基于LabVIEW FPGA的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

代華斌 秦占陽

摘要：數(shù)據(jù)傳輸就是依照適當(dāng)?shù)囊?guī)程，經(jīng)過一條或多條鏈路，在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿之間傳送數(shù)據(jù)的過程。也表示借助信道上的信號(hào)將數(shù)據(jù)從一處送往另一處的操作?；贚abVIEW FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊环N，它具有TCP傳輸和UDP傳輸兩種方式，為了保證傳輸過程中不產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失，本文通過重新構(gòu)造數(shù)據(jù)類型并通過打包與接包的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證了數(shù)據(jù)在高速采樣條件下的連續(xù)性與穩(wěn)定性，為底層FPGA硬件向上位機(jī)數(shù)據(jù)交換提供了一種嶄新的模式。

關(guān)鍵詞：FPGA;abview;TCP/IP;UDP;數(shù)據(jù)復(fù)用

0引言

西安某汽車電子有限公司生產(chǎn)的XLM油泵支架產(chǎn)品功能測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)中，有一項(xiàng)針對(duì)高度阻值（TSG）的功能測(cè)試。該測(cè)試內(nèi)容要求阻值電壓采樣與液位高度進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。使用傳統(tǒng)的采集方式難以保證采集的可靠性?；柙撛O(shè)計(jì)要求，本文提出了一種采用LabVIEWFPGA的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該技術(shù)能夠在高速采樣的前提下確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。

1數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要用于多機(jī)通信領(lǐng)域，一般在數(shù)據(jù)交換過程中，為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸而制定的特殊傳送規(guī)則。其傳輸過程也根據(jù)傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)而不同。具體而言可分為以下幾種：

1.1基帶、頻帶和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸

①基帶傳輸是指由數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）送出的二進(jìn)制“1”數(shù)據(jù)傳輸或“0”的電信號(hào)直接送到電路的傳輸方式。基帶信號(hào)未經(jīng)調(diào)制，可以經(jīng)過碼形變換（或波形變換）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后直接傳輸。

②大多數(shù)傳輸信道是帶通型特性，基帶信號(hào)通不過。采用調(diào)制方法把基帶信號(hào)調(diào)制到信道帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸，接收端通過解調(diào)方法再還原出基帶信號(hào)的方式，稱為頻帶傳輸。

③數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸是利用數(shù)字話路傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的一種方式。

1.2并行傳輸與串行傳輸

①并行傳輸是構(gòu)成字符的二進(jìn)制代碼在并行信道上同時(shí)傳輸?shù)姆绞健?/p>

②串行傳輸是構(gòu)成字符的二進(jìn)制代碼在一條信道上以位（碼元）為單位，按時(shí)間順序逐位傳輸?shù)姆绞健Ｋ俣入m慢，但只需一條傳輸信道，投資小，易于實(shí)現(xiàn)，是數(shù)據(jù)傳輸采用的主要傳輸方式。也是目前計(jì)算機(jī)通信采取的一種主要方式。

1.3異步傳輸和同步傳輸

①異步傳輸是字符同步傳輸?shù)姆绞?。?dāng)發(fā)送1個(gè)字符代碼時(shí)，字符前面要加1個(gè)“起”信號(hào)，長度為1個(gè)碼元寬，極性為“0”，即空號(hào)極性;而在發(fā)完1個(gè)字符后面加1個(gè)“止”信號(hào)，長度為1，1.5或2個(gè)碼元寬，極性為“1”，即傳號(hào)極性。接收端通過檢測(cè)起、止信號(hào)，即可區(qū)分出所傳輸?shù)淖址?。字符可以連續(xù)發(fā)送，也可單獨(dú)發(fā)送，不發(fā)送字符時(shí)，連續(xù)發(fā)送停止信號(hào)。

