恶劣环境下互联网通信接口自适应转换系统设计

常青

摘 要： 针对采用当前转换系统时一直存在通信接口转换效率低的问题，提出一种互联网通信接口转换系统设计方法。首先对恶劣环境下互联网通信接口自适应转换系统硬件平台进行设计，中央处理器与可编程逻辑门阵列间的接口部分主要负责控制通信转换，网络控制芯片与可编程逻辑门阵列间的接口部分负责以太网数据与网络通信总线数据转换，异步收发传输器接口部分负责通信数据转换。构建具有通信读写控制信号功能的分布式区域异步的存储器。软件平台设计从通信线速上对网络通信转换进行分析，给出互联网通信接口自适应转换系统应满足的约束条件，在该约束条件下以间断方式进行数据转换，完成对恶劣环境下互联网通信接口自适应转换系统设计。实验结果表明，该方法有效地提高恶劣环境下互联网网络的通信性能，降低网络通信能耗。

关键词： 数据转换； 互联网通信接口； 控制芯片； 分布式； 自适应转换； 中央处理器

中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）01?0028?04

Abstract： Since the low conversion efficiency of communication interface exists in the current conversion system， a design method of the Internet communication interface conversion system is put forward. The hardware platform of the Internet communication interface adaptive conversion system for sever environment is designed. In the design of the hardware platform， the interface between the programmable logic gate array and central processing unit is mainly responsible for the control of communication conversion， the interface between the network control chip and programmable logic gate array is responsible for the conversion between the Ethernet data and network communication bus data， and the interface of asynchronous transceiving transmitter is responsible for the communication data conversion. The distributed area asynchronous memory with functions of communication and control signal read?write is constructed. In the software platform design， the network communication conversion is analyzed in the aspect of communication speed， and the constraint condition which should be satisfied in the use of the Internet communication interface adaptive conversion system is given. Under this constraint condition， the data is converted in the interval mode to accomplish the adaptive conversion system design of the Internet communication interface for severe environment. The experimental results show that the method can effectively improve the network communication performance of the Internet in severe environment and reduce the energy consumption of the network communication.

Keywords： data conversion； Internet communication interface； control chip； distribution； adaptive conversion； central processing unit

0 引 言

随着计算机网络技术的发展，计算机网络系统对互联网通信接口自适应转换的需求也变得越来越高[1]。而并行的通信总线由于自身固有的串音干扰以及通信信号的偏移等问题，不能通过提高时钟频率或增加通信数据总线的数目来提高通信转换速度[2]。因此，需求一种新型的高速互联网通信接口自适应转换总线，来降低网络通信能耗，同时提高通信接口自适应转换的有效性[3]。互联网通信技术的发展给传统通信技术带来了新的革命[4]。利用互联网通信总线技术的优点，将计算机软硬件应用到通信接口自适应转换系统中，从而提高整个通信接口自适应转换的效率，具有良好的发展前景[5]。另外，未来无论是在通信接口自适应转换系统的构建，还是在互联网通信设计中，通信接口的自适应转换设计包含多种通信接口转换模块，实现常用的通信接口解决方案，解决通信接口间的自适应转换问题已经成为互联网通信领域的重要研究课题[6]。endprint

文献[7]提出基于单片机的互联网通信转换模块的设计方法。该方法首先设计了一个简单实用的通信转换模块。结合通信转换接口的优点，建立在通信接口总线的通信协议上，扩展了通信接口总线在工业中的应用，便于将工业控制现场的通信总线网络与通信接口相连，利用转换接口强大的处理能力，扩展了通信总线在互联网中的监控和管理功能。但该方法存在实用性较低的问题。文献[8]提出一种嵌入式的通信接口转换模块设计方法，将多个通信设备与系统网络通信接口进行连接；在软件的设计上，依据通信系统的要求，使用实时任务的转换方式保证通信接口信息转换的可靠性，但该方法的可行性较低。文献[9]提出一种通信接口转换模块的设计方法，该方法为克服通信总线易受到干扰的弱点，对通信接口进行隔离操作，但存在通信接口转换效率低的问题。

