基于-LabVIEW-RT-的實時數(shù)據(jù)采-集傳輸網(wǎng)絡(luò)

1、基于 LabVIEW RT 的實時數(shù)據(jù)采 集/傳輸網(wǎng)絡(luò) ""本文利用虛擬儀 器簡便高效的特點， 把圖形化編程應(yīng)用在 仿真領(lǐng)域。利用 LabVIEW RT組件的工作方式 的各種優(yōu)點，以較低 的代價和較高的效率 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò) 的組建。"" - 太陽 劉, 洪 慶高技術(shù)研究中心 The Challenge: 實現(xiàn)半實物仿真中數(shù) 據(jù)的實時采集和傳 輸。 The Solution: 采用RT的工作方 式，應(yīng)用反射內(nèi)存 （Reflective Memory）和 NI數(shù)據(jù)采集卡 PCI-6036E 構(gòu)建實時數(shù)據(jù)采集/ 傳輸網(wǎng)絡(luò)。以圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖Autho

2、r (s):太陽 劉 - 洪慶 高技術(shù)研究中心1.  總體介紹文中所討論系統(tǒng)為我單位與兵器工業(yè)公司某研究所合作開發(fā)的高速實時數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，工作環(huán)境為某復(fù)雜系統(tǒng)的半實物仿真。根據(jù)實際工作方式，對傳輸網(wǎng)絡(luò)提出的相應(yīng)要求包括：1）功能上，要求數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點（NODE）之間流通，包含數(shù)據(jù)采集（DAQ）功能，且采集后數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳送至網(wǎng)絡(luò)中；2）性能上，要求數(shù)據(jù)延遲指標為傳送400個浮點數(shù)時，傳輸延遲不大于0.5毫秒等。結(jié)合系統(tǒng)性能需求，經(jīng)過調(diào)查研究后我們采用了“使用GE公司的反射內(nèi)存卡VMIPCI- 5565構(gòu)建主體網(wǎng)絡(luò)，使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6036E實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用

3、NI公司的LabVIEW Real-Time模塊進行系統(tǒng)軟件開發(fā)”的總體方案。VMIPCI-5565 是VMIC公司生產(chǎn)的基于PCI總線的專用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)產(chǎn)品，采用基于高速網(wǎng)絡(luò)的共享存儲器技術(shù)實現(xiàn)。另外，由于使用光纖進行數(shù)據(jù)的傳輸，不存在電磁輻射，數(shù)據(jù)的傳輸不會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。VMIPCI-5565采取了高性能的Hub（網(wǎng)絡(luò)集線器）結(jié)構(gòu)配置成實時網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)多達256個節(jié)點的計算機內(nèi)存共享，可以實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)通信。而LabVIEW的實時組件LabVIEW Real-Time（RT）則是為了滿足測控領(lǐng)域中日益增多的實時性需求而專門設(shè)計的。

4、它采用了宿主計算機與目標計算機相互獨立、在目標計算機上運行實時操作系統(tǒng)并可與宿主計算機進行實時通信的運行方式，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。同時宿主機可以具有多目標計算機控制/開發(fā)功能，具有較好的靈活適用性。因此，LabVIEW RT系統(tǒng)在開發(fā)分布式實時系統(tǒng)中具有很大的優(yōu)勢。 2.  系統(tǒng)實現(xiàn)2.1 硬件組建系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)以VMIPCI-5565網(wǎng)絡(luò)為構(gòu)架，各節(jié)點計算機/模塊均安裝有一塊反射內(nèi)存卡，節(jié)點間通過對應(yīng)光纖連接以實現(xiàn)實時快速的數(shù)據(jù)傳輸。開發(fā)/控制計算機功能上處于網(wǎng)絡(luò)中心位置，通過TCP/IP與對應(yīng)節(jié)點計算機連接，組成LabVIEW

5、 RT典型的主-從機結(jié)構(gòu)，同時具有實時監(jiān)控各節(jié)點的運行狀態(tài)并根據(jù)程序發(fā)送相應(yīng)控制指令等功能。其中，數(shù)據(jù)采集（DAQ）節(jié)點是由開發(fā)控制計算機和安裝了數(shù)據(jù)采集卡PCI-6036E的工控機組成的常見LabVIEW RT主從機形式。如圖2所示，宿主機和RT目標機分別運行LabVIEW環(huán)境和LabVIEW實時系統(tǒng)，在主機上進行所有程序的開發(fā)并結(jié)合RT計算機調(diào)試，完成后下載到RT目標計算機上運行。根據(jù)應(yīng)用情況不同，宿主機可以實時監(jiān)控RT目標計算機的數(shù)據(jù)采集情況，也可以轉(zhuǎn)而進行其它操作和開發(fā)。LabVIEW Rt的這種工作方式具有很好的靈活性，為工程提供了較大的方便。2.2 軟件實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的開發(fā)

