脈沖電信號(hào)時(shí)序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖春晨，王東，黃吳九，趙俊

(四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，四川自貢，643000)

關(guān)鍵字：時(shí)序控制；Qt；嵌入式系統(tǒng)；STM32

0 引言

脈沖電信號(hào)時(shí)序控制技術(shù)是一種用途非常廣泛，近年來越來越多地被應(yīng)用于核物理[1-3]、醫(yī)療[4,5]、生物[6]、地質(zhì)[7-8]等等領(lǐng)域。隨著該系統(tǒng)地應(yīng)用場(chǎng)景日益廣泛，對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)地要求也越來越苛刻，如何保證輸出電平的準(zhǔn)確性和時(shí)效性成了該技術(shù)的關(guān)鍵問題。此前，已有研究人員在解決時(shí)序觸發(fā)控制這個(gè)問題上做了響應(yīng)的研究例如基于DSP 的時(shí)序觸發(fā)控制系統(tǒng)[9-11]，但是這些系統(tǒng)僅完成了脈沖電平時(shí)序信號(hào)發(fā)送功能，沒有對(duì)其簡(jiǎn)潔性，安全性進(jìn)行過多的考量。本文給出了上位機(jī)軟件和下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)際環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)有更高的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主體上可以分為兩個(gè)部分，上位機(jī)軟件部分和下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)部分。上位機(jī)軟件由QT 編寫設(shè)計(jì)，QT 具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，工具豐富，功能完備，同時(shí)還提供了QT 特有的信號(hào)槽機(jī)制，可以很好的降低代碼的耦合性，提升代碼的復(fù)用性。主要用來處理脈沖數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的添加，刪除，修改，通道選擇等等。數(shù)據(jù)在上位機(jī)處理編輯好之后，通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送到下位機(jī)等待輸出命令。下位機(jī)搭載了兩塊STM32 微處理器，與通用性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)功耗更低，可靠性高；功能強(qiáng)大，性價(jià)比高；實(shí)時(shí)性強(qiáng)，支持多任務(wù)；占用空間小，效率高；面向特定應(yīng)用，可根據(jù)實(shí)際需求靈活定制。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出輸出模式的命令之后，下位機(jī)再根據(jù)情況選擇不同的方式將數(shù)據(jù)輸出到中斷設(shè)備中。整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 上位機(jī)(Upper computer)

由于QT 作為一款非常靈活強(qiáng)大的軟件，不僅可以完成后端處理代碼的編輯，也可以完成軟件界面的設(shè)計(jì)工作。通過UI designer 與C++混合編程，或者qml 和c++混合編程，給我們?cè)诮缑嬖O(shè)計(jì)和程序邏輯功能的設(shè)計(jì)上帶來了極大的便利。界面和數(shù)據(jù)邏輯處理之間的通過QT 特有的信號(hào)槽機(jī)制連接起來，只需要給界面上的組件添加相應(yīng)的信號(hào)和對(duì)應(yīng)的槽函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)交互功能，通過簡(jiǎn)單的操作完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理。

上位機(jī)部分主要由這幾個(gè)功能模塊組成：數(shù)據(jù)處理模塊；通信模塊；視圖組織模塊；控制器模塊；文件管理模塊等等。這些模塊互相協(xié)作，比如數(shù)據(jù)處理模塊，視圖組織模塊，控制器模塊構(gòu)成一個(gè)MVC 結(jié)構(gòu)，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和修改，數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊完成數(shù)據(jù)的發(fā)送工作等等。上位機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成見圖2 所示。

圖2 上位機(jī)主要模塊

交互模塊主要處理用戶點(diǎn)擊按鈕的操作，修改數(shù)據(jù)或者展示提示消息，分散于其他各個(gè)模塊中，將其他各個(gè)模塊聯(lián)系再一起，這里就不再詳細(xì)介紹。

