庞新法
（陕西省委党校科技教研部，陕西西安710061）
摘要：提出如何通过实现网络化仪器仪表间的通信来完成仪器间协同工作，从而最大程度地发挥网络化仪器测量系统的效率。为了实现网络化仪器间的通信，需将HiSLIP协议、虚拟仪器设计技术与网络化测控系统相结合，并利用HiSLIP协议的可靠连接以及高效数据传输特点，设计网络化仪器间的通信，从而给出协议客户端设计与实现。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：网络化仪器；HiSLIP协议；通信；网络化测控系统
中图分类号：TN911?34；TP312 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0122?03
0 引言
随着网络技术的广泛应用，仪器仪表已开始向计算机化、网络化、智能化方向发展，仪器网络化的发展趋势，使得其已经不再是孤立的、单独的设备，而是将测试技术、互联网技术、计算机技术结合在一起的网络仪器系统。但网络化仪器间难以进行协同工作，进而限制测量系统测量效率。为了实现网络化仪器间的通信，本文将HiSLIP 协议、虚拟仪器设计技术与网络化测控系统相结合，利用HiSLIP 协议的可靠连接以及高效数据传输特点，设计网络化仪器间的通信原理，并给出了协议客户端设计与实现。
仪器代理作为网络管理结构中的核心实体，存在于被管理的网络设备中，用来访问设备的运行状态，对设备参数进行配置，是被管设备与管理中心交互的中间接口。
HiSLIP协议客户端的功能主要划分为4部分：协议启动和前期准备；与服务器端建立连接；与服务器端的数据交互；容错处理.。客户端与服务器端的交互种类分为14类，通过这14类交互，完整实现协议所需要的功能，在进行交互说明时以“ <消息类型> <控制码><消息参数> <数据长度> <数据>”的格式来表示消息。
1 协议启动
在控制端应用程序启动时，协议的客户端即开始启动，在启动过程中，向操作系统申请Socket套接字资源[1?2]。并进行端口绑定，协议规范中建议使用4880 端口。对4880端口绑定完成后，即可向由VISA提供的仪器端的网络代理IP地址发起连接。
2 建立连接
HiSLIP协议连接的建立使用的是TCP机制，由客户端向服务器端发起2次TCP连接，分别是该协议的同步通道连接和异步通道连接。在建立好2 个TCP 连接之后，还需要检查服务器端仪器上加锁的情况，相互协商交互信息时的消息尺寸。为后续的数据和控制信息的交互提供服务。
2.1 建立连接使用到的消息类型序列
（1）由客户端发起第1个TCP连接；
（2）使用消息类型Initialize 进行同步通道连接初始化；在该消息中包含的数据有客户端协议版本；客户端厂商ID；子地址。消息格式为：<Initialize> <0> <up?per：client?protocol?version：lower ：client?vendorID> <sub?address>；
（3）发起第2个TCP连接；
（4）使用消息类型AsyncInitialize 进行异步通道连接初始化，在该消息中包含由应用软件推送的Sessio?nID（会话号）。格式为：<AsyncInitialize> <0> <Sessio?nID> <0>。
2.2 对远端仪器进行锁操作的消息类型序列
（1）首先通过AsyncLockInfo消息类型，来向远端服务器请求当前仪器资源上锁的情况，有服务器返回是否已经加锁、锁的类型以及锁的数目等消息。格式为：<AsyncLockInfo> <0> <0> <0>。
（2）在查询后确认可以对远端仪器加锁时，使用消息类型AsyncLock 来实现对远端仪器资源加锁和释放锁。在该消息中包含的数据有，请求加锁标志位和请求释放锁标志，等待加锁超时时间，锁信息描述等。加锁消息的格式为：<AsyncLock> <1=request> <timeout><LockString length> <LockString>；释放锁的消息格式为：<AsyncLock> <0 =release> <MessageID> <0>。
2.3 客户端和服务器协商发送消息的尺寸使用的消息序列
客户端通过AsyncMaximumMessageSize消息类型来告知服务器自己的能够接收的消息尺寸，该消息中包含由8 B 无符号整形数据表示的消息尺寸信息。消息格式为：<AsyncMaximumMessageSize> <0> <0> <8> <8?byte size>。
3 数据交互
数据交互是这个协议的核心部分，客户端在与服务器端建立连接后，使用Data 和DataEND 两种消息类型的消息发送数据。如果应用软件推送给客户端的数据，可以满足不超过最大消息长度的情况下，使用DataEND消息类型进行发送，如果超过了最大消息长度，则先使用Data 消息类型进行发送若干，在剩余的数据不超过最大消息尺寸时，使用DataEND发送剩余的数据[3]。所以，所有的消息都是以DataEND消息类型实现数据的完整发送。通信双方交互时使用的消息类型序列如下：客户端使用Data 消息类型的消息来发送数据；消息中包含的数据有交付标志信息RMT?delivered，该消息的消息编号MessageID，消息长度以及由应用软件推送的数据。格式为：<Data> <RMT?delivered> <MessageID><length> <data>。
客户端使用DataEND消息类型的消息来发送数据；消息中包含的其他信息与上一条中一致。格式为：<Da?taEND> <RMT?delivered> <MessageID> <length> <data> 。这部分代码如下：
void send_dataend（hislip_message *send_message，int mes?sage_id，int data_len）
{
strncpy（send_message?>prologue，"HS"，2）；
send_message?>type=DATA_END；
send_message?>parameter=message_id；
send_message?>control=0x00；
send_message?>data_len=htonll（i（long long int）data_len）；
}
void send_data （hislip_message *send_message，int mes?sage_id，int data_len）
{
strncpy（send_message?>prologue，"HS"，2）；
send_message?>type=DATA；
send_message?>parameter = message_id；
