基于LabVIEW RT的數據實時傳輸系統

trueleven

摘要: 為實現仿真系統中各仿真設備之間實時的數據通訊, 文章設計并實現了一種基于 LabVIEW RT以及反射內存網絡的數據實時采集及傳輸系統; 通過深入研究反射內存網絡集線器的內部結構, 確立了系統合適的網絡分布結構, 從硬件上保證了系統的實時性; 在深入研究 LabV I EW RT環境下反射內存的驅動運行原理后, 實現了在 RT環境下對反射內存的應用; 并通過編程中對驅動函數合適的選擇應用, 優化了系統軟件的實時性能; 測試及實踐證明, 系統性能良好, 在實際仿真中發揮了作用。
關鍵詞: 數據實時通訊; 反射內存; 網絡分布; LabVIEW RT ; 實時性控制

0  前言
在仿真系統諸如分布式仿真系統、半實物仿真系統中, 數據通訊的正確性、快速性和可靠性對仿真的質量有著至關重要的決定影響。而通訊的實時性能與各部分的數據傳輸速度密切相關, 其中包括了硬件以及軟件上各方面的因素。以往在硬件上采取的措施常常是研制高速的數字 /模擬量接口設備等, 但這種方法存在很多缺陷, 如缺乏通用性、傳輸距離受較大限制等等。而隨著各種實時網絡產品的開發, 其在仿真系統中的應用也愈加增多。這些產品的共同特點就是通訊速率快、傳輸距離長、通用性好, 并且可以連接多個節點組成一個實時網絡,因而具有十分優越的應用性。本文根據實際仿真設備通訊的需求, 利用反射內存 VM IP-CI- 5565及其集線器 VM I ACC - 5595組建了一個數據傳輸網絡。并結合虛擬儀器編程語言 LabVIEW ( RT ), 編制了數據采集 /傳送軟件。通過從硬件以及軟件上多方面對提升系統實時性能的考慮, 使得系統具有良好的工作表現, 從而組建了一個具有較好適用性以及擴展性的通訊系統。
1  系統硬件組建
1 1 1   實時通訊網絡與反射內存
實時通訊網絡是用于需要較高實時性要求的應用領域的專用網絡通訊技術, 一般采用基于高速網絡的共享存儲器技術實現。它除了具有嚴格的傳輸確定性和可預測性外, 還具有速度高、通信協議簡單、宿主機負載輕、軟硬件平臺適應性強、可靠的傳輸糾錯能力、支持中斷信號的傳輸等特點。實時通訊網絡可廣泛用于各種領域, 例如實時的飛行仿真器、核電站仿真器、電訊、高速過程控制 (軋鋼廠和制鋁廠 )、高速測試和測量以及軍事系統。VMIPCI-5565是 VMIC公司生產的基于 PCI總線的反射內存卡, 它使用光纖進行數據的傳輸, 從而不存在電磁輻射,也不受到來自無線電的電子 /電磁干擾, 具有很好的安全性和可靠性。另外, 5565采取了高性能的 H ub (網絡集線器 ) 結構配置成實時網絡, 可以實現多達 256個節點的計算機內存共享, 可以實現高速的實時數據通信[ 1]。因而, 其對于分布式仿真系統來說, 具有良好的應用價值。 VMIPCI- 5565組建的網絡結構如圖 1所示。

圖 1  反射內存網絡組建結構

1 1 2   VM IACC- 5595的內部結構與系統網絡結構反射內存卡 VM IPC I- 5565對應的網絡集線器型號為 VMIACC-5595 , 它是一個8端口并且通過層疊可以實現 256節點網絡的網絡集線器。而由于 VM I ACC - 5595獨 特的內部結構 [ 2], 使得在配置網絡時會發現整個網絡的實時性能有一定的差異。根據 VM IACC - 5595內部結構圖[ 2]可知, 在利用其組建網絡時, 縱使從外部看網絡是星形結構, 但內部依然是雙環形結構。VM I ACC - 5595簡化的內部結構如圖 2所示。