下面，將對(duì)其他幾個(gè)模塊進(jìn)行介紹。

2.1 數(shù)據(jù)模塊

該模塊是整個(gè)上位機(jī)的核心模塊，所有的數(shù)據(jù)處理工作均由這個(gè)模塊進(jìn)行處理。QT 本身就提供了對(duì)各種數(shù)據(jù)模型的支持，例如QAbstractItemModel，QAbstractListModel，QabstractTableModel 等，但是這些都不能完全滿足我們的需求，因此選擇繼承QabstractTableModel 并根據(jù)實(shí)際需求添加一些自定義功能。

在該數(shù)據(jù)模型中，數(shù)據(jù)保存在一個(gè)嵌套的向量數(shù)組QVector>中，由此來實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)保存和在表格中的顯示。

這個(gè)數(shù)據(jù)模型有三行N 列，每一列分別代表的是脈沖的起始時(shí)刻，持續(xù)時(shí)間，終止時(shí)刻。

除此之外，還給該數(shù)據(jù)模型添加了批量添加和刪除的接口，方便操作人員對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，節(jié)省時(shí)間。

為了保證輸出電平脈沖的正確性，給系統(tǒng)添加了糾錯(cuò)機(jī)制。在使用批量添加數(shù)據(jù)或者在表格中直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改之后，會(huì)對(duì)判斷新的數(shù)據(jù)是否符合輸出邏輯：這些數(shù)據(jù)反映在波形圖上就是一個(gè)個(gè)方波，當(dāng)檢測(cè)到方波之間有重合或者順序錯(cuò)亂，此次修改將不會(huì)生效，并且彈出對(duì)話框提示操作者數(shù)據(jù)修改失敗。

2.2 視圖模塊

視圖模塊包括數(shù)據(jù)表格和數(shù)據(jù)波形圖。他們分別將數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)以表格和波形圖的形式展現(xiàn)給操作人員。在UI界面上放置一個(gè)QtableView 表格對(duì)象和一個(gè)QcustomPlot對(duì)象。他們分別調(diào)用setModel(QAbstractItemModel *model)和QCPGraph::setData(const QVector &,const QVector< double > &)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)模型的具象化。如圖3所示。

圖3 表格和波形圖

為了方便管理數(shù)據(jù)，還在給表格添加了右鍵菜單，直接點(diǎn)擊目標(biāo)需求的選項(xiàng)，之后在彈出的對(duì)話框中輸入?yún)?shù)，即可完成對(duì)數(shù)據(jù)的修改工作。

2.3 通信模塊

上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)收發(fā)就是通過這一模塊完成的，其通信協(xié)議為TCP 和UDP。由于下位機(jī)有兩塊控制板，所以創(chuàng)建了兩個(gè)用于通信的套接字。QT 自帶QTcpSokcet 和QUDPSocket 庫，使用起來十分方便。上位機(jī)作為客戶端，下位機(jī)作為服務(wù)器，客戶端與服務(wù)器的通信關(guān)系如圖4 所示

圖4 通信關(guān)系圖

創(chuàng)建套接字之后，信號(hào)和數(shù)據(jù)的收發(fā)主要通過以下函數(shù)完成，首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到結(jié)構(gòu)體中，結(jié)構(gòu)體可以按實(shí)際需求來設(shè)置數(shù)據(jù)類型，然后調(diào)用函數(shù)write（const char*data,qint64 len）將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。數(shù)據(jù)接受則主要通過read（char* data,qint64 maxlen）來接受數(shù)據(jù)。發(fā)送過程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送過程

為了保證通信連接的時(shí)效性和穩(wěn)定性，還給系統(tǒng)添加了心跳包機(jī)制，上位機(jī)每隔一秒會(huì)給下位機(jī)發(fā)送一次心跳包，下位機(jī)收到心跳包之后將固定內(nèi)容的信息回復(fù)給上位機(jī)，完成一次通信狀態(tài)查詢。當(dāng)超過十秒未收到來自下位機(jī)的回復(fù)之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)再次斷開與下位機(jī)的通信并嘗試重連，若連接失敗，將會(huì)以對(duì)話框的形式告知使用者。

