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基于CompactRIO的車載多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2013-01-06 04:01:26張?jiān)评?/span>
關(guān)鍵詞:隊(duì)列上位車載

張?jiān)评?,?星,潘 楠,王 旭

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,云南昆明 650500)

基于CompactRIO的車載多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張?jiān)评?,?星,潘 楠,王 旭

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,云南昆明 650500)

為精確獲得汽車車載測(cè)試分析所需關(guān)鍵參數(shù),設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于CompactRIO嵌入式平臺(tái)的車載多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對(duì)基于隊(duì)列、FIFO、中斷等同步控制技術(shù)及基于狀態(tài)機(jī)及掃描的改進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)作了介紹,給出了實(shí)際數(shù)據(jù)采集壓力測(cè)試的結(jié)果。

車載測(cè)試;同步采集;CompactRIO;FPGA

汽車智能化發(fā)展引發(fā)了車載測(cè)試技術(shù)的新變革,使用自動(dòng)化儀器對(duì)汽車進(jìn)行性能檢測(cè)正逐步取代傳統(tǒng)人工經(jīng)驗(yàn)式的檢測(cè)方式[1]。由于車載測(cè)試涉及多種信號(hào)、多變環(huán)境,還要滿足苛刻的可靠性要求。因此迫切需要開(kāi)發(fā)一種高集成、高可靠性且可自定義功能的車載測(cè)試系統(tǒng)[2-3]。

現(xiàn)有車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有以下幾種類型:

a.基于PLC的車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此類系統(tǒng)硬件裝配非常復(fù)雜,包括整車布線、信號(hào)調(diào)理、接口定義及調(diào)試、線纜通信調(diào)試以及PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布線、裝配、檢測(cè)等。PLC還不能提供主動(dòng)的事件通知,系統(tǒng)的集中監(jiān)視管理有賴于服務(wù)器主機(jī)的主動(dòng)定時(shí)查詢,勢(shì)必占用系統(tǒng)資源[4]。

b.采用單片機(jī)和PC組成的上下位機(jī)采集系統(tǒng)。單片機(jī)不僅開(kāi)發(fā)難度大,故障率高,并且受其自身指令周期以及處理速度的影響,時(shí)鐘頻率較低,各種功能都要靠軟件的運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn),軟件運(yùn)行時(shí)間在整個(gè)采樣時(shí)間中占有很大的比例,對(duì)于多通道、多個(gè)A/D組成的陣列進(jìn)行控制以及數(shù)據(jù)處理,很難滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和同步性的要求[5]。

c.基于DSP(例如AD-SP21020)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。雖然處理速度快,但成本較高,過(guò)于頻繁的中斷會(huì)使CPU的效率降低,響應(yīng)速度變慢。況且采集系統(tǒng)對(duì)運(yùn)算能力要求并不苛刻,而對(duì)于DSP極強(qiáng)的運(yùn)算能力顯得相對(duì)浪費(fèi)[6]。

d.基于嵌入式PC設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),雖然靈活性好,執(zhí)行效率高,但若要在采集的同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制成圖形,則難度很大,所以對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理也只能借助于其他工具才能實(shí)現(xiàn)[7-8]。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)兼具自定義邏輯功能,高可靠性,滿足嚴(yán)格時(shí)序要求等特點(diǎn)[9-10]。因此,本文提出一種基于CompactRIO(CRIO)嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái),結(jié)合LabVIEW中隊(duì)列、FIFO、中斷等同步控制技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)設(shè)計(jì)并構(gòu)建出一套具有同步并行采集功能的車載多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件選用CompactRIO嵌入式平臺(tái),它由穩(wěn)定可靠,低功耗、高性能的實(shí)時(shí)嵌入式控制器與具備強(qiáng)大處理能力的RIO FPGA芯片構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)小巧而堅(jiān)固,可在-40°C~70°C的溫度范圍下操作。軟件選用LabVIEW,它是一種圖形化的編程語(yǔ)言,內(nèi)置數(shù)百種專用于信號(hào)測(cè)試、處理、分析的圖形化函數(shù)模塊,使用其來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的效率往往比其他編程語(yǔ)言高4~10倍[11]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的主要工作原理如下:

