摘   要：為了解決接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中由于系統(tǒng)時(shí)延與數(shù)據(jù)緩沖給測(cè)試過程中的時(shí)間同步與數(shù)據(jù)對(duì)齊帶來的一系列難題，提高測(cè)試系統(tǒng)的精度，本文對(duì)傳統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)了獨(dú)立于主工控機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)據(jù)緩沖問題提出了解決方案。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)較好地解決了時(shí)延與數(shù)據(jù)對(duì)齊問題，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞： 接收機(jī)測(cè)試; LabVIEW RT;  數(shù)據(jù)采集

    隨著全球經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)航被廣泛應(yīng)用在運(yùn)輸車輛監(jiān)控、服務(wù)示范系統(tǒng)工程、石油探測(cè)、航天測(cè)試系統(tǒng)等方面,用于接收、跟蹤、變換和測(cè)量導(dǎo)航信號(hào)的接收設(shè)備——導(dǎo)航接收機(jī)也被應(yīng)用在各種服務(wù)、追蹤、測(cè)試等系統(tǒng)中。
    在一些對(duì)精度及可靠性要求比較高的系統(tǒng)中，一方面接收機(jī)的精度和不確定度評(píng)估直接影響了測(cè)試驗(yàn)證的可信度；另一方面隨著使用時(shí)間及機(jī)械損耗，接收機(jī)的精度會(huì)受到一定的影響，為此需要對(duì)接收機(jī)進(jìn)行定期標(biāo)校。
    一般的接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[1]大都把原始數(shù)據(jù)與接收機(jī)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在此過程中往往忽略了由于操作系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性帶來的時(shí)延以及數(shù)據(jù)緩沖處理給發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的對(duì)齊造成的誤差。
    本文在對(duì)接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上，著重研究如何采用LabVIEW RT 實(shí)時(shí)系統(tǒng)解決上述問題。
1 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)
    傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[2]如圖1所示。

    工控機(jī)記錄并通過GPIB總線控制信號(hào)源的輸出[3]；通過天線或射頻信號(hào)，信號(hào)源將產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送給接收機(jī)；接收機(jī)接收信號(hào)源生成的各類信號(hào)并通過429總線將接收的信號(hào)傳遞給工控機(jī)；工控機(jī)最終將接收機(jī)接收到的信號(hào)與信號(hào)源發(fā)射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，給出接收機(jī)誤差補(bǔ)償。
    這一方法在理論上成立，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過程中卻會(huì)因操作系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性和接收數(shù)據(jù)過程中的數(shù)據(jù)緩沖，給最終數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)的時(shí)間同步和數(shù)據(jù)對(duì)齊帶來問題，進(jìn)一步影響系統(tǒng)精度。
    為了解決這一問題，本文對(duì)傳統(tǒng)接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2所示。

    本系統(tǒng)采用IFR International Ltd.生產(chǎn)的專用航空信號(hào)發(fā)生器IFR2030作為信號(hào)源，Collins的GNLU-930、DME-442以及Honey Well的RNA-34BF作為接收機(jī)；通過PCI-GPIB板卡實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與信號(hào)源控制單元的通信；此外，新增了Agilent公司的DS07104B型示波器以及E4440A型頻譜分析儀,以實(shí)時(shí)顯示跟蹤信號(hào)的變化情況。
    與傳統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)最大的特色是以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)了獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其設(shè)計(jì)方案將在下一節(jié)中進(jìn)行介紹。
2 數(shù)據(jù)采集
    LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境。它最大的特點(diǎn)是能夠保證應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)響應(yīng)[4]只運(yùn)行在物理內(nèi)存中；另一特點(diǎn)是并行特性，多線程數(shù)據(jù)采集任務(wù)的編寫和執(zhí)行更加容易和有效[5]。
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)將數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)為獨(dú)立的系統(tǒng)就是考慮到了LabVIEW的以上特性，這些特性使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中由于操作系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性而帶來的時(shí)延大大減少[6]。此外，在傳統(tǒng)的接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，工控機(jī)承擔(dān)了包括信號(hào)源控制、數(shù)據(jù)采集、解析與分析處理，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù)，這些多線程操作也給工控機(jī)的響應(yīng)時(shí)間帶來一定的影響， 本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的單元承擔(dān)了數(shù)據(jù)采集與解析的任務(wù)， 降低了主工控機(jī)的負(fù)荷。
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為中間過程是用戶不可見的，上位機(jī)采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)采集單元的控制及通信。為了使數(shù)據(jù)采集適應(yīng)于ETS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采集系統(tǒng)采用了ALTA data公司的CPCI采集卡,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    數(shù)據(jù)采集流程[7]分為初始化、讀取數(shù)據(jù)、結(jié)束采集三大步，其示意圖如圖4所示。

