计算机控制节点设备原理,节点控制模块

模块(module)系指由复数个具基础功能之组件，组件组成之具特定功能之组件，该组件用以组成具完整功能之系统、设备或程序。节点就是指能上网的设备。节点控制模块(node control module)主要完成总线通信以及对控制模块发出指令的功能。模块的设计采取多种电路集成于一体的设计方案，一个节点控制模块可以控制多种对象。

中文名

节点控制模块

外文名

node control module

涉及学科

信息科学等功    能

总线通信及对控制模块发出指令

缩    写

NCM

设    计

多种电路集成于一体

节点控制模块简介

编辑

语音

模块(module)系指由复数个具基础功能之组件，组件组成之具特定功能之组件，该组件用以组成具完整功能之系统、设备或程序。节点就是指能上网的设备。

节点控制模块(node control module)主要完成总线通信以及对控制模块发出指令的功能。模块的设计采取多种电路集成于一体的设计方案，一个节点控制模块可以控制多种对象。

节点控制器一般是用来连接中心控制器的，然后每个节点控制器又可以通过手拉手的方式连接别的节点控制器，您停车场车位有多少，就可以量身定做多少套节点控制器，而且每个节点控制器还有4个接口，用来连接比如视频车位引导屏，反向寻车终端，以及连接视频引导探测器等设备，可以说功能非常强大。

功能特点：

●采用RS485通讯口，可以与多种设备通讯，适用于多设备停车场网络。

●用于对探测器进行分组管理，实现网络通讯的优化管理，保障系统安全；

●循环检测所辖探测器的状态，并将有关信息传到中央控制器。

●实时显示节点、探测器、引导屏的信息。

●显示内容通过按键快速切换。

●通讯情况通过LED灯明确表示。

●使安装调试和维护更加方便，快捷，减少维护成本。

下面以节点控制模块在智能家居和光突发交换中的应用对节点控制模块进行具体介绍。

节点控制模块智能家居系统的节点控制模块

编辑

语音

所有智能家居系统的节点控制模块通过RS485家庭控制总线， 并遵循统一的家庭控制网络通讯协议，与系统信息控制中心相连，实现系统数据通讯。 在一条总线上可以挂接256个模块，从而实现家庭自动化控制的各种功能，模块类型包括：

节点控制模块无线收发基站模块

主要为了配合无线遥控器模块使用，是系统的必配件，作为无线收发基站，它将遥控器传送来信息通过家庭控制网络传给系统信息控制中心，再将系统信息控制中心的指令和短消息信息通过无线射频信号传给无线遥控器，是无线信息转化成有线家庭控制网络信息的地方；

节点控制模块继电器开关控制模块

低功率回路控制，采用高性能固态继电器进行控制。在接到智能家居控制器的指令后，对家庭中的低功率电器，主要是灯光(还包括各种音响系统、电视机、电动窗帘)进行开关控制，控制功率为每回路100瓦；

大功率电器控制模块：也是采用固态继电器进行控制，但是其功率较大，且只有单路，在接到智能家居控制器的指令后，可对家中的大功率电器(如空调、热水器)进行开关控制，控制功率为单回路最大2,500瓦；

节点控制模块可控硅调光控制模块

采用可控硅进行低功率回路控制。在接到智能家居控制器的指令后，其功能主要是对家庭中的灯光进行调光控制，控制功率为每回路100瓦，调光范围分为5档枣0、25%、50%、75%、100%；

节点控制模块信息开关模块

信息开关彻底改变了原有的开关概念，用开关信息点来完成原有开关的功能，使得原有开关功能固定单一的不足，可通过设置相关控制参数，对任一控制点进行控制，从而实现群控功能。

除此之外，未来的监控节点模块还可以包括家庭环境检测模块、住户健康检测模块等。

节点控制模块OBS核心节点的功能与控制需求

编辑

语音

OBS网络核心节点的主要功能是光突发包的转发和处理。根据光突发交换的原理，核心节点接收BCP，并根据BCP所携带的控制信息和当前网络状况进行路由查找和信道资源调度。如果成功找到可用信道后，对光交换矩阵进行控制，为对应的BDP设置和预留光通道。当BDP到来时，就可直接通过已预留好的通道，在全光域里实现交换。