圖 2  簡化的 VM I ACC- 5595單機結構
可見由于 VM I ACC- 5595內部存在由 0、1、 2 、 3和 4、 5 、6、7節點組成的兩個環形, 數據在任意兩節點之間傳送的時間并不像嚴格意義上的星形結構那樣完全相同。如數據從 0節點傳向 1節點和傳向 3節點所費時間理論上應該是 1 /3關系,這樣的差異在實際網絡節點功能配置時是不得不考慮的。通過分析可以發現, 在設計網絡時需要著重考慮節點 3和節點 0、節點 7和節點 4的內在關系, 這樣可以即滿足設計需求, 又能夠減少數據在反射內存網絡上的傳輸延遲。即根據節點對數據的要求來配置節點的位置, 若節點以發送數據為主則應配置在 3或 7節點, 而以接受處理為主要任務的節點則應配置在 4或 0節點。當存在數據向其它網絡轉接或集中處理節點時, 這點的考慮就會更加重要。后經實驗證明, 不同配置的網絡在 100個 32位精度數據傳輸時間上的差異在 10微秒級左右, 而隨著數據量的增加時間差異會更加顯著。在本系統中, 把主要產生數據的設備) ) ) /海鷹仿真機 0和 /銀河仿真工作站0 (或數據采集計算機 ) 置于 3 、 7節點,而把數據處理設備如 SG I圖形工作站、干擾與背景實時控制計算機等配置與其它節點。這樣, 從節點的功能配置上力求到了最優化。
2  系統軟件實現
2 1 1   LabVIEW 編程環境及其實時組件 (RT)
系統中數據采集 /傳送程序利用 LabVIEW ( RT) 編制而成。 LabV I EW 是由美國 NI公司推出了一種優秀的面向對象的圖形化編程語言, 目前正被大量用于開發數據監測、數據測量采集系統、工業自動控制相同和數據分析系統等領域。LabV IEW 的實時組件 LabV I EW Rea l- T i m e ( RT) 是為了滿足測控領域中日益增多的實時性需求而出現的。與 Lab -V I EW 不同, RT的工作模式為: 在宿主機上開發應用程序,然后下載到目標計算機上去運行。目標機可以是 N I公司專門研制的 RT目標智能板卡, 也可以是通用的計算機, 但目標機上運行的卻是一個專門下載 (預先安裝 ) 的實時系統。比如文中系統所采取的 LabVIEW RT 810版本, 其目標機上運行的是 N I基于實時系統 Pharap改造開發的實時系統。由于目標機運行的與本身操作系統無關, RT工作模式就具有較好的適用性[3]
。
應用 LabV IEW RT環境編程時, 必須的步驟如下:
( 1) 配置目標計算機 [4]。包括設置第一啟動盤 (根據下一步的啟動方式決定是硬盤還是軟盤 ), 屏蔽無關的操作、中斷如 USB功能等, 以使目標機啟動在實時狀態下及盡量增強目標機的實時性能。

( 2) 連接啟動宿主機與目標計算機, 并使目標機運行在實時狀態下。宿主機與目標機的連接可以是普通的網絡連接。使目標計算機運行在實時狀態下則有從硬盤啟動和從軟盤啟動兩種方式, 啟動軟盤及硬盤的設置均在 NI產品隨帶的硬件操作環境 MAX下設置, 具體步驟可見文獻 [ 4]。本文所設置的目標機是一個數據采集計算機, 由研華工控機和 N I公司的基于 PC I總線的數據采集卡 PC I6036E組成。目標機啟動模式采取了制作啟動軟盤的方式。
( 3) 在宿主機上進入 LabVIEW RT編程模式, 選定將要運行程序的目標機, 編制宿主機和目標機要運行的程序。 LabVIEW RT的不同版本在這一部分的環境可能有差別, 本文用的 8 1 0版本是目前最新的版本, 它直接應用了一個 RT工程管理窗口, 使得對子程序模塊 ( VI) 的管理十分方便、直觀。
( 4) 完成程序的編制以及相應的設置后, 直接把程序下載到目標機上即可以運行。應用 LabV I EW RT編制的程序只要下載到目標機上就可以自己獨立運行, 而只要沒有特殊的設置, 縱使宿主機崩潰關機了, 其運行依然不受影響。而且, 通過設置可以把目標機上的程序設置成開機即自動運行狀態, 這樣宿主機就可以不需控制目標機而進行其它目標機的開發。這在很多自動測試、控制網絡等系統中有著極大的優點, 可以極大地提高系統開發效率并節省很多的資源。另外, 文中系統開發所應用的 LabVIEW RT的 810版本還增加了一個 /共享變量 0 的新功能。它采用了一個 / 先進先出0 的內存棧列機制, 通過應用共享變量可以方便、可靠的實現控制計算機與目標機計算機之間的數據傳送以及邏輯控制。比起以前版本為實現網絡通訊所必須采取的 DataSocket技術等, 共享變量的邏輯以及代碼極其簡單。也正因為此, 共享變量的出現也大大提升了 LabVIEW 以前并不受贊揚的網絡通
訊性能 [5]
。
2 12  軟件組成與實時性控制
2 1211  軟件組成及流程
一般情況下, 非 N I公司的產品, 即第三方硬件產品, 并不能直接應用在 LabV IEW RT環境之下。而此時就必須自行開發板卡在 LabV IEW RT環境下的驅動, 其包括很多的過程 [ 6]。
然而 NI公司恰好開發出了 VM IPCI- 5565的驅動, 作為例程發布在 N I主頁上供開發者學習。實驗證明, 在對目標機進行一定設置后, 此驅動可以應用在 LabV IEW 的 RT環境下。系統軟件的組成分為宿主機控制程序和目標機采集程序兩部分, 功能可以實現由控制界面控制采樣時間限、采樣模式及點數、采樣率等參數設置的任意通道的數據采集和直接發送。軟件的流程如圖 3所示。
2 1212  軟件中的實時性考慮