a.上位機(jī)基于TCP通信協(xié)議向控制器發(fā)送指令。

b.控制器接收指令后,使用FPGA讀寫控件繼而下發(fā)到已編譯的FPGA上執(zhí)行,同時(shí)指令運(yùn)行結(jié)果實(shí)時(shí)地通過(guò)DMA FIFO或FPGA讀寫控件反饋回控制器上。

c.最后通過(guò)調(diào)用同步控制技術(shù)中的隊(duì)列函數(shù),無(wú)失真地將數(shù)據(jù)從采集循環(huán)送入傳輸循環(huán),再次基于TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)存儲(chǔ)。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,代碼分別部署于上位機(jī)、控制器與FPGA上。在數(shù)據(jù)的通信與傳輸過(guò)程中通過(guò)隊(duì)列、中斷、DMA FIFO等同步控制技術(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)在高速采集下無(wú)遺失。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件自動(dòng)檢測(cè)

由于LabVIEW自身并沒(méi)有提供基于CRIO編程的采集卡自檢函數(shù),因此考慮尋找CRIO插上卡或不插卡所表現(xiàn)出的不同運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)而以此區(qū)分。經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),在沒(méi)插卡或插錯(cuò)卡的情況下,F(xiàn)PGA上采集循環(huán)運(yùn)行時(shí)間間隔始終小于40tips,采得數(shù)據(jù)為0。在采集卡正確插上的情況下,以NI-9234振動(dòng)、噪聲信號(hào)采集卡為例,當(dāng)采樣率設(shè)置為51.2kHz/s時(shí),采集循環(huán)間隔為781tips,數(shù)據(jù)非0。因此,可通過(guò)判定FPGA采集循環(huán)的時(shí)差是否低于一個(gè)閾值(例如90tips)來(lái)推斷采集卡是否插上,進(jìn)而作為硬件自動(dòng)檢測(cè)的依據(jù)。

2.2 基于單套TCP協(xié)議的改進(jìn)采集模塊控制

在傳統(tǒng)模式中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與啟??刂剖褂昧?套TCP協(xié)議:

a.一套TCP協(xié)議用于數(shù)據(jù)通信,通過(guò)配置好的TCP連接函數(shù)的地址與遠(yuǎn)程端口號(hào)和上位機(jī)建立連接。由2個(gè)TCP寫入函數(shù),首先從FIFO中讀取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度屬性和數(shù)據(jù)量本身,再依次寫入TCP,最后由上位機(jī)的TCP讀取函數(shù)分別讀出。

b.另一套TCP協(xié)議則用于監(jiān)測(cè)上位機(jī)是否提前退出通信,它通過(guò)讀取TCP函數(shù)的錯(cuò)誤簇進(jìn)行控制:如果上位機(jī)停止采集,上位機(jī)“監(jiān)測(cè)TCP”關(guān)閉,下位機(jī)讀取TCP函數(shù)返回錯(cuò)誤。錯(cuò)誤簇連接到“隊(duì)列銷毀函數(shù)”執(zhí)行隊(duì)列銷毀操作。如此一來(lái),在生產(chǎn)者與消費(fèi)者循環(huán)中的錯(cuò)誤簇也會(huì)返回錯(cuò)誤,停止兩個(gè)循環(huán),進(jìn)而中止數(shù)據(jù)采集的讀取與傳輸,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)CRIO數(shù)據(jù)采集的停止控制。

但是,多套TCP協(xié)議的應(yīng)用使程序響應(yīng)速度明顯變慢。因此考慮通過(guò)改變程序的架構(gòu),減少TCP協(xié)議的數(shù)量,使得在采集進(jìn)行中上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制成為可能。改進(jìn)后的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后架構(gòu)

新的架構(gòu)采用狀態(tài)機(jī)架構(gòu)來(lái)接收上位機(jī)指令,同時(shí)將數(shù)據(jù)采集傳輸模塊獨(dú)立出來(lái)并配合一個(gè)掃描循環(huán)來(lái)進(jìn)行控制。這樣在數(shù)據(jù)采集傳輸過(guò)程中,上位機(jī)還能同時(shí)向下位機(jī)發(fā)送指令,從而克服了狀態(tài)機(jī)架構(gòu)的局限性:一個(gè)狀態(tài)執(zhí)行完畢才能進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。

