[发明专利]一种基于TCP/IP的嵌入式高速实时数据并发系统

说明书

技术领域

本发明涉及信息采集与传输领域，具体是一种基于TCP/IP的嵌入式高速实时数据并发系统。

背景技术

随着越来越多的远程操控系统的出现，数据转发系统得到了广泛需求和应用。数据转发系统在整个操控系统中处于连接纽带的作用，负责把各传感器、执行机构各单元和远程控制客户端连接起来。在实际应用场景中，实时性要求较高的例如弹道控制系统、航空航天设备、医疗系统等，也包括实时性要求稍低的例如环境监测系统、海洋水位监测系统等。对于传统的实时操控要求偏低的转发系统而言，是需要增强系统的稳定性和可靠性，使对自然环境抵抗力更强，尽量减少人的维护工作。对于实时操控要求高的系统而言，不仅需要增强系统的稳定性和可靠性，同时还需要提高系统的实时响应能力，并且随着系统复杂度的提升，系统需要处理的数据量不断增加，无疑是对转发系统性能提出了更高的要求。

数据量增加体现在三个方面：单帧数据长度的增加、数据帧频的提高以及通道数量的增加。随着系统对精度要求的提高，数据帧频的提高是必然，因此必定出现不同频率、不同数据包长度的单元被采集和转发的情况。传统的转发系统一般采用DSP/FPGA先进行数据采集，然后直接发送到转发控制器中的缓存，这种处理方式的可靠性和有效性直接由转发控制器的硬件缓存决定，并且无法对数据采集出现故障时进行自动控制和处理。

除此之外，在近年来，由于系统集成度的提升，以前只需要一个客户端就可完成的操控如今需要多个客户端同时操控才能完成任务。传统的点对点通信模式，即同时只能有一个客户端连接的工作模式已经不能满足这一需求。多客户端条件下的实时数据传输的主要难点还是在转发系统上，在保证较高的实时性的前提下，实现多个客户端的同时操控，就需要转发完成数据包复制并发到多个客户端，同时接收多个客户端传出的命令并分发出去。因此，设计一种高速实时数据并发系统势在必行。

发明内容

本发明提出一种基于TCP/IP的嵌入式高速实时数据并发系统，其目的在于实现多数据源不同帧频数据的同步缓存，对数据采集出现故障时进行自动控制和处理，进一步优化系统实时性和解决当前转发系统的点对点模式无法实现多远程客户端同时操控的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如附图1所示，共有4个单元组成：FPGA数据采集模块、并发控制器模块、网络模块、远程客户端模块。

各单元连接关系：FPGA数据采集模块采集外部各通道数据，然后以指定频率的中断触发并发控制器模块进行数据读取，并发控制器完成对数据的采集处理后通过TCP/IP通信协议把数据并行分发到已经连接到并发控制器上的远程客户端模块；同时，并发控制器接收到远程客户端返回的命令时，则立刻读取处理，并把处理结果写入FPGA数据采集模块，FPGA数据采集模块通过总线的形式把命令广播出去，以实现实时操控。

1.具体结构如下：

FPGA数据采集模块：该模块负责完成多通道数据的实时采集，由于各通道数据的帧频不一样，该模块把各通道的数据通过硬件都缓存为同一帧频，通过中断触发以通知并发控制器进行读取。

并发控制器模块：该模块是整个系统的核心，它协调、控制整个系统的逻辑时序、工作方式。并发控制器模块通过中断以指定的频率从FPGA数据采集模块获取数据，然后提取出各单元最新的数据包按照一定的格式封装成一帧数据，最后依次发送给已经连接上的各远程客户端。同时获取远程客户端发回的命令写入FPGA数据采集模块。

网络模块：采用光纤把本地和远程客户端的两个局域网进行连接，替换了传统的网线传输，传输距离更远，更可靠。

远程客户端模块：接收并发控制器发送出来的数据，然后对数据包进行解码和分单元显示，并可通过网络发回控制命令。

2.本发明与现有系统相比具有如下优点：

(1)同当前TCP/IP网络通信的处理方式相比，该发明方法处理更加简单，只需要几个特定线程分别完成指定的功能，降低了系统资源消耗，并且提高系统的实时性，更适用于工程化应用。

(2)相对传统的网站等多客户端应用模式，该发明更注重不同客户端间的实时性和同步性，两者可容忍阈值不在同一个量级，并且网站的工作模式不是指定频率的数据一直收发，网站服务器与远程客户端数据的发送和接收都是随机的，其通信模式也相差甚远。

(3)相对传统的点对点转发系统，该发明提出并实现了多客户端的同时操控功能，保证了实际系统需求，提高了系统可操控和可观测性能。