基于NI PCI Express數(shù)字I/O卡的高速數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

王 婧，王 榮，周 雪，易 鳴（中國人民解放軍信息工程大學，河南 鄭州 450001）

軟件無線電系統(tǒng)只在天線到A/D轉換和D/A轉換環(huán)節(jié)的射頻段存在模擬信號，其中頻和基帶的處理全部采用數(shù)字邏輯運算實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理量大，實時性要求較高。某些情況下高速傳輸又是實時處理的前提，因此，軟件無線電實現(xiàn)的關鍵是需要有高速的數(shù)據(jù)處理與傳輸設備。為了將數(shù)據(jù)處理結果通過數(shù)據(jù)采集設備實時傳送給微機，信號調(diào)理設備和微機之間必須具有高速的互聯(lián)總線。作為第三代高性能I/O總線，PCI Express接口具有雙通道、高帶寬、傳輸快、低功耗以及傳輸可靠等優(yōu)點，正逐漸取代原有PCI接口。PCI Express2.0標準實現(xiàn)了x1的單向速率 5 Gb/s，因此 PCI Express總線接口特別適合于高速的數(shù)據(jù)傳送。同時，現(xiàn)在絕大多數(shù)電腦可以使用直接內(nèi)存訪問 DMA（Direct Memory Access）傳送方式，它使用專門的硬件把數(shù)據(jù)直接傳送到計算機內(nèi)存，從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。采用這種方式后，處理器不需要控制數(shù)據(jù)的傳送，因此它就可以用來處理更復雜的工作。因此，基于PCI Express總線并采用DMA方式進行數(shù)據(jù)傳輸可以充分發(fā)揮PCI Express總線高速的優(yōu)勢[1-2]。

美國國家儀器 NI（National Instruments）公司在信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集領域有著豐富的產(chǎn)品生產(chǎn)和設計經(jīng)驗，已經(jīng)成功為各行業(yè)的用戶提供了優(yōu)秀的解決方案。其中基于PCI Express接口系列的數(shù)字I/O卡可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。作為某軟件無線電系統(tǒng)的子課題，本文基于該系列硬件和配套的軟件進行開發(fā)，實現(xiàn)了信號調(diào)理設備和微機之間進行實時高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。實踐表明，該方案無論在數(shù)據(jù)傳輸還是實時控制方面都有較好的性能，對于搭建應用越來越廣泛的高速數(shù)據(jù)傳輸平臺具有一定的借鑒意義[3]。

1 NI PCIe-6537數(shù)字I/O卡簡介

NI PCIe-6537是NI公司生產(chǎn)的一款高速數(shù)字I/O系列數(shù)據(jù)采集卡[4]，具有32個可進行雙向并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃≒ort0～Port3，每個 Port由 8個通道組成）和 6個可編程函數(shù)接口 PFI（Programmable Function Interface），即PFI0～PFI6，并行速率可達 50 MHz；支持同步輸出，時鐘各項指標精度高，可以接受外部時鐘作為工作時鐘源；所有通道和接口具有獨立的ADC，保證了良好的動態(tài)性能；支持多種同步、異步握手模式，其中包含豐富的定時和事件觸發(fā)功能；板載2 048個32 bit基于FIFO的內(nèi)存單元，可以作為信號調(diào)理設備和計算機之間進行DMA傳輸?shù)母咚倬彺?，并且具有錯誤檢測及自我恢復機制。該數(shù)字I/O卡可以實現(xiàn)高速的雙向數(shù)據(jù)傳輸，具有靈活的控制功能，并可以通過控制可編程函數(shù)接口保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。板卡結構如圖1所示。

圖1 總體方案設計示意圖

隨著數(shù)據(jù)采集硬件、計算機和軟件復雜程度的增加，好的驅動軟件就顯得尤為重要。合適的驅動軟件可以最佳地結合靈活性和高性能，同時還能極大地降低開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序所需的時間。NI公司為其數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)了豐富的應用軟件和驅動。本方案采用NI專有的Measurement Studio開發(fā)軟件和DAQ驅動。為了讓用戶能開發(fā)出完整的數(shù)據(jù)采集和控制程序，NI提供了可以支持 C、Visual C++、Visual Basic和 C#調(diào)用驅動函數(shù)的應用軟件Measurement Studio。結合工程項目需要，本方案采用C#作為調(diào)用驅動函數(shù)的語言，同時使用HP DL180機架式服務器，以保證穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)傳輸和存取性能。