利用上位機(jī)發(fā)送的停止命令可以實(shí)時(shí)停止傳輸循環(huán),繼而通過(guò)銷毀隊(duì)列,采集循環(huán)也將停止,最終實(shí)現(xiàn)單套TCP協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制。改進(jìn)后程序的響應(yīng)時(shí)間由7s縮短到0.2s,極大地提高了效率。數(shù)據(jù)通信效能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)通信效能對(duì)比

3 同步控制技術(shù)

3.1 DMA FIFO與隊(duì)列的應(yīng)用

在采集過(guò)程中,F(xiàn)PGA上采集循環(huán)速度與控制器上傳輸循環(huán)速度可能并不同步,控制器傳輸循環(huán)速度與上位機(jī)接收循環(huán)速度也存在異步的問(wèn)題。因此,引入同步控制來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)速度是非常必要的。

使用DMA FIFO可以將控制器上數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)紿OST內(nèi)存中,它可流化大量來(lái)自或者指向HOST的數(shù)據(jù),使得FPGA如同使用自己本身的RAM一樣來(lái)使用HOST的RAM。同樣對(duì)于HOST來(lái)講,這個(gè)過(guò)程并不占用RAM CPU的資源,Lab-VIEW是通過(guò)控制PCI的總線仲裁功能實(shí)現(xiàn)的。

DMA FIFO中的采集數(shù)據(jù)讀出后,需要把它通過(guò)TCP傳回上位機(jī),采集循環(huán)速度與傳輸循環(huán)速度有可能異步,這樣會(huì)導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的丟失或復(fù)讀。因此,調(diào)用隊(duì)列函數(shù)來(lái)同步兩個(gè)線程,如果入隊(duì)列速度快于出隊(duì)列的速度,隊(duì)列空間填滿,此時(shí)線程將自動(dòng)停止并等待,直到有數(shù)據(jù)被讀出,空出位置后,新的采集數(shù)據(jù)才能被寫入。同理,如果出隊(duì)列速度快于入隊(duì)列速度,隊(duì)列空間無(wú)數(shù)據(jù),線程也將持續(xù)等待,直至有數(shù)據(jù)才開(kāi)始取值??梢?jiàn)隊(duì)列很好地調(diào)節(jié)了讀寫線程速度。

3.2 FPGA中斷的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)硬件檢測(cè)功能,在FPGA自檢模塊后方放置一個(gè)中斷函數(shù),在控制器監(jiān)測(cè)到中斷請(qǐng)求前,相應(yīng)線程處于等待休眠狀態(tài),待控制器監(jiān)測(cè)到中斷請(qǐng)求后,線程立即喚醒開(kāi)始工作,而后FPGA等待來(lái)自控制器的握手信號(hào)。保證一旦自檢結(jié)果生成后就能立刻反饋到上位機(jī)表格中顯示,達(dá)到實(shí)時(shí)同步的效果。

4 軟件流程設(shè)計(jì)

車載多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互界面、控制器以及FPGA 3個(gè)模塊。

4.1 上位機(jī)人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面主要包括硬件自檢結(jié)果顯示、通道配置界面、任務(wù)創(chuàng)建界面、采集方式設(shè)置界面、數(shù)據(jù)采集界面等,其具體操作流程如下:

a.點(diǎn)擊自動(dòng)檢測(cè)按鈕,被檢測(cè)到的采集卡將會(huì)顯示在表格中。

b.點(diǎn)擊下一步按鈕,進(jìn)入通道配置界面,選擇采集卡使用的通道,設(shè)置以下參數(shù):采樣率、靈敏度、信號(hào)類型等。

c.點(diǎn)擊下一步按鈕,進(jìn)入任務(wù)創(chuàng)建界面,創(chuàng)建采集任務(wù)或復(fù)制歷史任務(wù),并寫入數(shù)據(jù)。

d.點(diǎn)擊下一步按鈕,進(jìn)入采集方式設(shè)置界面,選擇手動(dòng)采集或自動(dòng)觸發(fā)式采集。

e.系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù),并動(dòng)態(tài)顯示波形圖。具體流程如圖3所示。