6、具有多種方式的選擇，主要取決于實際應(yīng)用的需求?；鹃_發(fā)模式是有開發(fā)/控制計算機作為宿主機，各節(jié)點計算機/模塊作為RT 目標（Target），同時安裝相應(yīng)LabVIEW RT組件，利用LabVIEW RT的開發(fā)方式進行軟件開發(fā)。即在宿主機上進行所有軟件程序的編制編譯調(diào)試，然后下載到各目標節(jié)點上運行。此種方式可以充分利用圖形化編程語言LabVIEW的高效性，較快地實現(xiàn)工程。另一種方式是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分節(jié)點采取LabVIEW RT方式開發(fā)，其余節(jié)點采取通用編程語言（C、VC+等）開發(fā)，即設(shè)置專用的外部網(wǎng)絡(luò)接口節(jié)點，這樣可以增強網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的兼容性。但這種方案需考慮不同節(jié)點之間數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的制定

7、問題，RT操作系統(tǒng)問題等，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。綜合起來，系統(tǒng)軟件開發(fā)還是以節(jié)點的功能配置為基礎(chǔ)的。其開發(fā)示意如圖3所示。3.  兩個關(guān)鍵問題作為一個實時網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議是影響網(wǎng)絡(luò)實時性能的兩個關(guān)鍵因素。為盡力提升本網(wǎng)絡(luò)的實時性能，系統(tǒng)開發(fā)時對這兩方面進行了深入研究，這主要體現(xiàn)在對反射內(nèi)存Hub的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對節(jié)點功能配置的影響和優(yōu)化利用，反射內(nèi)存在LabVIEW RT下的驅(qū)動等問題的研究。3.1  VMIACC-5595的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及對系統(tǒng)節(jié)點功能配置的影響VMIACC-5595是系統(tǒng)所選用的反射內(nèi)存VMIPCI-5565標配的8口集線器，通過其組建的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的外部

8、連接方式為星形。然而通過研究其內(nèi)部原理圖發(fā)現(xiàn)，其實際是個數(shù)據(jù)單向流通的雙環(huán)形的連接方式。如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同節(jié)點之間以及不同方向的傳輸路徑長度并不相等，因而會對傳輸時延產(chǎn)生影響?？梢?，在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時需要著重考慮節(jié)點3和節(jié)點0、節(jié)點7和節(jié)點4的內(nèi)在關(guān)系。應(yīng)根據(jù)節(jié)點對數(shù)據(jù)的要求來配置節(jié)點的位置，若節(jié)點以發(fā)送數(shù)據(jù)為主則應(yīng)配置在3或7節(jié)點，這樣可以有較多的節(jié)點能以最短路徑接收到數(shù)據(jù)；而以接收處理為主要任務(wù)的節(jié)點則應(yīng)配置在4或0節(jié)點，可以在最短時間內(nèi)接受更多節(jié)點的數(shù)據(jù)。而且，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在向其它網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)或集中數(shù)據(jù)處理節(jié)點時，這點的考慮就會更加重要。下文在系統(tǒng)性能測試時對此論斷進行了相應(yīng)檢驗。實

9、驗證明，不同配置的網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點間傳輸100個32位精度數(shù)據(jù)時耗時差異在10微秒級，而隨著數(shù)據(jù)量的增加時間差異會更加顯著。3.2  LabVIEW Rt下反射內(nèi)存驅(qū)動函數(shù)的應(yīng)用對于反射內(nèi)存卡VMIPCI-5565，NI提供了其在LabVIEW （RT）環(huán)境下的驅(qū)動函數(shù)。與普通LabVIEW環(huán)境下的驅(qū)動函數(shù)無異，其直接基于基層VISA寄存器操作函數(shù)編制而成。在利用其進行數(shù)據(jù)處理尤其是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，需要事先對數(shù)據(jù)進行處理。因為其讀寫函數(shù)均是以無符號數(shù)作為默認操作數(shù)據(jù)，而無法直接發(fā)送浮點數(shù)據(jù)。一般情況下，解決此問題采取的方法是字符字節(jié)轉(zhuǎn)換法，即是利用data flattern.vi函數(shù)