2 基于NI PCIe-6537數(shù)字I/O卡高速數(shù)據(jù)傳輸設計

NI PCIe-6537數(shù)字I/O卡具有高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，Measurement Studio和Visual Studio安裝融合之后的開發(fā)環(huán)境中包含了豐富的驅動函數(shù)，可以滿足實際工程各種應用需求。但是由于其內(nèi)部封裝不可見，用戶必須使用專門的驅動函數(shù)進行設計。本方案分為數(shù)據(jù)采集部分和控制信號輸出部分的設計，功能實現(xiàn)程序以C#動態(tài)鏈接庫（DLL）的形式提供給項目主程序使用。圖2給出了數(shù)據(jù)采集和控制信號輸出流程圖，下面以此為基礎介紹本方案各部分功能的設計。

圖2 數(shù)據(jù)采集和控制信號輸出流程圖

2.1 數(shù)據(jù)采集的主要功能及其設計方案

本方案使用25 Mb/s的傳輸速率同時進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，使用Port0、Port1和Port2 3個端口共計24條數(shù)據(jù)通道用來進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集。為保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的時鐘和數(shù)據(jù)精確同步，采用可編程函數(shù)接口PFI5接收外部時鐘作為板卡工作時鐘。下面首先對定時設置進行簡要說明。定時設置參數(shù)與工作模式和采樣長度有關，在初始化設備資源之前就要設置完畢。對于連續(xù)工作模式，采樣長度一般為計算機內(nèi)存中緩沖區(qū)的大小，實際中取較大的值即可；對于有限采樣工作模式，采樣長度與當前傳輸數(shù)據(jù)長度有關，若下一次的采樣長度與當前采樣長度不同，就要重新設置定時參數(shù)。根據(jù)項目要求，設定調(diào)理設備每20 ms發(fā)一包數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集部分的定時參數(shù)相應設置為連續(xù)工作模式。每包數(shù)據(jù)到達的同時還有一個和包長度相同的握手信號（Pause Trigger）到達板卡，即以握手信號的有無和長短決定是否接收數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的長度，這里用PFI1接收觸發(fā)信號。由于設置為連續(xù)工作模式，因此所有的參數(shù)只需設置一次，服務器程序即可對相應設備資源進行初始化，之后通過C#事件觸發(fā)的方式自動進入循環(huán)接收數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，同時可以通過委托把數(shù)據(jù)包實時傳遞給主調(diào)函數(shù)。

在對數(shù)據(jù)進行高速采集的同時，應考慮實際工作中不可預知的軟硬件錯誤。錯誤一般有兩種類型：一種是由微機未能及時從板卡FIFO中讀取數(shù)據(jù)造成FIFO溢出，從而造成數(shù)據(jù)包傳輸出錯；另一種情況是由于信號調(diào)理設備由眾多設備組成，如果其中某個環(huán)節(jié)發(fā)生傳輸延誤，導致某一包數(shù)據(jù)未能連續(xù)傳輸，進而造成FIFO采集不到完整的數(shù)據(jù)包。實際中經(jīng)過反復測試發(fā)現(xiàn)，雖然錯誤的種類可能會比較多，但是對于服務器來說，錯誤檢測只能依賴于包頭數(shù)據(jù)檢測。因此，針對可能出現(xiàn)的軟硬件錯誤，制定解決方案如下：在數(shù)據(jù)包的固定位置插入一個標志數(shù)據(jù)，每一包數(shù)據(jù)接收完畢之后對標志數(shù)據(jù)進行檢測，如果標志數(shù)據(jù)正確，則可以認為當前數(shù)據(jù)包已正確接收；如果標志數(shù)據(jù)出錯，則立即清空FIFO，直到檢測結果正確為止。另外，由于數(shù)據(jù)傳輸速率較高，有效數(shù)據(jù)只占20 ms中的小部分時間，從而保證板卡FIFO有充足的時間自我清空。

2.2 發(fā)送控制信號方案設計

為了控制信號調(diào)理設備，服務器還需要通過PCI Express卡發(fā)送控制信號給信號調(diào)理設備，本方案使用Port3的8條數(shù)據(jù)通道輸出控制信號，時鐘通過PFI4接口輸出給信號調(diào)理設備。由于控制信號只在必要的情況下發(fā)出，因此相應的定時參數(shù)設置為有限工作模式。設定控制信號精度為16 bit，并且不同控制信號有著不同功能。本方案使用Port3的高4位標識不同功能的控制信號，低4位傳輸控制信號，每個控制信號在4個時鐘周期內(nèi)輸出給信號調(diào)理設備。與數(shù)據(jù)采集部分類似，板卡輸出控制信號時需要一個握手信號 （DateActive Event），外部信號調(diào)理設備根據(jù)該握手信號決定是否接收控制信號以及信號長度。但與數(shù)據(jù)采集部分不同的是，由于控制部分為有限工作模式，每次發(fā)送控制信號均需要重新初始化設備資源，因此會造成一定的時延。實際測試發(fā)現(xiàn)，如果某段時間內(nèi)發(fā)送控制信號過多或者過于頻繁，這種時延就會造成控制信號發(fā)送錯誤。經(jīng)過反復試驗證明，每次控制信號發(fā)送完畢之后暫不釋放硬件資源，重新初始化時只需用一條語句重新設置定時參數(shù)，大大降低了時延并保證了控制信號輸出的可靠性。

