采用LabVIEW設(shè)計(jì)的PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)*

朱京來(lái)，何平，郝大力，馬曉東

(1. 北京電子工程總體研究所，北京 100854；2. 中國(guó)人民解放軍駐二院中心軍事代表室，北京 100854)

0 引言

飛行器地面測(cè)試旨在通過(guò)施加外部激勵(lì)信號(hào)，采集飛行器反饋的模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)，驗(yàn)證飛行器的各種性能指標(biāo)是否能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。早期地面測(cè)試主要通過(guò)對(duì)模擬信號(hào)的采集、分析進(jìn)行，需要將大量被測(cè)信號(hào)通過(guò)電纜接入測(cè)試系統(tǒng)。隨著飛行器機(jī)內(nèi)測(cè)試(built-in test,BIT)的發(fā)展，在飛行器內(nèi)部將被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation,PCM)或其他數(shù)據(jù)碼流的形式傳送至測(cè)試系統(tǒng)，已成為飛行器測(cè)試性設(shè)計(jì)的一種發(fā)展方向[1-3]。通過(guò)對(duì)PCM數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收解析，可以了解被測(cè)飛行器在測(cè)試過(guò)程中電氣、結(jié)構(gòu)、溫度等參數(shù)的變化，為其性能的判定提供依據(jù)。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司推出的一種面向?qū)ο蟮膱D形化編程語(yǔ)言。與傳統(tǒng)的C，C++等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言不同，其使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，使用連線表征程序運(yùn)行方向，在一定程度上縮短了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且使硬件工程師也可以進(jìn)行小型的軟件開(kāi)發(fā)，降低了軟件開(kāi)發(fā)的學(xué)習(xí)成本[4-5]。同時(shí)，作為目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，LabVIEW在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析等方面擁有大量成熟的vi庫(kù)，可以為數(shù)據(jù)接收顯示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供良好的基礎(chǔ)[6-7]。

本文重點(diǎn)描述了PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)核心的PCM數(shù)據(jù)接收板卡、PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件的組成與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了描述。最后，結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境，說(shuō)明該系統(tǒng)的使用效果可以滿足飛行器地面測(cè)試的需要，并可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的不同，進(jìn)行一定程度的擴(kuò)展。

1 PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)由測(cè)試電纜與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，PCM數(shù)據(jù)接收板卡與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件部署于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部。PCM數(shù)據(jù)接收板卡為標(biāo)準(zhǔn)PCI板卡，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)封裝。PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)，通過(guò)列表、圖表等形式使用戶完成從數(shù)據(jù)格式配置到數(shù)據(jù)顯示分析的全部操作。系統(tǒng)組成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition of PCM data real-time receiving system

1.1 PCM數(shù)據(jù)接收板卡設(shè)計(jì)

PCM數(shù)據(jù)接收板卡由光耦接收模塊、DDR存儲(chǔ)模塊、PCM模擬發(fā)送模塊、FPGA以及PCI接口等幾部分組成。通過(guò)光耦接收模塊將PCM數(shù)據(jù)引入板卡，并完成被測(cè)對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的隔離。FPGA作為板卡的控制核心，完成數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、整理，并將數(shù)據(jù)存入DDR存儲(chǔ)模塊。電纜接口、PCI接口分別完成與測(cè)試電纜及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的連接，模擬發(fā)送模塊用于板卡調(diào)試及自校驗(yàn)。采用2片大容量DDR作為板卡的存儲(chǔ)設(shè)備，既可按照用戶需要實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，也可在通訊結(jié)束后集中讀取數(shù)據(jù)[8-9]。板卡原理框圖見(jiàn)圖2。

圖2 PCM數(shù)據(jù)接收板卡原理框圖Fig.2 Principle of PCM data receiving card

1.2 PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件設(shè)計(jì)

為了滿足大容量PCM數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收顯示，采用LabVIEW的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)顯示3個(gè)步驟，3個(gè)步驟順序執(zhí)行。但對(duì)于采集速度要求較高的實(shí)時(shí)接收顯示系統(tǒng)，順序執(zhí)行的模式顯然不再適用，必須使用多線程并行執(zhí)行的方式滿足設(shè)計(jì)需求。