10、把數(shù)據(jù)預(yù)先轉(zhuǎn)化為字符型數(shù)據(jù)串（Unsigned 8）再發(fā)出（此時又分兩種情況，有適用于連續(xù)數(shù)據(jù)的單點轉(zhuǎn)換方式和適用于定量序列的向量轉(zhuǎn)換方式），接收端再通過相反的方法轉(zhuǎn)換回原始數(shù)據(jù)。而在系統(tǒng)開始中同時也提出了另一種附帶標示位的發(fā)送方式，即把浮點數(shù)據(jù)判斷正負后設(shè)置代表負數(shù)的標志位，再通過一個固定的數(shù)學(xué)變換全部轉(zhuǎn)換成整形數(shù)據(jù)，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和對應(yīng)標志位數(shù)據(jù)一同發(fā)送，接收后再結(jié)合標志位進行數(shù)據(jù)反變換即可還原數(shù)據(jù)。兩種轉(zhuǎn)換方法分別如圖5、6所示?？梢姷谝环N方法把一個32位浮點數(shù)變成了4個8位整型數(shù)來發(fā)送，而第二種方式增加了一倍的數(shù)據(jù)量，但完成一個數(shù)據(jù)發(fā)送卻用單點讀寫方式發(fā)送兩次。于是可根據(jù)具體應(yīng)用情況對

11、轉(zhuǎn)換方法加以選擇應(yīng)用。此外，在系統(tǒng)各個模塊的軟件開發(fā)中都注意到了盡力提高軟件運行效率的問題。無論是在主從-機通訊協(xié)議和節(jié)點間、網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的制定，還是以具實際應(yīng)用對具體數(shù)據(jù)采集（DAQ）函數(shù)的改良優(yōu)化，以及相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接方式的選擇都盡力實現(xiàn)了軟件性能優(yōu)化和界面人性化的結(jié)合。進而從各方面都促進了整個系統(tǒng)的實時性能提升。4.  系統(tǒng)工作方式本系統(tǒng)主要實現(xiàn)實時/半實物仿真中的實時數(shù)據(jù)通訊，其工作方式也根據(jù)實際應(yīng)用有所不同。基本工作模式是由開發(fā)/控制計算機作為主控臺，控制數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集數(shù)據(jù)并向網(wǎng)絡(luò)指定節(jié)點發(fā)送。而根據(jù)需要也可以把網(wǎng)絡(luò)中某一下載了主控程序的節(jié)點計算機作為主控臺，空出開發(fā)/

12、控制計算機于用其它工作。由于在軟件中所有狀態(tài)及控制參數(shù)均通過反射內(nèi)存?zhèn)鬏敚W(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點均可按照通訊協(xié)議實現(xiàn)對其它可控制節(jié)點的控制，所以整個系統(tǒng)具有較大的靈活性。另外，作為對系統(tǒng)的附加要求，本通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了相應(yīng)的外網(wǎng)接口節(jié)點。即通過一定的通訊協(xié)議設(shè)置，可以實現(xiàn)不同通訊網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。此時，又使得網(wǎng)絡(luò)具有較好的兼容性。經(jīng)測試，網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸時延合乎用方要求。 5.  結(jié)論本系統(tǒng)經(jīng)過檢驗測試，現(xiàn)已在具體應(yīng)用中發(fā)揮作用。而在整個工程的開發(fā)過程中，通過引入虛擬儀器理念，我們充分體會到了利用圖形化編程進行開發(fā)的高效性和低成本的優(yōu)點。整個網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定，性能良好，達到了用方要求。且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明了，機制清晰，可維護性好，具備良好的擴展性。對比以前工程經(jīng)驗，此次在很短的時間內(nèi)取得了很好的效果，為以后的工程提供了相當(dāng)有益的參考。2/5圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖 圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點 結(jié)構(gòu)圖 3/5圖3 系統(tǒng)軟件開發(fā) 流程 圖4 簡化的 VMIACC- 5595內(nèi)部結(jié)構(gòu) 4/5圖5 字符字節(jié)轉(zhuǎn)換 方法 圖6 附加標示位法 Legal This case study (this "case study") was developed by a National Instrum