3 高速數(shù)據(jù)傳輸方案實現(xiàn)和測試

本文設計的高速數(shù)據(jù)傳輸方案為某軟件無線電系統(tǒng)的重要組成部分。因此，本文以該系統(tǒng)在實際當中的運行結果對設計方案進行測試，下面分別介紹測試平臺并說明測試結果。

3.1 高速數(shù)據(jù)傳輸方案測試平臺

硬件平臺為HP DL180機架式服務器、NI PCIe-6537數(shù)字I/O卡以及信號調(diào)理設備；操作系統(tǒng)為Windows Server 2003 R2 （32 bit）； 軟件平臺為 Visual Studio 2005.NET、Measurement Studio 2009 和 DAQ 9.1.7。

其中，Visual Studio和 Measurement Studio版本必須一致，操作系統(tǒng)和DAQ驅動軟件的版本需要一致。并且由于驅動軟件的限制，Windows Server 2003操作系統(tǒng)下可用內(nèi)存資源受到限制[5]。

3.2 高速數(shù)據(jù)傳輸方案實現(xiàn)結果

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制信號的傳輸速率均為25 Mb/s，數(shù)據(jù)循環(huán)采集的收包間隔時間為20 ms、包長為10 016、數(shù)據(jù)為32 bit整形數(shù)。圖3為軟件界面顯示的某時刻數(shù)據(jù)采集結果。其中，包循環(huán)號表示信號調(diào)理設備發(fā)送數(shù)據(jù)包的編號，收包計數(shù)表示數(shù)字I/O卡成功接收并驗證正確的數(shù)據(jù)包，計數(shù)差值正常情況下為上述兩個指標的差值，丟包計數(shù)為發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)接收結果顯示，該時刻已接收2 610包數(shù)據(jù)并且所有數(shù)據(jù)包均正確無誤?？刂菩盘柖槿缦率M制數(shù)：0x400D和0x400F，每個十六進制數(shù)在4個時鐘周期內(nèi)發(fā)送完畢。在FPGA中，用SignalTap II觀察信號調(diào)理設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，如圖 4所示。 其中，pc_clk、pc_control和 pc_data分別為PCIe-6537輸出給FPGA的時鐘、握手信號和輸出信號。設備長期運行結果表明，本設計可以通過PCIe-6537實現(xiàn)FPGA與服務器之間穩(wěn)定的高速數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)采集接口是計算機系統(tǒng)與外部數(shù)據(jù)聯(lián)系的一個橋梁，設計的關鍵是提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度和可靠性。本文以某軟件無線電系統(tǒng)的實際需求出發(fā)，充分利用PCI Express接口通過DMA傳輸方式實現(xiàn)了信號調(diào)理設備與服務器之間進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。方案通過對NI PCIe-6537數(shù)字I/O卡性能的了解和挖掘，以及對驅動函數(shù)的合理調(diào)用，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝屎涂煽啃?。實際應用中還可以根據(jù)工程需要實現(xiàn)更多的功能。同時，NI公司基于PCI Express接口的高速數(shù)據(jù)I/O卡在高速數(shù)據(jù)通信以及實時信號處理領域有著良好的應用前景，而本方案作為一個典型案例，對工程實踐人員有較好的參考價值。

[1]BUDRUK R， ANDERSON D， SHANLEY T.PCI Express系統(tǒng)體系結構標準教材[M].田玉敏，王崧，張波，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]許軍，李玉山.PCI Express總線技術研究[J].計算機工程與科學，2006，28（5）：20～40.

[3]NI.數(shù)據(jù)采集技術文摘[EB/OL].http：//sine.ni.com，2010-09-01.

[4]NI.PCIExpress接 口 的 50M數(shù) 字 I/O[EB/OL].http：//sine.ni.com，2010-09-01.

[5]NI.NI-DAQmxSpecifications[EB/OL].http：//sine.ni.com，2010-09-01.