無線虛擬儀器系統(tǒng)中高速無線數(shù)據(jù)通信

王廣君，謝巧靈

（1. 中國地質大學（武漢）自動化學院，湖北 武漢 430074；2. 復雜系統(tǒng)先進控制與智能自動化湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3. 中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074）

虛擬儀器（virtual instruments）是一種集計算機技術、微電子技術、嵌入式技術和數(shù)字信號處理技術于一體的新型儀器[1-2]。其系統(tǒng)采用軟件控制硬件的工作模式，在儀器工業(yè)中占有重要的地位。

隨著技術的不斷發(fā)展，虛擬儀器對數(shù)據(jù)傳輸速率提出了更高的要求[3]。以100 kHz 最小頻率分辨率、100 幀/s處理速率的頻譜分析儀為例，如果要求在8 位1 GHz采樣速率AD 的硬件條件下實現(xiàn)，那么根據(jù)奈奎斯特采樣定理的要求，每幀數(shù)據(jù)的個數(shù)需達到104。每幀數(shù)據(jù)大小則需達到8×104位。數(shù)據(jù)傳輸速率則要求高達8 Mbit/s 以上。若需進一步提高頻率分辨率或是顯示幀率，數(shù)據(jù)傳輸速率還需進一步提高。目前，采用藍牙[4]、ZigBee[5]進行通信的無線虛擬儀器只能進行低速數(shù)據(jù)傳輸。Wi-Fi 通信技術雖然占用空間資源少、數(shù)據(jù)傳輸速率高，并在測量儀器的數(shù)據(jù)傳輸中有廣泛的應用[6]，但是通過Wi-Fi 連接的前端硬件大多采用串口方式[7]，傳輸速率仍難以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

為此，筆者利用μC/OS-II 多任務編程接口，設計了一種結合緩沖池機制和多任務機制的Socket 通信方法，實現(xiàn)無線虛擬儀器的高速無線數(shù)據(jù)通信。

1 無線虛擬儀器的基本架構

無線虛擬儀器系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與預處理模塊、無線控制模塊、Wi-Fi 通信模塊、虛擬儀器上位機模塊組成，如圖1 所示。數(shù)據(jù)采集與預處理模塊由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）控制，用于數(shù)據(jù)的采集與處理，并根據(jù)接收的指令將數(shù)據(jù)通過串行外設接口（SPI）傳出；無線控制模塊由ARM 處理器控制，用于協(xié)調虛擬儀器模塊和Wi-Fi 通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸；Wi-Fi 通信模塊完成數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的工作，對封包好的無線數(shù)據(jù)進行收發(fā)；虛擬儀器上位機模塊由計算機控制，對接收到的無線數(shù)據(jù)分別進行存儲、分析、顯示等處理。無線控制模塊和Wi-Fi 通信模塊是設計的重點。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 高速無線數(shù)據(jù)通信

無線控制模塊采用意法半導體公司的STM32F407VET6 作為主控芯片；Wi-Fi 芯片選用Marvell 公司的88W8801 芯片。高速數(shù)據(jù)傳輸采用傳輸控制協(xié)議（TCP），通過μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)。控制軟件包含系統(tǒng)任務、網(wǎng)卡任務、TCP/IP 協(xié)議棧任務、傳輸控制任務，借助于μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)可裁剪的、搶占式的實時多任務內核，軟件部分得以在實時性和小型化之間得以均衡[8]，既能保證4 項任務間的實時切換，又能保證整個系統(tǒng)的高效運轉。

控制軟件設計包括Wi-Fi 驅動移植和傳輸控制兩部分。

2.1 驅動移植

Wi-Fi 驅動移植分為TCP/IP 協(xié)議棧移植、無線網(wǎng)卡驅動移植。

2.1.1 TCP/IP 協(xié)議棧移植

選用lwIP 協(xié)議棧實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議棧移植。lwIP為了適應不同的操作系統(tǒng)，在lwIP 和操作系統(tǒng)之間增加了一個操作系統(tǒng)仿真層[9]。操作系統(tǒng)仿真層為操作系統(tǒng)的定時、進程同步和消息傳遞提供了一個統(tǒng)一的接口。

將lwIP 移植到μC/OS-II，需要對以下幾個文件進行編寫：

（1）cc.h：該文件需要定義平臺無關的數(shù)據(jù)類型、臨界保護區(qū)和編譯器特定符號，并調試輸出。

（2）perf.h：該文件定義與性能測量相關的內容，但本設計未涉及，故為空。

（3）sys_arch.c：該文件需要為協(xié)議棧提供μC/OS-II 多任務相關機制，主要包括消息郵箱機制、同步機制（信號量）、內核任務創(chuàng)建、時間管理機制（延時、獲取運行時間）。

（4）sys_arch.h：該文件與sys_arch.c 配套使用，除需要對sys_arch.c 中函數(shù)進行聲明外，還需定義消息郵箱的參數(shù)。

2.1.2 無線網(wǎng)卡驅動移植

無線網(wǎng)卡驅動移植涉及大量的寄存器操作。為了編寫的方便，通過移植Linux 下的驅動實現(xiàn)無線網(wǎng)卡驅動程序的編寫。這一過程主要是修改Linux 驅動以適應μC/OS-II 的要求，具體工作如下：

