基于光傳感實時信息的人機交互系統(tǒng)設計

楊洪萬

(山東師范大學 信息化工作辦公室, 山東 濟南 250014)

0 引言

光纖傳感技術在通信技術發(fā)展中起到了重要作用，在光纖傳感技術中，主要將光波作為傳感信號，與傳統(tǒng)的電磁類傳感相比，光纖傳感具有明顯的優(yōu)勢，由于光纖是絕緣體并且能夠通過光波傳輸信息，這使得光纖傳感可以在各種惡劣環(huán)境下使用，具有很高的測量速度[1-3]。這些優(yōu)點使得光纖通信使用范圍非常廣泛，特別是在遠程人機交互系統(tǒng)中，在實際應用中展現出了光纖傳感技術的突出優(yōu)勢。

光纖傳感技術應用在各個領域進行數據采集時，遠程人機交互系統(tǒng)作為輔助，實現遠程的交互控制，通過人機交互系統(tǒng)即可實現對數據采集參數的設置及初始化，以及對數據傳輸的控制，同時也能將采集數據的結果通過交互界面展示出來[4-6]。

目前，比較常見的遠程人機交互系統(tǒng)有基于SOC芯片、Qt技術和μC/OSⅢ技術的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在進行光纖數據傳輸時，受到現場電磁干擾比較嚴重，數據存在傳輸異常情況，并且通信質量也受到了影響，其整體應用性能比較差[7-9]。因此，提出光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)設計，解決上述中存在的問題。

1 光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由兩部分構成：VGA顯示模塊、讀寫控制模塊。系統(tǒng)硬件總體框圖,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖

圖1中，系統(tǒng)硬件設計包括VGA顯示模塊和讀寫控制模塊，其中VGA顯示模塊接口協(xié)議的顯示模式分為SXGA、UXGA和VGA三種，讀寫控制模塊的光纖數據存儲空間分為兩塊，一塊是從地址0開始的區(qū)域，另一塊是地址30′d1000000開始的區(qū)域，主要完成DDR數據的讀寫和DDR數據的讀出。

1.2 VGA顯示模塊設計

VGA是視頻圖像陣列的縮寫，應用于單色和彩色圖像顯示，在遠程人機交互硬件設計上，設計VGA顯示模塊，通過逐行掃描將數據顯示出來。VGA作為標準顯示接口，有3排共15個針，能夠實現對同步信號、場同步信號和RGB三種顏色信號的處理[10]。其接口協(xié)議的顯示模式往往通過刷新頻率及分辨率的差異區(qū)分，主要分為SXGA、UXGA和VGA 3種，每種顯示模式按照其時序要求的差別有嚴格的標準。在系統(tǒng)硬件設計上，選用常見的RGB565，VGA圖像顯示采樣1 024×768像數，調用XILINX的PLL IP產生。VGA的行時序和場時序,如圖2所示。

數據顯示程序按照VGA的時序，將數據轉化為像數，再輸出到VGA的紅綠藍數據線上[11]。該模塊輸入端口分別是v_clk，v_rst和ddr_data[127∶0]，輸出端是v_hsync、v_vsync、v_r：RGB、v_g：RGB和v_b：RGB。

1.3 讀寫控制模塊設計

VGA顯示模塊需要存儲器對數據進行緩存和控制器控制數據的讀寫。在讀寫控制模塊選用FPGA進行開發(fā)設計，其核心芯片為xc6slx16，選用Spanrtan-6 LXT高速串行收發(fā)器作為輔助，支持多種接口格式，按照數據類型進行獨自的處理，實現數據存儲的高速讀寫[12]。對于數據的緩沖，選擇型號為MT41J64M16LA-187E的高速DDR DRAM作為緩存芯片，具有4個BANK，其中與FPGA芯片相連的是BANK3，通過配置可以使數據讀寫速度達到666 Mb/s。