4.2 FPGA 模塊

FPGA芯片上的代碼架構(gòu)是一個(gè)順序結(jié)構(gòu),第一幀配置傳感器,第二幀檢測(cè)硬件,第三幀進(jìn)入狀態(tài)機(jī)架構(gòu),狀態(tài)機(jī)條件分支中有諸如數(shù)據(jù)采集、參數(shù)動(dòng)態(tài)修改、停止等功能。每一分支獨(dú)立運(yùn)行,直到接收上位機(jī)的停止命令,才跳出條件分支,等待下一次命令,再次進(jìn)入相應(yīng)分支。具體流程如圖4所示。

圖3 人機(jī)交互界面模塊流程圖

圖4 FPGA模塊流程圖

4.3 控制器模塊

控制器模塊中的狀態(tài)機(jī)接收到采集指令后,掃描循環(huán)停止,進(jìn)入數(shù)據(jù)采集傳輸模塊,首先從FIFO中讀出采集數(shù)據(jù)并送入隊(duì)列,在傳輸循環(huán)中使元素出隊(duì)列,繼而寫入TCP,再傳回上位機(jī)。具體流程如圖5所示。

5 壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性,通過(guò)實(shí)際長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行系統(tǒng)壓力測(cè)試(System Stress Testing)。NI-CRIO 9082機(jī)箱中NI-9234振動(dòng)噪聲模塊的兩個(gè)通道分別連接兩個(gè)聲望MPA416傳聲器,采樣率設(shè)置為51.2kHz/s,采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為51.2k,進(jìn)行了2h 的高速采集。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6所示。

長(zhǎng)時(shí)高速采集狀況下,車載采集系統(tǒng)依然能保持高速響應(yīng),并且數(shù)據(jù)在波形圖上穩(wěn)定實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)對(duì)FIFO剩余元素量、采集循環(huán)次數(shù)、傳輸循環(huán)次數(shù)的監(jiān)測(cè)證明系統(tǒng)無(wú)數(shù)據(jù)遺失,數(shù)據(jù)有效。實(shí)際車載聲信號(hào)采集如圖7所示、系統(tǒng)軟件界面如圖8所示。

圖5 控制器模塊流程圖

圖6 實(shí)驗(yàn)用NI-9234采集卡及傳聲器

圖7 實(shí)際車載聲信號(hào)采集

6 結(jié)束語(yǔ)

圖8 系統(tǒng)軟件界面

本文設(shè)計(jì)的車載剎車系統(tǒng)是以CRIO為平臺(tái),結(jié)合改進(jìn)的控制方式,高效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)車載參數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間采集,系統(tǒng)界面友好,操作人性化。區(qū)別于傳統(tǒng)方式,其主要有以下特點(diǎn):

a.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),尋找出實(shí)現(xiàn)硬件自動(dòng)檢測(cè)的方法,硬件配置無(wú)需再通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)方式手動(dòng)配置,操作方式大大簡(jiǎn)化,配置時(shí)間從近20s縮短為5s。

b.相對(duì)于傳統(tǒng)多套TCP控制,實(shí)現(xiàn)基于單套TCP協(xié)議數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸控制,使數(shù)據(jù)通信及系統(tǒng)響應(yīng)效率大幅提高。

經(jīng)過(guò)壓力測(cè)試,驗(yàn)證了本系統(tǒng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)采集的能力,表明其能夠適用于實(shí)際汽車路試。

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The Vehicle-Carrying Multi Channel Data Acquisition System Based on CompactRIO

ZHANG Yunlei,WU Xing,PAN Nan,WANG Xu
(Kunming University of Science& Technology,Yunnan Kunming,650500,China)

In order to obtain the key parameters from the vehicle-carrying test,it develops the multi-channel data acquisition system based on CompactRIO embedded platform.This system is satisfied the requirement of high reliability,inexpensive,portable and rapid configuration,It also describes the synchronized control technology such as queue,F(xiàn)IFO,interrupt and the superior system architecture.Finally,availability and stability of the system are proved through the pressure text of data acquisition.

Vehicle-Carrying Test;CompactRIO;Synchronized Control;FPGA

TP311.1

A

2095-509X(2013)05-0040-05

10.3969/j.issn.2095 -509X.2013.05.010

2013-02-18

張?jiān)评?1987—),男,四川成都人,昆明理工大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)檐囕d測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)。

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