2.4 文件管理模塊

由于需要使用該系統(tǒng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，因此將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存到本地，以便后期校驗(yàn)和研究。這部分工作主要由QT 的QAxObject 庫完成，新建一個(gè)QAxObject 對(duì)象excel，然后調(diào)用setControl(“Excel.APPlication”) 函數(shù)來建立起與Excel 的聯(lián)系，之后再對(duì)數(shù)據(jù)保存的方式進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好之后最后再調(diào)用函數(shù)dynamicCall()完成保存。可以將現(xiàn)在各個(gè)通道的數(shù)據(jù)以Excel 表格的形式保存到電腦上，同時(shí)也可以在軟件運(yùn)行過程中讀取之前保存的Excel 表格的數(shù)據(jù)并填入到對(duì)應(yīng)的通道中。

2.5 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和發(fā)送

在上位機(jī)中，數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)模型的方式保存并展示的，在和下位機(jī)對(duì)接傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候就存在一個(gè)問題：八個(gè)通道的數(shù)據(jù)以什么樣的形式發(fā)送給下位機(jī)？在數(shù)據(jù)量太大的情況下，如何高效準(zhǔn)確的發(fā)送？

由于電平信號(hào)是以高低電平的方波形式輸出，可以將高電平視為1，低電平視為0。因此可以用二進(jìn)制數(shù)來表示八個(gè)通道的狀態(tài)，八位二進(jìn)制數(shù)正好可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)。以圖6 所示。

圖6 通道狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖

有了這樣的轉(zhuǎn)化方法，就可以將任意時(shí)刻的通道狀態(tài)以一個(gè)16 進(jìn)制方式發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)再將這個(gè)十六進(jìn)制數(shù)解析為二進(jìn)制數(shù)，即可得到每個(gè)通道的放電狀態(tài)。

除了要知道每個(gè)通道在任意時(shí)刻的狀態(tài)，還需要知道這個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，因此上位機(jī)除了給要發(fā)送這個(gè)16 進(jìn)制數(shù)，還需要發(fā)送一個(gè)int 類型數(shù)據(jù)，表示當(dāng)前通道的狀態(tài)持續(xù)多少秒，再轉(zhuǎn)化為下一個(gè)放電狀態(tài)，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包被封裝為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)容如下：

3 下位機(jī)(Lower computer)

由于整個(gè)系統(tǒng)涉及到大量數(shù)據(jù)的傳輸，上位機(jī)下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信，大量數(shù)據(jù)的處理，信號(hào)處理等功能，這就需要有一款合適的硬件設(shè)備來滿足這些需求，而STM32 恰好具備這些條件，具有高性能，高實(shí)時(shí)性，集成度高，易于開發(fā)的特性，因此選擇STM32 作為下位機(jī)硬件支撐。

下位機(jī)由兩塊STM32 微處理器構(gòu)成，其中一塊用于和接受處理上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)（主控芯片），并將其保存在SARM 中等待觸發(fā)命令，觸發(fā)命令分為兩種，一種是來自上位機(jī)的輸出命令，另一種是手動(dòng)點(diǎn)擊下位機(jī)上的輸出按鈕，收到輸出命令之后，將保存在下位機(jī)中的數(shù)據(jù)輸出給終端設(shè)備。另一塊主要負(fù)責(zé)通信（從控芯片），當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的心跳包之后，發(fā)送信息到主控芯片，查詢主控芯片的狀態(tài)，主控芯片的狀態(tài)即為下位機(jī)控制器的狀態(tài)，主控芯片在接收到從控芯片的請(qǐng)求之后，會(huì)將當(dāng)前的狀態(tài)發(fā)送給從控芯片，再由從控芯片發(fā)送給上位機(jī)，做到實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前下位機(jī)的狀態(tài)信息。

3.1 時(shí)序控制系統(tǒng)硬件電路圖

下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)主要由兩塊STM32 控制板構(gòu)成，主要完成數(shù)據(jù)接受，數(shù)據(jù)處理，輸出輸出，信息反饋，命令接受等工作。下位機(jī)主控芯片，由3 塊STM32 組成，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)接收、發(fā)送以及控制等功能，如圖7 所示。