光纖數據經過轉換后，通過VGA接口轉換成圖像顯示在人機界面上，在數據傳輸中，直接對像素進行計數，像素信息轉換成RGB信號，實現圖像顯示。

設計的讀寫控制模塊主要完成DDR數據的讀寫和DDR數據的讀出，受到光纖高速數據傳輸的要求，其數據讀出為Burst方式，一次讀出64個相同大小的數據[13]。同時，將光纖數據存儲空間分為兩塊，一塊是從地址0開始的區(qū)域，另一塊是地址30′d1000000開始的區(qū)域，當地址0開始的區(qū)域作為光纖數據存儲的時候，地址30′d1000000的區(qū)域作為展示圖像的讀模塊，這樣數據讀和寫被分成了兩部分，提高了光纖數據的傳輸速度。

基于設計的VGA顯示模塊和讀寫控制模塊即實現了系統(tǒng)人機交互界面的設計，設計軟件部分。

2 光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分主要包括數據庫用表設計和交互數據傳輸機制設計。系統(tǒng)軟件總體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件總體框圖

2.2 數據庫用表設計

在系統(tǒng)設計中，選用MySQL數據庫，根據系統(tǒng)實際內容和功能設計數據庫用表，在設計過程中，針對臨時存儲數據創(chuàng)建臨時表，針對數據進行輸出和其他操作產生的數據創(chuàng)建中間表，針對長期使用的數據或原始數據，創(chuàng)建基本表進行管理，在基本表中字段是不可再劃分的[14]。

在MySQL軟件上創(chuàng)建人機交互所使用的數據表，一種是用來存放光纖數據采集參數的參數配置表，另一種是數據存儲表，主要存放采集的光纖數據[15]。參數配置表如表1所示。

表1 參數配置表

在人機交互系統(tǒng)中，考慮到需要處理的數據量比較龐大，因此使用二進制數據類型作為數據存儲類型。數據存儲表的屬性分別是時間、數據、數據個數、屬性和位置[16]。在系統(tǒng)訪問數據庫時，采用最通用的ODBC規(guī)范訪問。

2.3 交互數據傳輸機制設計

遠程人機交互系統(tǒng)的本質是將光纖數據顯示在交互界面上，用戶通過人機交互達到控制數據變化的目的。數據傳輸需要依賴接收方與發(fā)送方的通信[17-18]。在系統(tǒng)軟件設計部分，主要針對多方通信的情況，采用MODBUS-TCP協(xié)議，規(guī)定每個控制器的設備地址，發(fā)送方和接收方采用RS485進行通信控制，在TCP/IP協(xié)議層中，數據鏈路層具有數據幀的校驗性能，因此在MODBUS-TCP協(xié)議的數據幀格式當中省略校驗。在MODBUS-TCP協(xié)議的支持下，采用主動數據傳輸機制作為系統(tǒng)的通信機制[19-20]，該傳輸機制定義了基于數據幀的傳輸方式，實現了從發(fā)送端到接收端的數據復制粘貼。在進行遠程數據傳輸時，該傳輸機制被觸發(fā)，從而實現遠程傳感與人機交互系統(tǒng)實時同步動作，此時用戶可通過人機界面操作光纖數據，對于遠程數據，通過遠程幀來實現同步數據的傳輸，從而達到減少實時性傳輸消耗的目的。

將以上軟件設計與硬件設計結合在一起，完成光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)的設計。

3 光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)性能測試

3.1 測試環(huán)境搭建

在遠程人機交互系統(tǒng)性能測試中，搭建的測試環(huán)境中包含了完整的狀態(tài)機邏輯、時鐘產生邏輯、數據傳輸模擬邏輯和復位邏輯等。其中，時鐘產生邏輯用于產生系統(tǒng)測試中所需要的時鐘。測試環(huán)境搭建完成后，使用ModelSIM仿真軟件仿真出系統(tǒng)運行的狀態(tài)機，考慮到設計的遠程人機交互系統(tǒng)中使用了FPGA硬件，在使用ModelSIM時，采用ISE自身的仿真庫編譯工具進行編譯。仿真庫編譯導向圖,如圖4所示。

