出数据区则是将实时仿真机中半实物模型仿真的实时数据共享给管理软件，通过管理软件统一调度管理。采用这种数据共享方法可以最大程度提高数据共享效率。
2数据共享协议编程接口
这部分内容主要根据以上协议讲述了如何使用HY-FB2125G光纤板驱动程序。提供一套HY-FB2125G驱动程序提供了丰富的接口函数，能满足用户对板卡的操作需求；具有良好的兼容性，能适用于多种编程环境；操作简单方便，可以大大缩短用户的开发周期。
2.1动态库DLL
FIBER2125驱动程序接口函数以动态链接库DLL形式提供给用户。您可以在FIBER2125板卡配套光盘中获取。
2.1.1主要功能
本卡为256M的光纤内存反射卡，可以在256M的地址上完成数据的读写。
2.1.2适用编程工具
运行环境：Windows 10操作系统
开发工具：Visual C++、LabWindows
2.1.3需要引用的文件
当您进行程序开发时，需要引用下列文件：
a)库文件：Fiber2125API.dll 和Fiber2125API.lib
b)函数库头文件：Fiber2125API.h
2.2驱动程序函数接口说明
本节内容详细描述了API函数的调用原型，函数功能、参数说明和返回值。
2.2.1 FIB2125_Open
函数原型：int FIB2125_ Open(int nIndex);
函数功能：找板卡，并分配板卡资源
参数说明：nIndex：板卡编号，取值为0~9（若工控机中同时插10块FIBER2125板卡，板卡的编号按板卡所在的插槽离CPU的距离由近到远依次编号0，1,..,9；若PC机中同时只插一块板，板卡编号为0）
返回值：0：表示板卡打开成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示板卡打开失败。
2.2.2 FIB2125_Close
函数原型：int FIB2125_Close(int nIndex);
函数功能：关闭板卡，释放板卡资源
参数说明：nIndex：板卡编号
返回值：0：表示板卡关闭成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示此编号的板卡未打开过；
-3：表示板卡关闭失败。
2.2.3 FIB2125_ReadID
函数原型：int FIB2125_ReadID(int nIndex, DWORD* pID);
函数功能：读板卡的出厂编号函数
参数说明：nIndex：板卡编号；
pID：存放板卡的出厂编号。
返回值：0：表示读板卡编号操作成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示此编号的板卡未打开过；
-3：表示读板卡编号的操作失败。
2.2.4 FIB2125_Write32
函数原型：int FIB2125_Write32(int nIndex, DWORD addr, DWORD *pBuf, intnCount);
函数功能：将一组32位的数据写入到光纤反射内存中。
参数说明：nIndex：板卡编号；
addr：数据写入板卡的起始内存地址，必须是4的倍数，范围0~0x0FFFFFFC；
pBuf：需写入板卡内存的数据缓冲区，此缓冲区的大小必须大于等于nCount*4（字节），否则会引起缓冲区溢出；
nCount：写入内存的32位数据的个数。
返回值：0：表示操作成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示此编号的板卡未打开过；
-3：addr参数非法，超限或非4的倍数；
-4：写操作失败。
注意：超限指addr+4*(nCount-1)>0x0FFFFFFC，即最后一个数据的地址大于0x0FFFFFFC。
2.2.5 FIB2125_Read32
函数原型：int FIB2125_Read32(int nIndex, DWORD addr, DWORD *pBuf, intnCount);
函数功能：从光纤反射内存中读出一组32位的数据。
参数说明：nIndex：板卡编号；
addr：读取数据时板卡的起始内存地址，必须是4的倍数，范围0~0x0FFFFFFC；
pBuf：存放读取数据的缓冲区，此缓冲区的大小必须大于等于nCount*4（字节），否则会引起缓冲区溢出；
nCount：从内存中读取的32位数据的个数。
返回值：0：表示操作成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示此编号的板卡未打开过；
-3：addr参数非法，超限或非4的倍数；
-4：读操作失败。
注意：超限指addr+4*(nCount-1)>0x0FFFFFFC，即最后一个数据的地址大于0x0FFFFFFC。