（1）為了節(jié)省空間，對無線網(wǎng)卡驅動中不常用的緩沖區(qū)（如事件緩沖區(qū)、掃描得到的信標信息緩沖區(qū)等）進行了縮減；

（2）將驅動程序里的時間管理代碼替換為μC/OS-II 的形式；

（3）將驅動程序里的信號量代碼替換為μC/OS-II的形式；

（4）網(wǎng)卡采用安全數(shù)字輸入輸出（secure digital input and output，SDIO）接口，所以需編寫SDIO 驅動；

（5）Linux 中使用sk_buff 結構體管理TCP/IP 中的數(shù)據(jù)[10]，而lwIP 使用pbuf 結構體來管理[11]，所以需編寫sk_buffer.c 文件完成兩者之間的轉換。

2.2 傳輸控制

傳輸控制部分借助μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)的多任務實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送之間公用一個緩沖池，利用直接內存存取（DMA）傳輸數(shù)據(jù)時不占用CPU 時間的特點[12]，再結合緩沖池機制和多任務機制，即可有效提升數(shù)據(jù)傳輸速率。

通過SPI 接收數(shù)據(jù)的速率較快，在STM32F407上可達42 MHz，而通過TCP 發(fā)送數(shù)據(jù)的速率因為要處理協(xié)議棧相關內容則相對較慢。為了協(xié)調高速與低速接口，常采用緩沖池的方法。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)通常采用靜態(tài)內存塊池的方法[13]，將系統(tǒng)空余的內存統(tǒng)一管理，生成一系列的大小固定的內存塊池，在實際操作中對這一整個內存塊進行操作。高速無線數(shù)據(jù)通信方案中的緩沖池也采用類似的結構。

緩沖池由N 個相同大小的緩沖區(qū)組成，每個緩沖區(qū)包含緩沖區(qū)編號、狀態(tài)位和數(shù)據(jù)字段3 部分，如圖2所示。緩沖區(qū)編號具有唯一性，用來標識當前緩沖區(qū)在緩沖池中的位置；狀態(tài)位為0 表示對應數(shù)據(jù)字段為空，狀態(tài)位為1 表示對應數(shù)據(jù)字段為滿。操作系統(tǒng)每次傳輸完成后，記錄下上一次讀寫操作完成的緩沖池編號。數(shù)據(jù)的接收從上一次操作的緩沖池開始，依次向下檢索接下來的緩沖區(qū)，滿足條件即進行對應的讀寫操作。

圖2 緩沖池設計框圖

無線數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3 和4 所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收任務

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送任務

接收數(shù)據(jù)時，依次檢索緩沖池，當檢測到緩沖區(qū)為空時，通過SPI 發(fā)送DMA 請求。當數(shù)據(jù)接收完成時，將其存入緩沖區(qū)，并更新緩沖池狀態(tài)。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，依次檢索緩沖池，當檢測到緩沖區(qū)為滿時，通過Wi-Fi 接口將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，并更新緩沖池狀態(tài)。

在操作SPI 或Wi-Fi 收發(fā)數(shù)據(jù)時，采用了DMA技術。此時，數(shù)據(jù)傳輸只占用數(shù)據(jù)總線而不占用CPU。利用這一特性，在此時切換至另一任務進行數(shù)據(jù)處理，可以有效提高CPU 的利用率，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

3 測試結果

利用由數(shù)據(jù)采集與預處理模塊、無線控制模塊、Wi-Fi 通信模塊搭建的測試平臺（如圖5 所示）進行了數(shù)據(jù)傳輸測試，考察數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、穩(wěn)定性和傳輸速率。測試情況通過Wireshark 抓包得到。

圖5 測試平臺實物圖

3.1 傳輸正確性測試

對于無線數(shù)據(jù)傳輸而言，傳輸正確是最基本的要求。測試時，發(fā)送內容在0～255 之間循環(huán)遞增的數(shù)據(jù)包，上位機進行接收并統(tǒng)計。表1 是數(shù)據(jù)正確性測試結果。數(shù)據(jù)傳輸中雖有少量丟包，但TCP 丟包后的重傳確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

表1 傳輸正確性測試

3.2 穩(wěn)定性測試

因為采用多任務和公用緩沖池的設計為系統(tǒng)引入了競爭冒險，所以進行數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性測試尤為重要。測試時，由數(shù)據(jù)采集與預處理模塊產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)，無線控制模塊控制Wi-Fi 通信模塊進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，上位機進行接收并統(tǒng)計。穩(wěn)定性測試時間為3 600 s，在測試過程中，數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定在16.0 Mbit/s，如圖6 所示。

圖6 穩(wěn)定性測試速率圖

3.3 速率對比

對采用順序設計和本文提出的多任務設計的數(shù)據(jù)傳輸速率進行了比較測試。測試時，由數(shù)據(jù)采集與預處理模塊產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)，無線控制模塊控制Wi-Fi 通信模塊進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，上位機進行接收并統(tǒng)計。測試時間約600 s，測試結果如圖7 所示。

圖7 順序設計和多任務設計的速率對比

從圖7 可以看到，采用順序設計的數(shù)據(jù)傳輸平均速率為12.4 Mbit/s；而采用多任務設計的數(shù)據(jù)傳輸平均速率為16.0 Mbit/s。多任務設計方案較前者傳輸速率提高了約29%。

4 結語

本文設計了結合緩沖池機制和多任務機制的無線數(shù)據(jù)傳輸控制方案，很好地滿足了無線虛擬儀器系統(tǒng)對高速無線數(shù)據(jù)通信的要求。測試表明，該方案正確可行、控制軟件穩(wěn)定可靠。