楊 誠，宋 萍，彭文家，金昊龍，潘志強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué) 仿生機(jī)器人與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國北方車輛研究所，北京 100072；3.中國儀器進(jìn)出口(集團(tuán))公司，北京 100041 )

0 引 言

當(dāng)前，用于裝甲車輛試驗(yàn)的測試系統(tǒng)已經(jīng)有了較快的發(fā)展，西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了針對導(dǎo)彈裝甲車輛行駛平順性的測試系統(tǒng)[1];華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)了針對車輛輪荷的測試系統(tǒng)[2]；湖南大學(xué)研究了針對混合動(dòng)力客車的測試系統(tǒng)[3]；裝甲兵工程學(xué)院設(shè)計(jì)了針對柴油機(jī)狀態(tài)評估、蓄電池特性、駕駛員操作穩(wěn)定性等多種測試系統(tǒng)[4-6]。但是這些系統(tǒng)對于整車的動(dòng)態(tài)測試仍然存在局限性：一方面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，這些測試系統(tǒng)主要是針對車輛的單個(gè)系統(tǒng)或部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，且大多應(yīng)用于整車、分系統(tǒng)或部件樣機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)中，因此試驗(yàn)測試結(jié)果往往無法真實(shí)、全面反映出裝甲車輛整車野外復(fù)雜惡劣工況下的實(shí)際情況，難以為車輛設(shè)計(jì)人員提供全面、可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)；另一方面，在數(shù)據(jù)采集方式上，這些系統(tǒng)大部分采用有線采集方式，但是有線采集方式在車輛底盤扭桿、車輪等環(huán)境惡劣、空間狹小的部件上存在安裝、接線、維護(hù)等方面的困難，因此限制了測試系統(tǒng)的能力。

隨著無線技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式測試系統(tǒng)有效彌補(bǔ)了有線測試的不足，為車輛測試提供了一種新的手段[7-9]。通過使用有線和無線相混合的測試方法[10，11]能夠最大程度地結(jié)合兩者的優(yōu)勢，既能滿足裝甲車輛整車測試對于大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?，又能滿足對某些特殊部件測試的靈活性要求?；诖?，本文提出了一種基于混合總線的裝甲車輛網(wǎng)絡(luò)化實(shí)車綜合測試系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)以NI CompactRIO為基礎(chǔ)平臺(tái)，通過有線、無線、CAN總線3種測試方法對整車進(jìn)行全參數(shù)數(shù)據(jù)采集，并針對測試參數(shù)多、測試數(shù)據(jù)采樣率不一致、數(shù)據(jù)量大等問題，提出了基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)緩存控制和基于最大采樣率的偽均勻采樣的數(shù)據(jù)流控制策略，從而使得系統(tǒng)能夠根據(jù)測試任務(wù)的配置要求，自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)流處理方式，提高了系統(tǒng)資源利用率和處理速度，最終實(shí)現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)和顯示。

1 測試需求分析與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 測試需求分析

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化綜合測試系統(tǒng)是以裝甲車輛整車為測試對象，不僅待測參數(shù)超過220路，涉及車輛動(dòng)力、傳動(dòng)等多個(gè)分系統(tǒng)，而且由于待測信號(hào)類型的不同，采樣頻率也不一致，例如，對于加速度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等瞬變信號(hào)而言，采樣頻率一般在2.5 kHz，相比之下對于溫度、氣壓、流速等緩變信號(hào)的采樣頻率則通常不超過100 Hz?；谏鲜龇治觯Y(jié)合現(xiàn)有車輛的內(nèi)部構(gòu)造，本文提出的綜合測試系統(tǒng)結(jié)合了有線、無線、CAN總線3種測試方法。其中，有線測試用于高頻信號(hào)的采集，無線測試用來解決線纜布設(shè)困難處的部件測試問題，CAN總線則是以現(xiàn)有車載CAN總線為基礎(chǔ)，不僅可以實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)的采集，還能有效降低研發(fā)成本，提高與車輛現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)合，在綜合考慮了測試需求和系統(tǒng)實(shí)際布設(shè)情況后，整車測試參數(shù)信息如表1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 測試系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)

基于裝甲車輛的測試需求分析，設(shè)計(jì)了基于混合總線的綜合測試系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)為3層架構(gòu)，位于上層的是車載上位機(jī)，其作為整個(gè)測試系統(tǒng)的測控終端負(fù)責(zé)試驗(yàn)測試任務(wù)管理、測試流程監(jiān)控、待測信號(hào)的實(shí)時(shí)觀測以及測試數(shù)據(jù)管理；位于中間層的是測試系統(tǒng)主機(jī)，其既需要與頂層的車載上位機(jī)之間進(jìn)行通信，又需要控制底層信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)的工作，完成數(shù)據(jù)的交互、解析、傳輸與存儲(chǔ)，是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心；位于系統(tǒng)架構(gòu)底層是分布于車輛各處，面向具體待測對象的采集調(diào)理節(jié)點(diǎn)，根據(jù)所采用的測試方法共分為有線信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)、CAN采集節(jié)點(diǎn)、無線測試節(jié)點(diǎn)3類。