2.2.6 FIB2125_WriteBuf
函数原型：int FIB2125_WriteBuf(int nIndex, DWORD addr, BYTE *pBuf, intnSizeOfBuf);
函数功能：将指定长度的数据缓冲区中的数据写入到光纤反射内存中
参数说明：nIndex：板卡编号；
addr：数据写入板卡的起始内存地址，可以不是4的倍数，范围0~0x0FFFFFFF；
pBuf：需写入板卡内存的数据缓冲区，此缓冲区的大小必须大于等于nSizeOfBuf（字节），否则会引起缓冲区溢出；
nSizeOfBuf：需写入内存的数据长度，单位为字节（Byte）。
返回值：0：表示操作成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示此编号的板卡未打开过；
-3：addr超限；
-4：写操作失败。
注意：超限指addr+nSizeOfBuf-1>0x0FFFFFFF。
2.2.7 FIB2125_ReadBuf
函数原型：int FIB2125_ReadBuf(int nIndex, DWORD addr, BYTE *pBuf, intnSizeOfBuf);
函数功能：从光纤反射内存中读出一组数据，并写入用户的数据缓冲区。
参数说明：nIndex：板卡编号；
addr：读取数据时板卡的起始内存地址，可以不是4的倍数，范围0~0x0FFFFFFF；
pBuf：用户数据缓冲区，此缓冲区的大小必须大于等于nSizeOfBuf（字节），否则会引起缓冲区溢出；
nSizeOfBuf：从光纤反射内存中读出的数据长度，单位为字节（Byte）。
返回值：0：表示操作成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示此编号的板卡未打开过；
-3：addr超限；
-4：读操作失败。
注意：超限指addr+nSizeOfBuf-1>0x0FFFFFFF。
2.2.8 FIB2125_WriteDouble
函数原型：int FIB2125_WriteDouble(int nIndex, DWORD addr, double *pBuf, int nCount);
函数功能：将一组双精度浮点数据写入到光纤反射内存中。
参数说明：nIndex：板卡编号；
addr：数据写入板卡的起始内存地址，可以不是4的倍数，范围0~0x0FFFFFF8；
pBuf：需写入板卡内存的数据缓冲区，此缓冲区的大小必须大于等于nCount*8（字节），否则会引起缓冲区溢出；
nCount：写入内存的double数据的个数。
返回值：0：表示操作成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示此编号的板卡未打开过；
-3：addr参数超限；
-4：写操作失败。
注意：超限指addr+8*(nCount-1)>0x0FFFFFF8，即最后一个数据的地址大于0x0FFFFFF8。
2.2.9 FIB2125_ReadDouble
函数原型：int FIB2125_ReadDouble(int nIndex, DWORD addr, double *pBuf,int nCount);
函数功能：从光纤反射内存中读出一组双精度浮点数。
参数说明：nIndex：板卡编号；
addr：读取数据时板卡的起始内存地址，可以不是4的倍数，范围0~0x0FFFFFF8；
pBuf：存放读取数据的缓冲区，此缓冲区的大小必须大于等于nCount*8（字节），否则会引起缓冲区溢出；
nCount：从内存中读取的double数据的个数。
返回值：0：表示操作成功；
-1：表示不支持的卡号，卡号范围为0～9；
-2：表示此编号的板卡未打开过；
-3：addr参数超限；
-4：读操作失败。
注意：超限指addr+8*(nCount-1)>0x0FFFFFF8，即最后一个数据的地址大于0x0FFFFFF8。
2.3驱动程序函数调用步骤
2.3.1打开板卡
调用函数FIB2125_Open来找板卡，并分配板卡资源，对于一个应用程序来说，只需调用此函数一次即可。
代码示例：打开第一块光纤板卡
if (FIB2125_Open(0) != 0)
{
…板卡打开失败
}
else
{
…打开第一块板卡成功
}
2.3.2读写板卡上的数据
当应用程序已经打开指定的板卡后，就可以读写光纤内存中的数据。
代码示例：读写光纤内存中DWORD类型的数据。
DWORD dwData[2];
DWORD dwData1[2];
dwData[0] = 0x01;
dwData[1] = 0x02;
// 将0x01和0x02两个DWORD数据顺序写入到起始地址为0的光纤反射内存。