圖7 主控芯片圖

主控芯片供電以及通信接口電路圖如圖8 所示。

圖8 供電以及通信接口電路圖

這部分主要是給下位機(jī)供電，以及和上位機(jī)通信。

3.2 功能模塊實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)主要由以下兩個(gè)功能模塊組成：數(shù)據(jù)傳輸模塊，命令通信模塊。下面將仔細(xì)介紹這些模塊完成的工作和實(shí)現(xiàn)方法。

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要用于從上位機(jī)接受數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)輸出到終端設(shè)備中。控制板有兩個(gè)DMA，每個(gè)DMA 有8 個(gè)數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流有多達(dá)8 個(gè)通道。用于在外設(shè)與存儲(chǔ)器之間以及存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間提供一種高速數(shù)據(jù)傳輸方式。它在實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)移動(dòng)過程中無需任何CPU 的操作控制，從硬件層次來說，DMA 控制器是可以快速移動(dòng)于Cortex-M4 內(nèi)核的，通過硬件方式為RAM 與I/O 設(shè)備提供一條直接傳送數(shù)據(jù)的通道。

當(dāng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送過來的時(shí)候，下位機(jī)便開始接受數(shù)據(jù)，每一次接收到的數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分，第一個(gè)部分表示的是狀態(tài)，將這個(gè)數(shù)據(jù)解析為一個(gè)16 進(jìn)制的數(shù)，這個(gè)16 進(jìn)制的數(shù)就代表著當(dāng)前8 個(gè)通道的電平狀態(tài)。第二部分是一個(gè)整數(shù)，無需額外解析，這個(gè)數(shù)就代表這個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。通過收取多組數(shù)據(jù)，即可得到一系列脈沖波形的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)保存在外部的SRAM 中，存儲(chǔ)大小可以根據(jù)具體的需求來設(shè)計(jì)。

此外，數(shù)據(jù)傳輸采用兩塊STM32F407ZGT6 單片機(jī)作為控制器的微處理器，實(shí)現(xiàn)兩種輸出模式切換功能，一種是由上位機(jī)觸發(fā)脈沖方波，一種是通過外部輸入的兩路高低電平信號(hào)來觸發(fā)脈沖方波。當(dāng)接收到輸出命令之后，主控芯片便將之前接受到的數(shù)據(jù)以高低電平的形式發(fā)送到終端設(shè)備商，可以同時(shí)輸出8 路脈沖方波，能夠輸出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的脈沖波形，做到輸出波形誤差小，實(shí)時(shí)性高，數(shù)據(jù)傳輸模塊的流程圖如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖

3.2.2 命令通信模塊

通信模塊采用LWIP 協(xié)議，在保持TCP 協(xié)議的主要功能基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM 的占用，它只需要十幾KB 的RAM 和40K 左右的ROM 即可運(yùn)行，非常適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。LWIP 協(xié)議提供了專門的內(nèi)部回調(diào)函數(shù)接口（Raw API），用于提高程序性能，還提供包括阻塞機(jī)制，RTT 估算，快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸控制協(xié)議，保證命令和數(shù)據(jù)的傳輸效率和準(zhǔn)確度。

將控制器作為服務(wù)端，上位機(jī)作為客戶端，通過上位機(jī)來建立連接，用一塊STM32F407ZGT6 單片機(jī)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)脈沖方波的數(shù)據(jù)并輸出脈沖波形（做主控芯片），另一塊負(fù)責(zé)切換控制器的觸發(fā)模式，并設(shè)計(jì)了心跳機(jī)制，上位機(jī)會(huì)定期發(fā)送信號(hào)到另一塊STM32F407ZGT6 單片機(jī)控制板（從控芯片）查詢主控芯片控制板的狀態(tài)，主控芯片通過8 路I/O 將其狀態(tài)發(fā)送給從控芯片，主控芯片的狀態(tài)即為控制器的運(yùn)行狀態(tài)，然后再通過LWIP 協(xié)議將信息返回給上位機(jī)，并在上位機(jī)的狀態(tài)欄中以文本的形式顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

命令通信模塊的流程圖和硬件實(shí)物圖分別如圖10 和圖11 所示。

圖10 通信模塊流程圖

圖11 實(shí)物圖

4 系統(tǒng)測(cè)試(System test)