其总体结构如图1所示，可分为三个部分：网络管理模块、核心控制模块、光交换矩阵。

图1 总体结构

网络管理模块负责网络管理信息的处理，实现功能包括网络的拓扑消息更新、故障消息处理及整个网络运行情况的监测，这是网络正常、高效、稳健运行的基础和关键。同时，对核心节点进行一定的管理和配置。

核心控制模块用于处理已经过光电转化的控制信道消息。先解读控制信道的消息识别其类型，然后根据消息类型做相应的处理。若为突发控制包，则根据突发控制包的具体内容和当前系统资源状态进行资源调度，产生设置光交换矩阵所需的控制信号，并将突发控制包转发至下一节点。若为普通网管数据包，负责将其交给网络管理模块。另外，信道资源的更新与维护也是由核心控制模块完成的。核心控制模块是核心节点的关键部分，是本文研究的重点。其具体实现的功能如下:

(1)控制信道消息收发处理功能。在接收控制信道消息前，需要进行光电转换，同样，在发送时，也要进行电光转换。核心节点对转换成电信号后的控制信道消息要能正确接收，同时也需要将其转发给下一个节点。

(2)控制信道组帧和解帧功能。在我们的实验系统中，控制信道采用以太网链路传输，因此核心节点必须具有链路层功能，能对帧进行正确的定位、提取、识别、分类及错误处理。

(3)控制信道控制分组网络层处理功能。OBS突发控制包是封装在IP包中。核心节点要有网络层处理功能，对IP包进行检查、处理，以及识别BCP报文类型转发至上层，并且在发送时进行IP包封装等。

(4)控制信道突发控制包分析和处理功能。核心节点要在OBS层接收、读取突发控制信息，并且检查和区分不同类型的控制报文，按照OBS网络协议进行相应处理。

(5)数据信道的资源预留、调度以及资源库管理与维护功能。这是核心节点的核心功能。要根据突发控制包的信息，对数据信道的波长资源进行调度，及时地为突发数据包建立和释放全光链路。并且还要管理和维护数据信道的资源库。该资源库记录当前信道资源的使用状况，当使用状况有变化时，需要进行及时地修改。

(6)路由功能。由于OBS网络是面向IP业务的，必须通过IP路由找到下一输出节点，所以核心节点必须能根据路由信息查找路由表，实现数据的转发。

光交换矩阵根据核心控制模块的调度结果设置光开关，为后续的BDP包提供全光通路，并将它们交换到正确的目的端口，核心节点必须提供突发数据包光域里交换功能，使接收到的突发数据包能交换到任意端口的任意或同一波长上。

所设计的核心节点必须要能满足以上的功能需求，并尽可能的提高处理速度和数据吞吐量，达到更加优良的性能。

节点控制模块核心控制模块的总体结构设计

编辑

语音

核心控制模块的总体功能结构。其中，接收子模块负责将在控制信道上收到的数据还原为MAC帧;解帧子模块负责解释MAC帧，并提取出携带的信息;交叉矩阵子模块根据路由情况，将数据交换到相应的端口;调度子模块为核心处理的关键部分，主要负责资源的预留和调度及资源库的维护管理;组帧子模块将数据重新恢复成MAC帧;发送子模块将数据重新送回控制信道。

具体来说，当数据从边缘节点通过控制信道到达核心节点后，核心控制模块中的接收子模块先将其恢复成一个MAC帧，然后进入解帧子模块，解帧将其去MAC头后传给交叉矩阵，交叉矩阵根据IP包的路由信息将数据包交换到目的端口对应的调度子模块，由调度子模块判断offset time和波长资源的情况并对数据包进行合适的调度处理，调度子模块完成后，将数据传给组帧子模块，组帧子模块将数据包还原为MAC帧后发给发送子模块，最后由发送子模块发送到控制信道上。