FIB2125_Write32(0,0 ,dwData,2);
// 从首地址为0的光纤反射内存中，顺序读出2个DWORD类型的数据，并放入到dwData1[0]和dwData1[1]当中
FIB2125_Read32(0,0,dwData1,2);
2.3.3关闭板卡
应用程序退出时，调用函数FIB2125_Close关闭板卡。
代码示例：关闭第一块光纤板卡
if (FIB2125_Close (0) != 0)
{
…板卡关闭失败
}
else
{
…关闭第一块板卡成功
}
2.4数据共享协议实时仿真系统测试与分析
2.4.1 测试环境
通过光纤MMF将各个系统的反射内存卡HY-FB2125G-PCI连接在HY-FHX8光纤HUB，交换机与系统之间最远距离是100m，最近距离是2m，启动30个节点，各节点设置为自身试验饱满状态，各个系统命令传输次数为1次/秒，其它参数配置如表9所示。
表9各节点参数配置表
3.2 测试结果及分析
首先，启动30个节点系统，自动连接光纤功能共享内存网，管理软件向各个系统按照周期为1s的速度发送命令字段调度控制各节点系统的状态，并获取各节点系统运行状态，待所有系统状态连接正常并且处于空闲状态后。整个硬件系统就处于待机状态等待数字系统发送实验任务。接下来，等待数字系统下达实验任务，并将任务配置信息、设备启动信息、设备运行状态、仿真模型信息以及仿真模型类别进行相应的配置，并且将试验配置和光纤通道地址进行预先设置实时更新在内存管理区中，同时更新仿真系统的时钟信息和仿真实验的心跳数，已保证软件和硬件保证半数物仿真系统与数字仿真系统的系统时钟状态一致。整个仿真实验能够同步进行。接着，管理软件等待所有参与系统的配置确认完成后，下发同步启动命令，全量化实时仿真设备接收到命令后调用采集系统完成相关硬件初始化配置以及硬件采集数据采集，其中数据采集任务需要等该接收到硬件同步触发信号后开始采集，仿真系统时刻获取采集系统数据经过一定算法计算出接入系统的传感器、模拟器等感知系统的实时采集数据，对硬件设备进行自检，自检无误后，实时采集各项数据接入实时仿真机，并通过光纤反射内存网写入到内存区域中。最后，管理系统周期性发送仿真运行状态和关键仿真数数据，将数据更新到放射内存中，供子节点设备调用读取，在仿真系统运行过程中实时检测个子节点系统运行状态、网络通信状态、传数据传输状态、接入系统配套设备运行状态确定是否系统出现异常或者试验系统出现异常，根据异常情况采取终止试验等措施。反射内存多系统实时数据传输协议主要考察多系统不同输出速率和传输数据大小的实时性和异常诊断性。经过反复多次试验，本协议能够满足多个半实物仿真系统试验要求，具体数据如表10所示。异常诊断根据实际要求，表10中是按照数据传输次数3次未发生变化时得出的异常诊断时延。
表10反射内存多系统数据传输协议性能表
本发明一种基于反射内存网的高速数据共享方法，介绍了针对半实物仿真系统，不同缓急系统、不同传输实时性的30个系统节点的数据共享协议结构， 协议具有通用性、实时性和异常诊断性。该协议已在某半实物仿真试验系统中得以应用，试验结果表明本数据传输协议能够实时解决大规模实时仿真系统仿真试验中30个系统数据传输问题，同时能够快速发现各系统异常情况，避免了反射内存网中断的限制和CPU占用率高的问题，提高了半实物系统仿真系统模型仿真的真实性和逼真度，为进一步研究数字孪生万物互联智能生态系统提供完整一套通用的技术方案。
关键点为本发明一种基于反射内存网的高速数据共享通信协议，为大规模实时仿真系统提供一套统一的协议标准，并在协议内引入故障诊断的功能，可以进一步提高半实物仿真系统的安全性。
该协议具有接入不同缓急系统、不同传输实时性的大规模实时仿真系统节点的数据共享协议结构，协议具有通用性、实时性和异常诊断性。
该协议同时能够快速发现各系统异常情况，避免了反射内存网中断的限制和CPU占用率高的问题，提高了半实物系统仿真系统模型仿真的真实性和逼真度。
针对本发明一种基于反射内存网的高速数据共享通信协议，是一种专用于半实物实时仿真系统的高速数据共享方法，不同于以太网形式的光纤网络通信方式，是一套区别于传统光纤以太网软硬件通信方法，具有传输速率快、实时性好、数据吞吐量大等特点，专用于各种高速数据共享场景下的数据可靠性传输技术。
这种高速数据共享通信协议，除了可以应用于半实物实时仿真系统，同样应用于工作站多屏幕4k高清视频流转接场景的实时视频流共享，由于通道传输数据量大的特点，可以实时转接4k甚至8k高清视频大屏推送。
数据共享通信协议，硬件反射内存板卡，一般是采用FPGA 、DRAM、PCI桥、光纤收发模块、串行解串器、以及电源模块组成，最终数据以PCI总线接口与外部设备进行数据交互。数据硬件存储芯片以及数据传输芯片选型存在很多可替代产品，例如DRAM可以采用SerialEEPROM存储芯片替代，相应的PCI总线芯片通过专用的PCI接口控制芯片实现。进一步提高硬件设计的难度。