②同步傳輸是位（碼元）同步傳輸方式。該方式必須在收、發(fā)雙方建立精確的位定時(shí)信號(hào)，以便正確區(qū)分每位數(shù)據(jù)信號(hào)。在傳輸中，數(shù)據(jù)要分成組（或稱幀），一幀含多個(gè)字符代碼或多個(gè)獨(dú)立碼元。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，在每幀開始必須加上規(guī)定的幀同步碼元序列，接收端檢測(cè)出該序列標(biāo)志后，確定幀的開始，建立雙方同步。接收端DCE從接收序列中提取位定時(shí)信號(hào)，從而達(dá)到位（碼元）同步。

1.4單工、半雙工和全雙工傳輸

單工傳輸指數(shù)據(jù)只能按單一方向發(fā)送和接收;半雙工傳輸指數(shù)據(jù)可以在2個(gè)方向傳輸?shù)荒芡瑫r(shí)進(jìn)行，即交替收、發(fā);全雙工傳輸指數(shù)據(jù)可以在2個(gè)方向同時(shí)傳輸，即同時(shí)收和發(fā)。一般四線線路為全雙工數(shù)據(jù)傳輸，二線線路可實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

2復(fù)用技術(shù)

復(fù)用技術(shù)是指一種在傳輸路徑上綜合多路信道，然后恢復(fù)原機(jī)制或解除終端各信道復(fù)用技術(shù)的過程，主要包括以下幾種：

頻分復(fù)用（FDM）：載波帶寬被劃分為多種不同頻帶的子信道，每個(gè)子信道可以并行傳送一路信號(hào)。FDM用于模擬傳輸過程。

時(shí)分復(fù)用（TDM）：在交互時(shí)間間隔內(nèi)在同一信道上傳送多路信號(hào)。TDM廣泛用于數(shù)字傳輸過程。

碼分復(fù)用（CDM）：每個(gè)信道作為編碼信道實(shí)現(xiàn)位傳輸（特定脈沖序列）。這種編碼傳輸方式通過傳輸唯一的時(shí)間系列短脈沖完成，但在較長的位時(shí)間中則采用時(shí)間片斷替代。每個(gè)信道，都有各自的代碼，并可以在同一光纖上進(jìn)行傳輸以及異步解除復(fù)用。

波分復(fù)用（WDM）：在一根光纖上使用不同的波長同時(shí)傳送多路光波信號(hào)。WDM用于光纖信道。WDM與FDM基于相同原理但是它應(yīng)用于光纖信道上的光波傳輸過程。

粗波分復(fù)用（CWDM）：WDM的擴(kuò)張。每根光纖傳送4到8種波長，甚至更多。應(yīng)用于中型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（區(qū)域或城域網(wǎng)）。

密集型波分復(fù)用（DWDM）：WDM的擴(kuò)展。典型的DWDM系統(tǒng)支持8種或以上波長。顯現(xiàn)系統(tǒng)支持上百種波長。

在數(shù)據(jù)通信中，復(fù)用技術(shù)的使用極大地提高了信道的傳輸效率，取得了廣泛地應(yīng)用。多路復(fù)用技術(shù)就是在發(fā)送端將多路信號(hào)進(jìn)行組合，然后在一條專用的物理信道上實(shí)現(xiàn)傳輸，接收端再將復(fù)合信號(hào)分離出來。多路復(fù)用技術(shù)主要分為兩大類：頻分多路復(fù)用（簡(jiǎn)稱頻分復(fù)用）和時(shí)分多路復(fù)用（簡(jiǎn)稱時(shí)分復(fù)用），波分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)復(fù)用本質(zhì)上也屬于這兩種復(fù)用技術(shù)。另外還有一些其他的復(fù)用技術(shù)，如碼分復(fù)用、極化波復(fù)用和空分復(fù)用等。

3基于網(wǎng)絡(luò)的傳輸

基于網(wǎng)絡(luò)的傳輸一般分為TCP/IP傳輸與UDP傳輸兩種。

UDP是簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的運(yùn)輸層協(xié)議：進(jìn)程的每個(gè)輸出操作都正好產(chǎn)生1個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)，并組裝成1份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)。UDP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成1份IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式如圖1所示。