4.1 測(cè)試方法和說明

在上位機(jī)上設(shè)置好對(duì)應(yīng)通道的輸出波形參數(shù)，包括起始時(shí)刻，高電平持續(xù)時(shí)間，周期以及脈沖數(shù)量，主要測(cè)試了各個(gè)通道的其起始時(shí)刻是否準(zhǔn)確，測(cè)試了下位機(jī)相應(yīng)通道的輸出波形高電平持續(xù)時(shí)間，驗(yàn)證了使能信號(hào)對(duì)輸出波形的截?cái)喙δ堋?/p>

若無特殊說明，圖12 中的4 條線分別表示：1 號(hào)標(biāo)簽（黃色線）為使能信號(hào)；2 號(hào)標(biāo)簽（淺藍(lán)色線）為使能信號(hào)；3 號(hào)標(biāo)簽（紅色線）和4 號(hào)標(biāo)簽（深藍(lán)色線）為通道信號(hào)。

圖12 測(cè)試說明圖

①每一個(gè)小方格代表的時(shí)間；

②如圖中示波器紅色豎線距離觸發(fā)信號(hào)跳變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)間間隔；

③光標(biāo)A 對(duì)應(yīng)的時(shí)間刻度；

④光標(biāo)B 對(duì)應(yīng)的時(shí)間刻度；

⑤光標(biāo)A、B 之間的時(shí)間間隔。

4.2 測(cè)試結(jié)果

由于示波器通道限制，每個(gè)示波器只能顯示兩個(gè)通道的脈沖電平的波形，因此取通道一和通道二來展示測(cè)試結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)一：通道一和通道二設(shè)置的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 第一組測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果如圖13 和圖14 所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)1 中通道1（紅色）、通道2（深藍(lán)）的起始時(shí)刻

圖14 實(shí)驗(yàn)1 中通道1（紅）、通道2（深藍(lán)）最后一個(gè)起始時(shí)刻

從示波器測(cè)試結(jié)果可以看出通道1、2 的起始時(shí)刻分別為0.206ms、0.306ms，高電平持續(xù)時(shí)間為0.1ms，實(shí)際輸出的波形時(shí)刻相對(duì)于設(shè)置的時(shí)刻誤差為6。最后一個(gè)上升沿時(shí)刻如圖所示，通道1、2 的第五個(gè)上升沿時(shí)刻分別為4.205ms，4.305ms，誤差為5。

實(shí)驗(yàn)二：通道一和通道二設(shè)置的數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 第二組測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果如圖15 和圖16 所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)2 中通道1（紅）、通道2（深藍(lán)）的起始時(shí)刻

圖16 實(shí)驗(yàn)2 中通道1（紅）、通道2（深藍(lán)）最后一個(gè)起始時(shí)刻

從示波器測(cè)試結(jié)果可以看出通道1、通道2 的起始時(shí)刻分別為10.006ms、10.106ms，誤差為66；高電平持續(xù)時(shí)間均為0.5ms。最后一個(gè)上升沿時(shí)刻如圖4-5 所示，通道1、通道2的第五個(gè)上升沿時(shí)刻分別為50.005ms、50.105ms，誤差為5。

5 總結(jié)

本文介紹了一套由QT 編輯的上位機(jī)軟件和STM32 微處理器構(gòu)成的可支持多通道的脈沖電平輸出時(shí)序控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)輸出電平信號(hào)的方式是先將預(yù)先設(shè)置好的數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機(jī)，等待下位機(jī)接受完所有數(shù)據(jù)之后，等待觸發(fā)信號(hào)，接收到觸發(fā)信號(hào)之后才會(huì)開始按預(yù)先的設(shè)置輸出電平信號(hào)。避免了實(shí)時(shí)輸出方式(一邊從上位機(jī)接受數(shù)據(jù)一邊輸出電平信號(hào))會(huì)因?yàn)樯衔粰C(jī)發(fā)送或者下位機(jī)接受數(shù)據(jù)受網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)的延遲而影響輸出精度。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)輸出延時(shí)誤差已經(jīng)降低至5 左右，大大提升了電平脈沖信號(hào)的精度。