核心控制模块

节点控制模块核心控制模块的硬件设计

编辑

语音

节点控制模块FPGA硬件设计流程

基于FPGA的硬件设计(这里的硬件是指用数字电路实现，即数字设计)一般要依托EDA工具来实现。

EDA (Electronic Design Automation)即电子设计自动化技术，是指以计算机为基本工作平台，把应用电子技术、计算机技术、智能化技术融合在一个电子CAD通用软件包中，辅助进行三方面的电子设计工作，即集成电路设计、电子电路设计以及PCB设计。EDA技术的基本特征是采用具有系统仿真和综合能力的高级语言描述，一般采用自顶向下的模块化设计方法。如图2所示为基于EDA工具的FPGA数字设计流程。

图2 基于EDA工具的FPGA数字设计流程

节点控制模块有限状态机的设计方法

在使用Verilog HDL进行电路输入时，为了保证所编写的代码是可以综合成数字电路的，以及综合前和综合后仿真的一致性，必须按照一定的原则编写代码。当时序逻辑比较复杂时，一般将其抽象成一个同步的有限状态机(FSM: FiniteState Machine，以实现可综合风格的Verilog HDL设计)

可综合的有限状态机有很多种描述方法，常见的有一段式(One-always Block)和两段式(Two-always Block)描述法。一段式FSM描述法只用一个always模块实现整个状态机，在该模块中即描述状态转移，又描述状态的输入和输出;两段式FSM描述法使用两个always模块，其中一个always模块采用同步时序描述状态转移，另一个模块采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律。一般而言，推荐两段式FSM描述方法，除了可以提高设计的稳定性，消除毛刺，还便于阅读、理解、维护，更重要的是利于综合器优化代码和用户添加合适的时序约束条件，以及布局布线器实现设计。

对状态机的状态进行编码也是实现状态机的一个关键，一般来说在FPGA上实现的状态机常采用独热码(One-hot)，每一个状态用一个寄存器标识，虽然这样使用较多的寄存器，但节省了组合电路，因而可以提高电路的速度和可靠性，而总单元数并无显著增加。独热码又可分为冗余独热码(Verbose One-hotEncoding)和简明独热码(Simplified One-hot Encoding)冗余独热码在状态比较时需要比较所有的状态寄存器，而简明独热码采用十进制数来标识各个状态，这种方法可以比较一位而不是比较所有的状态寄存器来判断所处的状态。

节点控制模块核心控制模块的组成

核心控制模块的组成框图如图3所示，可分为时钟模块、系统计时器、接收模块、帧解析模块、交叉矩阵、调度模块、帧生成模块和发送模块。本文假设一个核心节点对应三个边缘节点，因此有3路信道用来传送突发控制包，每一路都有独立的接收模块、帧解析模块、调度模块、帧生成模块和发送模块，并通过交叉矩阵到达路由所指的节点。

图3 核心控制模块的组成框图

各模块的主要功能如下:[1]时钟模块，为系统的其他模块提供时钟信号;

系统计时器，以一定的时钟节拍(本文取1 OOM)计时，提供全局相对时间;

路由表，提供IP目的地址与目的端口号的对应关系;

接收模块，接收控制信道上的数据包，恢复成MAC帧后写入到FIFO中;

帧解析模块，从FIFO中读取MAC包，去MAC头，对MAC头、IP头进行处理，查找路由，再发送到下一级FIFO中;

交叉矩阵根据目的端口，将输入端口的FIFO中的数据包交换到输出端口的FIFO中;

调度模块:如果是OBS包，根据BCP进行调度、分配信道及时间片且转入下级FIFO，并根据调度结果向光交换矩阵提供控制信号，如果不是，直接转入到下级FIFO ;

帧生成模块:添加MAC头，如果是OBS包，修改偏置时间;

发送模块:将数据包发送到控制信道上。

参考资料

1.

硕士姓名:姜荷．光突发交换核心节点控制模块的硬件设计与实现：上海交通大学电子信息与电气工程学院，2008.1