反射内存网的高速数据共享通信协议替代协议FRM协议，设计FRM协议时参照了FDDI(Fiber Distributed Data Interface)标准协议。FDDI协议是一种光纤网络标准协议，采用反向旋转的双环拓扑结构，传输介质是光纤。FDDI 标准协议参照ISO/OSI模型进行设计，自底向上分别分为物理层，数据链路层和站管理层，虽然具有完善底层协议接口，但需要多层解析子层对应的相关数据字段，在一定程度上降低了数据传输效率。
功能及技术指标
多功能通讯板卡的功能及技术指标要求如下：
（1）能够组建环形反射内存网络，且数据能够通过1553B、RS422接口，实时地传输到各网络节点。
节点数为256时，网络延迟小于500us；
内存容量256MB；
网络节点个数可达256个；
支持多模光纤；
提供33Mhz/32bit CPCI接口；
操作系统支持；Win7，XP；
（2）RS422通讯部分性能指标：
支持4路独立收发；
支持波特率可调，最高波特率为691.2kbps；
支持字长、停止位、奇/偶校验可调；
每个通道具有256B的FIFO缓存；
（3）1553B通讯部分性能指标：
支持双冗余的标准通道；
支持最大通讯速率为1Mbps；
能够实现1553B协议的BC/RT。
由插在计算机内的HY-FB2125G光纤反射内存接口板通过单股光纤导线连接在一起，可以形成一个光纤环网，如图6所示。
也可以通过HY-FHX8光纤HUB及光纤导线将HY-FB2125G光纤反射内存接口板连接在一起，形成一个光纤环网，如图7所示。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于反射内存网的通信系统，其特征在于，包括光纤网络接口卡，光纤网络接口卡包括光收发模块、串行解串器、FPGA、存储器、PCI桥、PCI总线，光收发模块、串行解串器、FPGA、存储器依次通信连接，FPGA、PCI桥、PCI总线依次通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射内存网的通信系统，其特征在于，还包括分布式数据总线、数据共享协议编程接口、数字模型、产品、信号源，光纤网络接口卡、数据共享协议编程接口、数字模型依次通信连接，光纤网络接口卡、数据共享协议编程接口、产品、信号源依次通信连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于反射内存网的通信系统，其特征在于，数字模型为以下的一种或多种：传感器数字模型、仿真实体数字模型、执行机构数字模型、环境模拟系统数字模型、全量仿真数字模型；产品为以下的一种或多种：传感器实物产品、仿真实体半实物产品、环境模拟系统实物产品、全量仿真实物产品，信号源为模拟信号源或数字信号源。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射内存网的通信系统，其特征在于，还包括分别与光纤网络接口卡通信连接的管理节点、仿真节点。
5.根据权利要求4所述的一种基于反射内存网的通信系统，其特征在于，管理节点协议结构包括指令字段、任务配置字段、状态配置字段、启动配置字段、结束设置字段、时钟设置字段、任务类型字段、设备信息配置字段。
6.根据权利要求5所述的一种基于反射内存网的通信系统，其特征在于，指令字段协议结构包括信息头字段、信息体字段、传输次数字段、校验位字段、信息尾字段。
7.根据权利要求6所述的一种基于反射内存网的通信系统，其特征在于，仿真节点存储有仿真数据，仿真数据包括发送数据、接收数据。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于反射内存网的通信系统，其特征在于，存储器为DRAM、SDRAM或EEPROM。
9.一种基于反射内存网的通信方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的一种基于反射内存网的通信系统。
10.根据权利要求9所述的一种基于反射内存网的通信方法，其特征在于，FPGA控制PCI桥与PCI总线进行数据交互，光纤网上的串行光信号通过光收发模块转换为串行的电信号，串行电信号通过串行解串器后，将串行数据转换为并行数据；FPGA从串行/解串器接收到并行数据，对数据进行解析，检测出数据帧，根据数据帧信息，把需要转发的数据帧及时转发到串行解串器来进行并串转换，同时FPGA把接收到的数据写入存储器，按照计算机指令把数据从存储器中读出。
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