采用LabVIEW設計的PCM數據實時接收系統*

朱京來，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

飛行器地面測試旨在通過施加外部激勵信號，采集飛行器反饋的模擬信號、數字信號，驗證飛行器的各種性能指標是否能夠滿足設計指標要求。早期地面測試主要通過對模擬信號的采集、分析進行，需要將大量被測信號通過電纜接入測試系統。隨著飛行器機內測試(built-in test,BIT)的發展，在飛行器內部將被測模擬量轉化為數字信號，以脈沖編碼調制(pulse code modulation,PCM)或其他數據碼流的形式傳送至測試系統，已成為飛行器測試性設計的一種發展方向[1-3]。通過對PCM數據的實時接收解析，可以了解被測飛行器在測試過程中電氣、結構、溫度等參數的變化，為其性能的判定提供依據。

LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司推出的一種面向對象的圖形化編程語言。與傳統的C，C++等計算機語言不同，其使用圖標代替文本代碼創建應用程序，使用連線表征程序運行方向，在一定程度上縮短了軟件開發時間，并且使硬件工程師也可以進行小型的軟件開發，降低了軟件開發的學習成本[4-5]。同時，作為目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，LabVIEW在測試與測量、數據采集、儀器控制、數字信號分析等方面擁有大量成熟的vi庫，可以為數據接收顯示系統的開發提供良好的基礎[6-7]。

本文重點描述了PCM數據實時接收系統的設計，對核心的PCM數據接收板卡、PCM數據實時顯示軟件的組成與實現方法進行了描述。最后，結合實際使用環境，說明該系統的使用效果可以滿足飛行器地面測試的需要，并可根據被測對象的不同，進行一定程度的擴展。

1 PCM數據實時接收系統設計

PCM數據實時接收系統由測試電纜與工業控制計算機組成，PCM數據接收板卡與數據實時顯示軟件部署于工業控制計算機內部。PCM數據接收板卡為標準PCI板卡，以動態鏈接庫的形式進行驅動封裝。PCM數據實時顯示軟件基于LabVIEW軟件開發，通過列表、圖表等形式使用戶完成從數據格式配置到數據顯示分析的全部操作。系統組成框圖見圖1。

圖1 PCM數據實時接收系統組成框圖Fig.1 Composition of PCM data real-time receiving system

1.1 PCM數據接收板卡設計

PCM數據接收板卡由光耦接收模塊、DDR存儲模塊、PCM模擬發送模塊、FPGA以及PCI接口等幾部分組成。通過光耦接收模塊將PCM數據引入板卡，并完成被測對象與測試系統的隔離。FPGA作為板卡的控制核心，完成數據的校驗、整理，并將數據存入DDR存儲模塊。電纜接口、PCI接口分別完成與測試電纜及工業控制計算機的連接，模擬發送模塊用于板卡調試及自校驗。采用2片大容量DDR作為板卡的存儲設備，既可按照用戶需要實時讀取數據，也可在通訊結束后集中讀取數據[8-9]。板卡原理框圖見圖2。

圖2 PCM數據接收板卡原理框圖Fig.2 Principle of PCM data receiving card

1.2 PCM數據實時顯示軟件設計

為了滿足大容量PCM數據的實時接收顯示，采用LabVIEW的生產者-消費者模式進行軟件設計。在一般數據采集系統中，通常包含數據采集、數據分析以及數據顯示3個步驟，3個步驟順序執行。但對于采集速度要求較高的實時接收顯示系統，順序執行的模式顯然不再適用，必須使用多線程并行執行的方式滿足設計需求。

在基于C/C++的多線程程序開發過程中，開發人員通常需要考慮線程優先級、不同線程之間同步、線程之間數據傳輸等多方面因素，設計過程較為復雜且線程之間易相互影響執行效率[10]。LabVIEW軟件平臺可為不存在先后執行關系的軟件模塊自動分配不同線程，使程序處于并行執行狀態，極大簡化了開發人員設計多線程的工作難度。同時，其通過隊列完成不同線程之間的數據傳輸，避免了線程之間的數據沖突，提高了工作效率[11-12]。

生產者-消費者模式充分利用了LabVIEW的該優勢，設置多個并行循環, 分別以不同的速率執行任務。其中一個循環作為生產數據的循環，通過對采集板卡的控制，完成數據的采集工作。其他循環作為消費數據的循環，完成數據分析、顯示等工作。不同循環之間通過隊列進行數據共享，避免了競爭狀態的出現[13-14]。

PCM數據實時顯示軟件包括數據采集、數據顯示以及數據格式配置3個模塊。數據采集、數據顯示模塊為生產者-消費者模式。生產者循環中，通過調用數據接收板卡的驅動，實現PCM數據的接收功能，并將接收到的數據寫入隊列當中。消費者循環中，根據數據格式配置完成數據解析，并將數據幀號以圖表形式顯示于前面板，便于用戶觀察數據連續性[15]。同時，用戶可根據需要將數據中的其他參數解析后以圖表形式進行顯示，實時觀察數據變化。采集、顯示模塊程序框圖見圖3。

數據格式配置文件為INI文件形式，包含節(section)和鍵(key)2層結構。用戶通過修改配置文件，可以完成對PCM數據格式的定義工作。軟件通過讀取配置文件，依次獲得各參數的起始位置、字節長度、比例系數等信息。數據格式配置模塊程序框圖見圖4。

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

圖4 數據格式配置模塊程序框圖Fig.4 Program of data format configuration module

軟件人機交互界面見圖5。

圖5 軟件人機交互界面Fig.5 Man-machine interface

2 試驗驗證結果

試驗驗證時將PCM信號源通過測試電纜與數據實時接收系統相連。利用PCM信號源輸出一組固定幀結構的PCM數據流，數據接收板卡對PCM數據進行接收后，通過實時顯示軟件進行處理，并以波形的形式進行顯示。測試環境如表1所示。

表1 系統測試環境

測試中持續通訊時長為30 min，在測試過程中未發現明顯延遲以及參數間時序顛倒的現象。利用軟件界面按鈕可以對數據記錄狀態進行控制，在停止記錄后可將本次記錄數據保存為數據文件。對比數據實時接收系統數據與PCM信號源發送的原始數據，一致性良好，未發現誤碼情況出現。接收過程中的數據波形如圖6所示。

圖6 測試數據波形圖Fig.6 Waveform chart of test data

3 結束語

本文提出了一種基于LabVIEW的PCM數據實時接收系統的設計方法。使用LabVIEW語言搭建數據接收軟件，與數據接收板卡相結合完成PCM數據實時接收顯示功能，加快了系統整體開發速度。最后給出了系統功能的試驗驗證，為進一步優化PCM數據采集系統提供了一種思路。

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