摘   要：為了解決接收機自動測試系統(tǒng)中由于系統(tǒng)時延與數(shù)據(jù)緩沖給測試過程中的時間同步與數(shù)據(jù)對齊帶來的一系列難題,，提高測試系統(tǒng)的精度，本文對傳統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)進行了優(yōu)化,。以LabVIEW為平臺開發(fā)了獨立于主工控機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，并對數(shù)據(jù)緩沖問題提出了解決方案。試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)較好地解決了時延與數(shù)據(jù)對齊問題,，達到了預(yù)期目標,。
關(guān)鍵詞： 接收機測試; LabVIEW RT;  數(shù)據(jù)采集

    隨著全球經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)航被廣泛應(yīng)用在運輸車輛監(jiān)控,、服務(wù)示范系統(tǒng)工程,、石油探測、航天測試系統(tǒng)等方面,用于接收,、跟蹤,、變換和測量導(dǎo)航信號的接收設(shè)備——導(dǎo)航接收機也被應(yīng)用在各種服務(wù)、追蹤,、測試等系統(tǒng)中,。
    在一些對精度及可靠性要求比較高的系統(tǒng)中，一方面接收機的精度和不確定度評估直接影響了測試驗證的可信度,；另一方面隨著使用時間及機械損耗,，接收機的精度會受到一定的影響，為此需要對接收機進行定期標校,。
    一般的接收機自動測試系統(tǒng)[1]大都把原始數(shù)據(jù)與接收機接收數(shù)據(jù)進行對比,，在此過程中往往忽略了由于操作系統(tǒng)的非實時性帶來的時延以及數(shù)據(jù)緩沖處理給發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的對齊造成的誤差。
    本文在對接收機自動測試系統(tǒng)的構(gòu)架進行簡單介紹的基礎(chǔ)上,，著重研究如何采用LabVIEW RT 實時系統(tǒng)解決上述問題,。
1 測試系統(tǒng)架構(gòu)
    傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機自動測試系統(tǒng)[2]如圖1所示。

    工控機記錄并通過GPIB總線控制信號源的輸出[3],；通過天線或射頻信號,，信號源將產(chǎn)生的信號發(fā)送給接收機；接收機接收信號源生成的各類信號并通過429總線將接收的信號傳遞給工控機；工控機最終將接收機接收到的信號與信號源發(fā)射信號進行對比,，給出接收機誤差補償,。
    這一方法在理論上成立，在設(shè)計和實現(xiàn)的過程中卻會因操作系統(tǒng)的非實時性和接收數(shù)據(jù)過程中的數(shù)據(jù)緩沖,，給最終數(shù)據(jù)對比時的時間同步和數(shù)據(jù)對齊帶來問題,，進一步影響系統(tǒng)精度。
    為了解決這一問題,，本文對傳統(tǒng)接收機自動測試系統(tǒng)進行了優(yōu)化,，如圖2所示。

    本系統(tǒng)采用IFR International Ltd.生產(chǎn)的專用航空信號發(fā)生器IFR2030作為信號源,，Collins的GNLU-930,、DME-442以及Honey Well的RNA-34BF作為接收機；通過PCI-GPIB板卡實現(xiàn)工控機與信號源控制單元的通信,；此外,，新增了Agilent公司的DS07104B型示波器以及E4440A型頻譜分析儀,以實時顯示跟蹤信號的變化情況。
    與傳統(tǒng)自動測試系統(tǒng)相比,，本系統(tǒng)最大的特色是以LabVIEW為平臺開發(fā)了獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其設(shè)計方案將在下一節(jié)中進行介紹。
2 數(shù)據(jù)采集
    LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境,。它最大的特點是能夠保證應(yīng)用程序的實時響應(yīng)[4]只運行在物理內(nèi)存中,；另一特點是并行特性，多線程數(shù)據(jù)采集任務(wù)的編寫和執(zhí)行更加容易和有效[5],。
    本系統(tǒng)設(shè)計過程中,以LabVIEW為開發(fā)平臺將數(shù)據(jù)采集設(shè)計為獨立的系統(tǒng)就是考慮到了LabVIEW的以上特性,，這些特性使系統(tǒng)在運行過程中由于操作系統(tǒng)的非實時性而帶來的時延大大減少[6]。此外,，在傳統(tǒng)的接收機自動測試系統(tǒng)中,，工控機承擔(dān)了包括信號源控制、數(shù)據(jù)采集,、解析與分析處理,，以及數(shù)據(jù)存儲的任務(wù)，這些多線程操作也給工控機的響應(yīng)時間帶來一定的影響,， 本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為一個獨立的單元承擔(dān)了數(shù)據(jù)采集與解析的任務(wù),， 降低了主工控機的負荷。
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為中間過程是用戶不可見的,，上位機采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)對采集單元的控制及通信,。為了使數(shù)據(jù)采集適應(yīng)于ETS實時操作系統(tǒng)，采集系統(tǒng)采用了ALTA data公司的CPCI采集卡,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