针对上述问题，设计一种新的互联网通信接口自适应转换系统。实验结果表明，该系统有效地提高了互联网网络通信性能，降低了网络通信能耗。

1 互联网通信接口自适应转换设计

在互联网通信接口自适应转换设计的过程中，在恶劣环境下提出一种互联网通信接口转换系统设计的方法。该方法首先对恶劣环境下互联网通信接口自适应转换系统的硬件进行设计，硬件平台中央处理器与可编程逻辑门阵列间的接口部分主要负责控制通信转换，网络控制芯片与可编程逻辑门阵列间的接口部分主要负责以太网数据与网络通信总线数据间的转换，异步收发传输器接口部分主要负责通信数据的转换。在可编程逻辑门阵列内部构建一个分布式区域异步的存储器，该存储器具有通信读写控制信号的功能。软件平台设计从通信线速上对网络通信转换进行分析，给出互联网通信接口自适应转换系统使用应满足的约束条件，在该约束条件下以间断方式进行数据转换，以完成对恶劣环境下互联网通信接口自适应转换系统设计。

1.1 通信接口自适应转换硬件平台设计

通信系统采用因特尔公司的7400作为中央处理器，该芯片是用于通信领域的14位定点处理器，处理的速度达到160 MHz，主要特点是采用哈佛通信总线结构，具有快速的中断响应与处理能力，16位的通信数据总线，三个外部芯片用于选择信号。网络通信接口控制接口芯片对收到的网络通信数据进行处理，将以太网传输的通信数据转换为自适应通信数据，与处理器进行交互。采用赛灵思公司的连接性系列的芯片作为外部微处理器，该芯片可配置逻辑模块的内部资源。可获取的显示查找表为7160，可使用的通信逻辑区为3580。以太网接口芯片的控制和异步收发通过传输器来实现，采用DS90LV019进行网段数量信号和差分信号的转换，数字信号处理器与可编程逻辑门阵列间采用通信总线的方式进行数据操作。通信接口自适应转换框图见图1。

互联网通信接口的自适应转换系统硬件设计分为三部分：中央处理器与可编程逻辑门阵列间的接口部分主要负责通信转换控制；网络控制芯片与可编程逻辑门阵列之间的接口部分主要负责以太网数据与网络通信总线数据间的转换；异步收发传输器接口部分主要负责通信数据的转换。

中央处理器与可编程逻辑门阵列作为通信接口外部处理器相连接，连接内容包括：通信接口地址总线、通信接口数据总线、通信接口片选信号、通信接口读使能、通信接口写使能、通信接口外部保持請求、通信接口外部保持应答、通信接口外部准备后信号、通信接口中断控制信号。接口连接处理器原理框图如图2所示。

中央处理器与可编程逻辑门阵列处理器间采用通信总线接口进行通信数据的交互，可编程逻辑门阵列作为一个外部的扩展区，中央处理器需要通过读写和片选控制信号。实现方法为：首先在可编程逻辑门阵列内部构建一个分布式区域异步的存储器，该存储器的通信数据宽度为16位，深度为1 024，具有通信读写控制信号，读时钟与写时钟。读时钟由处理器的读信号赋值，写时钟由通用信号处理器的写信号赋值，读写控制的信号由外部通用信号处理器扩展输入赋值，当需要写外部存储器时，输入设置为低，当通用信号处理器需要读外部存储器时，输入设置为高。网络通信接口控制器选择的芯片是台湾ASIX公司推出的Non?PCI通信接口的以太网络控制芯片。根据芯片的需要配置控制信号，网络通信接口芯片控制原理图如图3所示。

异步收发传输器接口芯片采用DS90LV019芯片，该芯片的电压为3.3 V，在该芯片下的网络通信接口部件是RS 422/RS 485接口与网段数量电平转换模块，电路的原理图如图4所示。