圖4 仿真庫編譯導向

在仿真編譯時，分別設置好軟件參數，等待庫編譯完成即可。仿真環(huán)境搭建完畢后即可建立相關工程對系統(tǒng)進行功能測試。

3.2 Wireshark抓包測試

對于遠程人機交互系統(tǒng)的實際性能，很難從硬件描述語言上來描述其水平，為了驗證設計的遠程人機交互系統(tǒng)的可靠性，使用Wireshark抓包工具抓取傳輸的數據與原始數據對比，分析在傳輸中數據是否有損失。在進行上述測試的同時，引用傳統(tǒng)的基于SOC芯片的遠程人機交互系統(tǒng)、基于Qt的遠程人機交互系統(tǒng)和基于μC/OSⅢ技術的遠程人機交互系統(tǒng)，將其在相同的測試條件下進行遠程數據傳輸，根據測試結果分析各個系統(tǒng)的實際性能。

通過網線將計算機與開發(fā)板連接在一起，使用網絡調試助手發(fā)送數據，打開Wireshark開始抓包。待網絡調試助手完成計算機與開發(fā)板之間的光纖數據的傳輸后，采用回環(huán)結構將接收到的數據發(fā)回到計算機，將抓包數據與返回的數據相對比判斷系統(tǒng)數據傳輸性能。測試過程中，開發(fā)板IP地址為192.168.1.102，計算機的IP地址為192.168.1.101，端口號為8081。

在測試完成后，整理測試結果，具體內容如圖5所示。對比觀察圖5中結果，可以知道如下信息。

(1) 圖5(a)中顯示，數據發(fā)送計數與接收計數并不相同，并且在數據顯示區(qū)域，接收的數據與發(fā)送的數據不一致，接收的數據不僅缺少數據，而且存在重復數據；

(a) VGA行時序

(a) 基于SOC芯片的人機交互系統(tǒng)

(2) 圖5(b)中結果同樣發(fā)送數據與接收數據的計數不相等，只是在接收數據中沒有出現重復數據；

(b) VGA場時序

(b) 基于Qt的人機交互系統(tǒng)

(3) 圖5(c)中顯示，接收數據與發(fā)送數據計數相等，但是在接收數據區(qū)域中數據接收的順序與發(fā)送數據并不一致，數據順序被打亂；

(c) 基于μC/OSⅢ技術的人機交互系統(tǒng)

(4) 圖5(d)中顯示，發(fā)送數據與接收數據計數相等，并且接收數據與發(fā)送數據內容一致。

(d) 光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)

綜上所述，提出的光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)數據傳輸更可靠。

3.3 信噪比測試及分析

基于抓包結果計算出不同遠程人機交互系統(tǒng)在通信過程中的信噪比，信噪比是通信信號與噪聲的比值，信噪比越大，通信質量越好，反之，通信質量越差。信噪比計算式如式(1)—式(3)。

Pj=E[x2(t)]

(1)

(2)

(3)

式中，SNR表示信噪比;Pj表示信號交流功率;Pn表示噪聲功率;x(t)表示隨機信號;E表示直流分量;u表示量化區(qū)間。

計算結果如表2所示。

表2 不同人機交互系統(tǒng)的信噪比測試結果

表中RBM表示分辨率帶寬，在測試前設置不同的分辨率帶寬測試不同的人機交互系統(tǒng)。從表中數據可以看出，隨著分辨率帶寬的增加，人機交互系統(tǒng)的信噪比呈倍數增加；縱向對比各個系統(tǒng)的信噪比可知，提出的遠程人機交互系統(tǒng)信噪比更高，傳統(tǒng)的人機交互系統(tǒng)信噪比比較低。結合Wireshark抓包測試結果可知，設計的光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)數據傳輸可靠，通信質量高，其整體應用性能遠高于傳統(tǒng)的遠程人機交互系統(tǒng)。

4 總結

本文就光纖高速度數據傳輸的遠程人機交互系統(tǒng)進行了研究，根據光纖高速度數據傳輸的特點，設計了具有針對性的遠程人機交互系統(tǒng)，取得了一些成果。并在系統(tǒng)設計完成后，設計了多項對比測試，測試結果證明了提出的遠程人機交互系統(tǒng)的可靠性和高應用性。但是由于時間倉促、水平有限，設計的系統(tǒng)尚有進步的空間，如光纖數據的自動轉換問題，這一問題在后續(xù)研究中將作為研究重點進行分析與解決。