    數(shù)據(jù)采集流程[7]分為初始化,、讀取數(shù)據(jù)、結(jié)束采集三大步，其示意圖如圖4所示,。

    在初始化分支中要分別對板卡及采集通道進行初始化設(shè)置,，確立板卡ID號、發(fā)送和接收通道編號,、總線速率,；在讀取通道數(shù)據(jù)分支中調(diào)用獲取緩存中數(shù)據(jù)函數(shù)，獲得接收機數(shù)據(jù),；在結(jié)束采集分支中按照初始化的逆序退出相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集函數(shù),，配置要停止工作的通道編號，調(diào)用函數(shù)關(guān)閉通道[8],， 最后再關(guān)閉板卡,。設(shè)計如圖5所示。
    為了不斷接收來自接收機的數(shù)據(jù),，并對采集到的數(shù)據(jù)進行解析和顯示,，在程序編寫過程中采用了一個While循環(huán)[9]，如圖6所示,。
    對于數(shù)據(jù)解析部分[10],，需要根據(jù)數(shù)據(jù)Label，對每個參數(shù)單獨地進行封裝,，然后在主程序中進行調(diào)用,。
    工控機與數(shù)據(jù)采集單元間的通信采用網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議[11]。通信模塊程序框圖如圖7所示,，上部分循環(huán)實現(xiàn)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)命令字的功能,，下部分循環(huán)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解析后的數(shù)據(jù),并顯示在工控機面板上。

3 數(shù)據(jù)緩沖方案
    除了系統(tǒng)時延之外,，另一個影響系統(tǒng)性能的因素是數(shù)據(jù)處理與緩沖,。
    在很多數(shù)據(jù)采集過程中，對數(shù)據(jù)的處理是一個順序過程,，即對某一數(shù)據(jù)包依次進行數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)打包或存儲等過程后再進入下一次的采集,。這樣在數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理量較小的情況下是可行的,，但當(dāng)數(shù)據(jù)達到一定的閾值，在每一步上耗費的時間將顯著提高,，這時就會出現(xiàn)后續(xù)處理流程長時間空閑等待前續(xù)流程,，或者前續(xù)流程長時間空閑等待后續(xù)流程處理完畢以進入下一個采集過程。這種處理方式容易帶來數(shù)據(jù)丟失或波形失真等問題,，更難以保證實時性的要求,。
    鑒于以上缺陷,，本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集流程進行了優(yōu)化，改進的數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示,。

    改進后,，各個流程既相對獨立，又能夠通過緩存實現(xiàn)模塊間的交互,，使數(shù)據(jù)處理量在時間維中均勻分布,。同時減少了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量很大卻存在進程循環(huán)等待這一問題，極大地提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能,。
    對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部模塊間的交互需要考慮到進程間同步,、數(shù)據(jù)緩存等問題。對于數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)解析處理模塊,，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了主從設(shè)計模式來實現(xiàn),。主／從設(shè)計模式主要用來解決兩個或多于兩個的同時發(fā)生的并且擁有不同運行速率的線程間通信間題。其示意圖如圖9所示,。

    數(shù)據(jù)采集模塊作為主循環(huán),數(shù)據(jù)處理模塊作為從循環(huán),，它們引用相同的通知器句柄。從循環(huán)在程序運行之初處于等待通知器狀態(tài),，只有當(dāng)從循環(huán)收到主循環(huán)完成采集通知才開始進行數(shù)據(jù)處理,，處理完成后將進入下一次等待通知狀態(tài)。
    數(shù)據(jù)解析處理模塊與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊間的交互采用生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式,。與主從設(shè)計模式不同,生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式采用了隊列的數(shù)據(jù)存儲方式(FIFO),。網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊設(shè)置了一個數(shù)據(jù)存儲隊列，從數(shù)據(jù)解析處理模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)按照先進先出的方式被存入這一隊列,。程序運行時，數(shù)據(jù)解析處理模塊與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊同時運行,，前者只負責(zé)將數(shù)據(jù)處理后寫入到緩存隊列,，后者只負責(zé)將隊列中的數(shù)據(jù)讀取出來并進行下一步操作。
　　這樣的處理過程緩和了在數(shù)據(jù)量過大時的種種矛盾,，在實際處理過程中也達到了預(yù)期目標,。然而,仍有一些問題需要進一步考慮，主從模式在數(shù)據(jù)采集速率大于數(shù)據(jù)處理速率的情況下,，容易造成數(shù)據(jù)的丟失,；生產(chǎn)者/消費者模式能夠很好地克服上述問題，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送速率低于數(shù)據(jù)處理速率時,，隊列將會溢出,，在LabVIEW中數(shù)據(jù)發(fā)送將被強行停止。因此合理設(shè)計各模塊間的關(guān)系,匹配模塊間處理率是系統(tǒng)精益求精的一個設(shè)計方向,。
4 實驗
　　為了測試對數(shù)據(jù)采集單元進行優(yōu)化后的系統(tǒng)性能,，除了常規(guī)的測試,，還進行了一次對比試驗：將信號源設(shè)定為正弦信號，分別記錄下傳統(tǒng)自動測試系統(tǒng)與本系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù),，將它們繪制在同一幅圖像中,。實驗結(jié)果顯示，與未經(jīng)優(yōu)化的系統(tǒng)相比,，本系統(tǒng)能更好地進行時間同步與數(shù)據(jù)對齊,。同時,采用LabVIEW RT圖形化開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用模塊化設(shè)計方式,，把流程中的各個部分模塊化,，也有利于程序的修改和維護。本設(shè)計系統(tǒng)達到了優(yōu)化接收機自動測試系統(tǒng)的預(yù)期目標,。
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