在基于C/C++的多線程程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員通常需要考慮線程優(yōu)先級(jí)、不同線程之間同步、線程之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾矫嬉蛩?，設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜且線程之間易相互影響執(zhí)行效率[10]。LabVIEW軟件平臺(tái)可為不存在先后執(zhí)行關(guān)系的軟件模塊自動(dòng)分配不同線程，使程序處于并行執(zhí)行狀態(tài)，極大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)多線程的工作難度。同時(shí)，其通過(guò)隊(duì)列完成不同線程之間的數(shù)據(jù)傳輸，避免了線程之間的數(shù)據(jù)沖突，提高了工作效率[11-12]。

生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式充分利用了LabVIEW的該優(yōu)勢(shì)，設(shè)置多個(gè)并行循環(huán), 分別以不同的速率執(zhí)行任務(wù)。其中一個(gè)循環(huán)作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的循環(huán)，通過(guò)對(duì)采集板卡的控制，完成數(shù)據(jù)的采集工作。其他循環(huán)作為消費(fèi)數(shù)據(jù)的循環(huán)，完成數(shù)據(jù)分析、顯示等工作。不同循環(huán)之間通過(guò)隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，避免了競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的出現(xiàn)[13-14]。

PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)格式配置3個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示模塊為生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式。生產(chǎn)者循環(huán)中，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)接收板卡的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)的接收功能，并將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入隊(duì)列當(dāng)中。消費(fèi)者循環(huán)中，根據(jù)數(shù)據(jù)格式配置完成數(shù)據(jù)解析，并將數(shù)據(jù)幀號(hào)以圖表形式顯示于前面板，便于用戶觀察數(shù)據(jù)連續(xù)性[15]。同時(shí)，用戶可根據(jù)需要將數(shù)據(jù)中的其他參數(shù)解析后以圖表形式進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)變化。采集、顯示模塊程序框圖見(jiàn)圖3。

數(shù)據(jù)格式配置文件為INI文件形式，包含節(jié)(section)和鍵(key)2層結(jié)構(gòu)。用戶通過(guò)修改配置文件，可以完成對(duì)PCM數(shù)據(jù)格式的定義工作。軟件通過(guò)讀取配置文件，依次獲得各參數(shù)的起始位置、字節(jié)長(zhǎng)度、比例系數(shù)等信息。數(shù)據(jù)格式配置模塊程序框圖見(jiàn)圖4。

圖3 采集顯示模塊程序框圖Fig.3 Program of acquisition and display module

圖4 數(shù)據(jù)格式配置模塊程序框圖Fig.4 Program of data format configuration module

軟件人機(jī)交互界面見(jiàn)圖5。

圖5 軟件人機(jī)交互界面Fig.5 Man-machine interface

2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)將PCM信號(hào)源通過(guò)測(cè)試電纜與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)相連。利用PCM信號(hào)源輸出一組固定幀結(jié)構(gòu)的PCM數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)接收板卡對(duì)PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行接收后，通過(guò)實(shí)時(shí)顯示軟件進(jìn)行處理，并以波形的形式進(jìn)行顯示。測(cè)試環(huán)境如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

測(cè)試中持續(xù)通訊時(shí)長(zhǎng)為30 min，在測(cè)試過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)明顯延遲以及參數(shù)間時(shí)序顛倒的現(xiàn)象。利用軟件界面按鈕可以對(duì)數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)進(jìn)行控制，在停止記錄后可將本次記錄數(shù)據(jù)保存為數(shù)據(jù)文件。對(duì)比數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)與PCM信號(hào)源發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，一致性良好，未發(fā)現(xiàn)誤碼情況出現(xiàn)。接收過(guò)程中的數(shù)據(jù)波形如圖6所示。

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)波形圖Fig.6 Waveform chart of test data

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于LabVIEW的PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。使用LabVIEW語(yǔ)言搭建數(shù)據(jù)接收軟件，與數(shù)據(jù)接收板卡相結(jié)合完成PCM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收顯示功能，加快了系統(tǒng)整體開(kāi)發(fā)速度。最后給出了系統(tǒng)功能的試驗(yàn)驗(yàn)證，為進(jìn)一步優(yōu)化PCM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種思路。

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