    在初始化分支中要分別對(duì)板卡及采集通道進(jìn)行初始化設(shè)置，確立板卡ID號(hào)、發(fā)送和接收通道編號(hào)、總線速率；在讀取通道數(shù)據(jù)分支中調(diào)用獲取緩存中數(shù)據(jù)函數(shù)，獲得接收機(jī)數(shù)據(jù)；在結(jié)束采集分支中按照初始化的逆序退出相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集函數(shù)，配置要停止工作的通道編號(hào)，調(diào)用函數(shù)關(guān)閉通道[8]， 最后再關(guān)閉板卡。設(shè)計(jì)如圖5所示。
    為了不斷接收來自接收機(jī)的數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和顯示，在程序編寫過程中采用了一個(gè)While循環(huán)[9]，如圖6所示。
    對(duì)于數(shù)據(jù)解析部分[10]，需要根據(jù)數(shù)據(jù)Label，對(duì)每個(gè)參數(shù)單獨(dú)地進(jìn)行封裝，然后在主程序中進(jìn)行調(diào)用。
    工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集單元間的通信采用網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議[11]。通信模塊程序框圖如圖7所示，上部分循環(huán)實(shí)現(xiàn)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)命令字的功能，下部分循環(huán)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解析后的數(shù)據(jù),并顯示在工控機(jī)面板上。

3 數(shù)據(jù)緩沖方案
    除了系統(tǒng)時(shí)延之外，另一個(gè)影響系統(tǒng)性能的因素是數(shù)據(jù)處理與緩沖。
    在很多數(shù)據(jù)采集過程中，對(duì)數(shù)據(jù)的處理是一個(gè)順序過程，即對(duì)某一數(shù)據(jù)包依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)打包或存儲(chǔ)等過程后再進(jìn)入下一次的采集。這樣在數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理量較小的情況下是可行的，但當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到一定的閾值，在每一步上耗費(fèi)的時(shí)間將顯著提高，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)后續(xù)處理流程長時(shí)間空閑等待前續(xù)流程，或者前續(xù)流程長時(shí)間空閑等待后續(xù)流程處理完畢以進(jìn)入下一個(gè)采集過程。這種處理方式容易帶來數(shù)據(jù)丟失或波形失真等問題，更難以保證實(shí)時(shí)性的要求。
    鑒于以上缺陷，本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集流程進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)的數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

    改進(jìn)后，各個(gè)流程既相對(duì)獨(dú)立，又能夠通過緩存實(shí)現(xiàn)模塊間的交互，使數(shù)據(jù)處理量在時(shí)間維中均勻分布。同時(shí)減少了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量很大卻存在進(jìn)程循環(huán)等待這一問題，極大地提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。
    對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部模塊間的交互需要考慮到進(jìn)程間同步、數(shù)據(jù)緩存等問題。對(duì)于數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)解析處理模塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了主從設(shè)計(jì)模式來實(shí)現(xiàn)。主／從設(shè)計(jì)模式主要用來解決兩個(gè)或多于兩個(gè)的同時(shí)發(fā)生的并且擁有不同運(yùn)行速率的線程間通信間題。其示意圖如圖9所示。

    數(shù)據(jù)采集模塊作為主循環(huán),數(shù)據(jù)處理模塊作為從循環(huán)，它們引用相同的通知器句柄。從循環(huán)在程序運(yùn)行之初處于等待通知器狀態(tài)，只有當(dāng)從循環(huán)收到主循環(huán)完成采集通知才開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完成后將進(jìn)入下一次等待通知狀態(tài)。
    數(shù)據(jù)解析處理模塊與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊間的交互采用生產(chǎn)者消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式。與主從設(shè)計(jì)模式不同,生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式采用了隊(duì)列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式(FIFO)。網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊設(shè)置了一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隊(duì)列，從數(shù)據(jù)解析處理模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)按照先進(jìn)先出的方式被存入這一隊(duì)列。程序運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)解析處理模塊與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊同時(shí)運(yùn)行，前者只負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)處理后寫入到緩存隊(duì)列，后者只負(fù)責(zé)將隊(duì)列中的數(shù)據(jù)讀取出來并進(jìn)行下一步操作。
　　這樣的處理過程緩和了在數(shù)據(jù)量過大時(shí)的種種矛盾，在實(shí)際處理過程中也達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。然而,仍有一些問題需要進(jìn)一步考慮，主從模式在數(shù)據(jù)采集速率大于數(shù)據(jù)處理速率的情況下，容易造成數(shù)據(jù)的丟失；生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式能夠很好地克服上述問題，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送速率低于數(shù)據(jù)處理速率時(shí)，隊(duì)列將會(huì)溢出，在LabVIEW中數(shù)據(jù)發(fā)送將被強(qiáng)行停止。因此合理設(shè)計(jì)各模塊間的關(guān)系,匹配模塊間處理率是系統(tǒng)精益求精的一個(gè)設(shè)計(jì)方向。
4 實(shí)驗(yàn)
　　為了測(cè)試對(duì)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行優(yōu)化后的系統(tǒng)性能，除了常規(guī)的測(cè)試，還進(jìn)行了一次對(duì)比試驗(yàn)：將信號(hào)源設(shè)定為正弦信號(hào)，分別記錄下傳統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與本系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù)，將它們繪制在同一幅圖像中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與未經(jīng)優(yōu)化的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)能更好地進(jìn)行時(shí)間同步與數(shù)據(jù)對(duì)齊。同時(shí),采用LabVIEW RT圖形化開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方式，把流程中的各個(gè)部分模塊化，也有利于程序的修改和維護(hù)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到了優(yōu)化接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)。
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