send_message?>control = 0x00；
send_message?>data_len=htonll（i（long long int）data_len）；
}
4 容错处理
容错处理是在连接未成功或者协议运行故障时的操作，以保证协议能够稳定实现相关功能。在协议的14类交互中，容错处理包含：致命错误及同步恢复交互（Fatal Error Detection and Synchronization Recovery）；错误告知交互（Error Notification Transaction）；中断交互（Interrupted Transaction）。
致命错误及同步恢复交互[4]，客户端和服务器端都会使用到，设置消息类型为FatalError，该消息包含的数据有错误码（ErrorCode）、数据长度和数据。消息格式为：<FatalError> <ErrorCode> <0> <length> <message>。如果该消息由客户端发送给服务器端，在客户端发送完毕并关闭连接后，客户端再次向服务器端发起HiSLIP连接。如果发送该消息由服务器端发送给客户端，则直接关闭。
错误告知交互[5]，客户端和服务器端双方都会使用到，使用的消息类型为Error，其他字段内容与“致命错误及同步恢复交互”中的一致，不同的是，双方不管哪一方收到这个消息，都不需要做出其他动作，消息格式为：<Error> <ErrorCode> <0> <length> <message>。
中断交互，仅服务器端使用，在服务器部分进行说明，本文不在详述。
5 辅助处理交互
除了上述的交互过程，协议本身也定义了一些辅助的交互过程，能够实现附属功能，这些交互有：远程/本地控制交互（Remote Local Transaction）；触发信息交互（Trigger Message）；服务请求交互（Service Request）；状态查询交互（Status Query Transaction）；设备清除交互（Device Clear Transaction）；厂商定义交互（Vendor De?fined Transactions）。
远程/本地控制交互[6]，为GPIB设备提供服务，客户端向服务器端发送数据时，使用到的消息类型为Asyn?cRemoteLocalControl，消息中包含的数据有控制码（request），消息ID。消息格式为：<AsyncRemoteLocal?Control> <request> <MessageID> <0>。
触发信息交互[7]，为了模拟GPIB设备组触发使用到的交互，客户端向服务器端发送消息时使用的消息类型为Trigger，消息中包含的数据主要有RTM交付标志，消息ID。消息格式为：<Trigger> <RMT?delivered> <Mes?sageID> <0>。
服务请求交互，是服务器使用交互，在服务器部分进行说明。
状态查询交互，是为了客户端查询服务器端的状态，返回的状态码（status），客户端发送给服务器进行状态查询时使用的消息类型为AsyncStatusQuery，消息中包含的数据有RTM 交付标志，消息ID。消息格式为：
<AsyncStatusQuery> <RMT?delivered> <MessageID> <0>。
设备清除交互，是为了清除通信的通道，由客户端向服务器端发起，客户端的消息序列如下：
客户端发送AsyncDeviceClear消息，消息中不包含其他数据，发送完消息后等待进程中的同步消息处理完成。消息格式为：<AsyncDeviceClear> <0> <0> <0>。
客户端发送DeviceClearComplete消息，消息中包含特征标志请求（featureRequest）。消息格式为：<Device?ClearComplete> <featureRequest> <0> <0>。
厂商定义交互，客户端和服务器端都可以发送这个消息，使用的消息类型为VendorDefined，消息中的数据都是任意数，消息格式为：<VendorDefined> <arbi?trary> <arbitrary > <length> <payload>。
6 程序设计实现
根据上述设计过程以及各种交互的含义，时序关系，进行程序设计，程序实现使用C语言实现，程序中的模块主要有，通道建立初始化模块，数据接受模块，数据发送模块等。下面通过协议客户端的主要函数，说明程序设计中的功能实现：
static int client_initialize（void）
实现初始化客户端，初始化完成后，向服务器端发起的HiSLIP连接。
static int client_handle_async_message_size（）
处理服务器端发送的协商双方发送的消息尺寸的请求消息。
static int client_recv_message_handle（）
接收从服务器端发送过来的数据，并进行初步处理，对接收的数据包按照消息类型进行识别，识别后调用相关功能函数予以处理。
static int client_handle_async_lock（）
处理服务器端发送的加锁和释放锁反馈。
void client_send_data（）和void client_send_dataend（）实现向服务器端发送数据操作。
7 结语
本文通过对协议客户端的详细设计，并在此基础上结合服务器端的设计及控制端和仪器网络代理的设计，实现了仪器间通信。在实验中通过示波器A 和示波器B间的通信测试，证明本文提出的方案能够实现仪器与控制端、仪器和仪器的通信。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
[1] 王建新，隋美丽.Labwindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2] 余成波，王士彬，李洪兵.网络化仪器技术与实现[M].北京：清华大学出版社，2010.
[3] 林玉池.测量控制与仪器仪表前沿技术及发展趋势[M].天津：天津大学出版社，2005.
[4] ROBBINS A. Linux programming by example [M].北京：中国电力出版社，2006.
[5] 宋宝华.Linux设备驱动开发详解[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[6] 陈莉君，康华.Linux操作系统原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2006
[7] 李宥谋，刘钊远，马博.嵌入式系统开发[M].北京：清华大学出版社，2011.
作者简介：庞新法（1962—），男，陕西礼泉人，副教授。研究方向为计算机教学与软件开发。