圖 3  系統軟件流程圖

為盡量提升軟件運行的效率和數據處理的實時性, 軟件從總體方案和具體函數的選擇應用上都進行了優化考慮。具體表現在: 在總體方案上, 程序盡量在開始采集命令下達之前實現所有的硬件參數配置以及控制變量的復位, 而在數據采集開始后使目標機上運行的代碼盡量少。而在具體函數的應用上, 也以運行代碼的簡潔高效為原則。這包括了對數據采集函數的改進組合和對數據發送時函數的選擇。數據采集函數在運行時,通過判斷采集模式 (是連續還是定點 ) 選擇在 DAQm x函數模
塊基礎上改進的采集子 VI[ 7- 8]。另外需要注意的是, 在數據發送時必須根據反射內存卡函數的運行特點和發送數據的模式, 合適選擇編制的數據發送子V I 。由于反射內存卡的驅動函數是由 LabVIEW 中的 V ISA底層函數綜合應用而成的[ 6], 尤其是數據讀寫函數, 全部由 VISA中寄存器讀寫函數組成。所以一般的浮點型采集數據無法直接寫進寄存器, 而必須開發合適的數據轉換函數。此時有兩種方法: 一即把所有數據通過 LabV IEW 的 datafl a ttern子 VI轉化成字符型 ( 8位精度整形 ) 數據 (此時又分兩種情況, 有適用于連續數據的單點轉化和適用于定量序列的向量轉 ) , 發出后再通過相反的方法轉換回原始數據; 二則是把浮點數據判斷正負后設置代表負數的標志位, 再通過一個固定的數學變換全部轉換成整形數據, 把轉換后的數據和對應標志位數據一同發送, 接收后再結合標志位進行數據反變換即可。
可見, 第一種方法把一個 32位浮點數變成了 4個 8位整形數來發送, 而第二種方式增加了一倍的數據量, 但完成一個數據發送卻只發送兩次。于是, 如若是少量的數據序列, 則推薦采取第一種方式來發送; 而若是大批量數據發送, 則可以在預先分配標志位內存區的情況下采用第二種方法。而隨后的實驗則證明, 這樣的選擇在實際上是正確的。

3  系統測試及結果分析
系統搭建完畢后, 對其的功能和性能進行了測試。測試方案為:
( 1) 數據采集計算機上在 LabVIEW RT環境下直接產生定量數據, 通過寫入反射內存發送, 計算出平均耗時, 以得到軟件的性能指標;
( 2) 數據采集計算機上在 LabVIEW RT環境下產生模擬數據, 經自我采回后再寫入反射內存發送, 計算出平均耗時;
( 3) 利用 /銀河 - SI M 仿真工作站0 產生數據, 由數據采集計算機節點采集數據并向數據接收計算機節點發送, 比較仿真工作站的模擬波形和接收計算機的數據波形, 以驗證系統功能。
測試結果表明:
( 1) 軟件發送 10000個 32位浮點數時, 通過第一種處理方式耗時 7 m s , 第二種處理方式耗時5m s , 性能達到了預期要求, 且耗時上的差異與理論上的推斷相符。

( 2) 軟件完全可以在同時輸出 2路模擬信號的情況下,實現可控制的任意多路 ( 1~ 7)、任意通道 ( 0~ 8) 同一采樣率下的數據采集與傳送, 且準確性較高、可靠性好。

( 3) 整個系統可以實現數據較好的實時傳輸, 完成數據的實時處理。
4  結束語
本文實現的系統是實驗室開發的 / 智能集成仿真網絡接口系統0 的一部分, 整體系統可以實現反射內存網絡和廣播內存網絡的實時數據通訊 [9- 10]。而本子系統除能完成總體的任務外, 由于具有網絡結構開放、工作模式簡潔高效的特點,更具有較大的發展空間和拓展應用前景。在系統投入應用后,在某制導武器的仿真試驗中工作良好, 在武器的開發定型中發揮了積極的作用。

參考文獻:
[ 1 ] VMIC( GE ) , VMIPCI-5565. s user m anual [ Z] . 2004 .
[ 2] VMIC ( GE ), VMIACC - 5595 2 Gbs Reflective Memory H ub Assembly [ Z] . 2002 .
[ 3 ] National Instrument , LabVIEW Real- TimeModule UserM anual [ Z] .2004.
[ 4 ] National Instrumen t ,Using Desktop PC s as RT Targets w it h the LabVIEW Real- T ime M odule f or ETS Targets [ Z] . 2004 .
[ 5 ] National Instrum ent , LabVIEW Real- Time Module Release and Up-grade Not es[ Z] . 2005 .
[ 6 ] Devel oping a LabVIEW Real- T i m e Driver for a PX I or CompactPCI Device [ R] . NI Developmen t Zone , 2004 .
[ 7 ] 楊樂平, 等. LabVIEW 高級程序設計 [M ] . 北京: 清華大學出版社, 2003.
[ 8 ] 侯國屏, 等. LabVIEW 7. 1編程與虛擬儀器設計 [M ] . 北京: 清華大學出版社, 2005.
[ 9 ] 劉志國. 激光導引頭半實物仿真系統關鍵技術研究 [ D] . 第二炮兵工程學院, 2002.
[ 10] 尹  勇. 半實物仿真實時性研究與實時通訊網絡開發 [ D] . 中國空空導彈研究院, 2003.