UDP不提供可靠性連接：它把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。

TCP和DUDP都使用相同的網(wǎng)絡(luò)層（IP）。TCP提供了一種可靠的面向連接的字節(jié)流運(yùn)輸層服務(wù)。如圖2所示：

TCP向應(yīng)用層提供與UDP完全不同的服務(wù)。TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)。TCP將用戶數(shù)據(jù)打包構(gòu)成報(bào)文段;它發(fā)送數(shù)據(jù)后啟動(dòng)1個(gè)定時(shí)器，等待對(duì)端數(shù)據(jù)確認(rèn);另一端對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)失序的數(shù)據(jù)重新排序，丟棄重復(fù)數(shù)據(jù);TCP提供端到端的流量控制，并加以計(jì)算和驗(yàn)證。

面向連接意味著2個(gè)使用TCP的應(yīng)用（通常是1個(gè)客戶和1個(gè)服務(wù)器）在彼此交換數(shù)據(jù)之前必須先建立1個(gè)TCP連接。這一過程與打電話很相似，先撥號(hào)振鈴，等待對(duì)方摘機(jī)說“喂”，然后才說明是誰。TCP傳輸協(xié)議連接過程：

首先建立連接，TCP用3個(gè)報(bào)文段完成連接的建立。這個(gè)過程也稱為3次握手（three-way handshake）。如圖3所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送必須經(jīng)過接收方確認(rèn)，并且有超時(shí)重傳等保障機(jī)制，這是TCP傳輸有一定保障的根本原因，如圖5所示。

可以看到，完成1次數(shù)據(jù)傳送，除了完成連接、終止連接外，至少還需要1個(gè)數(shù)據(jù)分組與1個(gè)ACK分組。

UDP與TCP提供不同的傳輸方式與不同的傳輸質(zhì)量，TCP以增加網(wǎng)絡(luò)開銷的方式提供傳輸保障。在GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常情況下，從GPRSDTU→GPRS網(wǎng)絡(luò)→互聯(lián)網(wǎng)→用戶數(shù)據(jù)中心這個(gè)通路上，UDP傳輸有效性>99%，TCP傳輸有效性=100%。

4基于labvlEW FPGA的數(shù)據(jù)傳輸

基于LabVIEW FPGA的數(shù)據(jù)傳輸，是基于TCP/IP的一種改進(jìn)方式。如圖6所示。

這種方式主要用于FPGA架構(gòu)的c-RIO系統(tǒng)與上位機(jī)通信時(shí)為保證底層數(shù)據(jù)能夠可靠傳輸?shù)莫?dú)特?cái)?shù)據(jù)流傳輸方式。其技術(shù)特點(diǎn)在于從FPGA底層進(jìn)行數(shù)據(jù)構(gòu)造，即將一般數(shù)據(jù)類型（如定點(diǎn)型、浮點(diǎn)型）轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)底層可識(shí)別的布爾數(shù)據(jù)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)構(gòu)造，如圖7所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至RT層，通過數(shù)據(jù)解析的過程將FPGA的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別并轉(zhuǎn)換至上位機(jī)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，如圖8所示。

為保證數(shù)據(jù)的不丟失，RT打包過程采用了重聯(lián)與數(shù)據(jù)殘留清空方式，以確保每次重聯(lián)的過程能夠進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)的接收過程如圖9所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)后，將不同數(shù)據(jù)類型按照包頭加以解析，并按照構(gòu)造數(shù)據(jù)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)重建。過程如圖10所示。

5結(jié)論

基于LabVIEW FPGA數(shù)據(jù)傳輸方式主要用于高速數(shù)據(jù)流傳輸?shù)那闆r，這種方式是在TCP/IP基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)傳輸方式。目前已成功應(yīng)用在西安某汽車電子有限公司所生產(chǎn)的XLM生產(chǎn)線功能測(cè)試臺(tái)改造項(xiàng)目中。該項(xiàng)目要求在電機(jī)運(yùn)行的過程中對(duì)電阻電壓進(jìn)行高速可靠采樣并傳輸，采用基于LabVIEW FPGA數(shù)據(jù)傳輸方式很好地解決了該問題，目前設(shè)備運(yùn)行良好。