1.2 互联网通信接口自适应转换方法

结合上述的通信接口自适应转换系统硬件平台设计对互联网通信接口带来的通信方式与通信时间的约束，考虑一种具有代表性的情况，假设各互联网通信接口的线速为[VA，VB1，VB2，…，VBn，]互联网通信接口[A]硬件的接收以及发送到互联网通信接口[Bj]的软件发送以及接收缓冲区的大小是[SAhr，SAht，SABjr，SABjt，]互联网通信接口[Bj]硬件的接收以及发送缓冲区的大小是[SBjhr，SBjht，]互联网通信接口传输时间分别是[TA，TBj，]其中，[j]为小于[N]的整数。若使互联网通信接口自适应转换，忽略中断的响应时间与数据迁移需要的时间，必须满足：

[VATA

在进行互联网通信接口自适应转换系统设计时，将通信接口数据从通信接口[A]流向通信接口[Bj，]可描述为：

[VATA>SAht+j=1nSABjt+SBjhr+VBjTBj] （2）

由式（1）、式（2）可知，互联网通信接口缓冲区越大，通信接口模块能承受的高速通信时间就越长。因互联网通信接口的线速与缓冲区的大小都是稳定的，所以式（1）实际是对互联网通信接口的通信时间与通信方式的约束。假设[VA>j=1nVBj，]互联网通信接口[A]连续向通信接口[Bj]发送通信数据，而互联网通信接口[Bj]则不停地将接收到的通信数据转发走，经过一定时间，通信数据就会溢出，可表示为：

[SAhr=j=1nSABjr+SBjhtVA-j=1nVBj] （3）

因此，互联网通信接口只能以间断的方式进行通信数据的传输（满足大部分的情况），[Sbuffer]表示通信接口参数，且其通信接口占比为[η]（停歇的时间与通信接口传输周期之比），要满足式（1），从而得出：

[η=trtr+twVAtw

式中：[VA]表示数据链接；[VB]表示数据转换。求解上述方程，得出[tw]与[η]需满足的要求：

[twVA-VB-Sbuffertw] （5）

式（5）与理解一致，说明通信接口缓冲区越大，或通信接口的线速相差越小，通信接口的连续通信数据发送的时间才会越长，通信接口占比才能越小，通信接口的利用率与通信接口的转换性能才会越高。满足式（5）的通信接口模块可进行间断式通信接口转换而不会发生通信数据溢出。

2 实验结果与分析

为了验证本文在恶劣环境下提出的互联网通信接口自适应转换的有效性，在互联网的实验环境下，采用Visutal 2008中提供的Pocket PC作为网络终端模拟器，浏览大量不同的通信接口转换，并访问转换速度快的通信接口，实验周期为15 min，实验从站4个，采用互联网系统自动记录，利用最佳的通信接口频率方法可以将通信接口数据传输的效率提高10%左右，不同信道数量下的数据转换效率如图5所示。

验证通信接口自适应转换波特率提高数据转换效率的方法。使用上述相同的设备进行实验。时间为30天，实验周期为15 min，实验从站为4个，实验通信接口自适应转换数据如表1，表2所示。

根据表1和表2统计的通信数据能看出，利用本文所提的通信接口自适应转换系统设计方法，能使数据转换效率提高10%左右，主要是因为在利用本文所提方法进行通信接口自适应转换时，从通信线速上对网络通信转换进行分析，并给出互联网通信接口自适应转换系统使用应满足的约束条件，在该约束条件下以间断方式进行数据转换，从而提升了通信接口自适应转换系统设计的效率。

3 结 论

针对当前转换系统是通过软件与硬件相结合，存在通信接口转换效率低的问题，为此，在恶劣环境下，提出一种互联网通信接口转换系统设计方法，该方法有效地提高恶劣环境下互联网网络的通信性能，降低网络通信能耗，具有广泛的应用前景。

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