圖1 裝甲車輛實(shí)車綜合測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of armored vehicle test system

1.2.2 測試系統(tǒng)主機(jī)設(shè)計(jì)

從裝甲車輛綜合測試系統(tǒng)的架構(gòu)可以看出：測試系統(tǒng)主機(jī)處于整個(gè)系統(tǒng)的核心位置，系統(tǒng)主機(jī)的可靠與否直接決定了底層信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)是否能夠完整且實(shí)時(shí)地進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)也決定了上層測控終端是否能夠?qū)崟r(shí)、有效地對測試系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。此外，裝甲車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，除了行車過程中伴隨著振動(dòng)和沖擊外，根據(jù)野外試驗(yàn)測試環(huán)境的不同還存在熱區(qū)高溫或寒區(qū)零下溫度的工作環(huán)境。基于上述特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于CompactRIO嵌入式采集平臺(tái)的測試系統(tǒng)主機(jī)，主機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)主機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of test system host

CompactRIO嵌入式采集平臺(tái)是NI公司生產(chǎn)的一款可重新配置的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，相比于傳統(tǒng)的PXI和CPCI總線的測試平臺(tái)，具有體積小、寬溫、抗震性高的特點(diǎn)，能夠滿足裝甲車輛在各種惡劣條件下的測試要求。本系統(tǒng)在選型上配置了采用堅(jiān)固型設(shè)計(jì)的cRIO 9025控制器和具備8槽可配置的cRIO 9118機(jī)箱。采集平臺(tái)配置了5個(gè)NI 9220和1個(gè)NI 9223共6個(gè)模擬量采集板卡，其與底層的有線信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)相連，最大可實(shí)現(xiàn)84路有線信號(hào)的同步采集；1個(gè)NI 9853雙CAN口采集板卡，分別與CAN1和CAN2測試網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)相連，分別接收CAN1和CAN2測試網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)采樣數(shù)據(jù)包。

如圖2所示，測試系統(tǒng)主機(jī)除CompactRIO嵌入式采集平臺(tái)外，還設(shè)計(jì)了無線網(wǎng)關(guān)模塊，其主要負(fù)責(zé)無線測試網(wǎng)絡(luò)與cRIO控制器之間的通信，包括組建無線測試網(wǎng)絡(luò)，下發(fā)控制指令給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)無線測試節(jié)點(diǎn)，以及上傳無線測試節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的主要功能是建立車載測控終端、cRIO控制器、無線網(wǎng)關(guān)之間的物理通信鏈路，實(shí)現(xiàn)命令的傳輸和數(shù)據(jù)的交換；而電源模塊的主要功能則是解決裝甲車輛車載電源質(zhì)量不高的問題，通過對電源的穩(wěn)壓、濾波處理，使其符合機(jī)箱內(nèi)部各個(gè)模塊的供電要求，進(jìn)而保護(hù)各個(gè)模塊。

1.2.3 無線測試節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

利用無線測試節(jié)點(diǎn)在裝甲車輛上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集需要重點(diǎn)解決兩個(gè)問題：一是小型化，由于車輛內(nèi)部空間狹小，所以節(jié)點(diǎn)體積必須能滿足待測部件所在環(huán)境的要求；二是數(shù)據(jù)傳輸速率需要滿足實(shí)車測試實(shí)時(shí)觀測以及離線數(shù)據(jù)深度分析的要求。

對于小型化問題，本文從硬件模塊選型、PCB布局、節(jié)點(diǎn)防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)與集成，使得節(jié)點(diǎn)的體積控制在7.5 cm×5.5 cm×3 cm，能夠滿足底盤內(nèi)多種待測部件的環(huán)境要求。節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖3所示。

圖3 無線測試節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖Fig.3 Picture of wireless sensor network test node

節(jié)點(diǎn)硬件模塊主要包括A/D模塊、FPGA主控制器、SDRAM、EPCS配置芯片、SD卡和無線模塊。其中FPGA為核心模塊，通過內(nèi)部采樣控制器控制A/D模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO緩存送到NIOS II軟核。NIOS II軟核借助SDRAM提供的運(yùn)行空間和數(shù)據(jù)緩存空間，一方面將數(shù)據(jù)寫入SD卡；另一方面將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線模塊。由于整個(gè)無線測試網(wǎng)絡(luò)是以Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)構(gòu)建的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此通過無線模塊可實(shí)現(xiàn)無線測試節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)間的組網(wǎng)、通信，進(jìn)而完成測試數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的接受。

數(shù)據(jù)傳輸速率問題一直是無線測試的短板，目前的商用無線測試節(jié)點(diǎn)通常僅用于溫度、壓力等低頻信號(hào)的采集，而對于加速度、力等高頻信號(hào)而言，受無線模塊傳輸帶寬影響，難以滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?。而裝甲車輛底盤內(nèi)許多引線困難的部件都需要對高頻振動(dòng)特性進(jìn)行事后分析，為了解決該問題，本文為無線測試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于雙緩存重采樣的傳輸策略，即，通過控制待測信號(hào)數(shù)據(jù)流的方式，一方面將完整信號(hào)數(shù)據(jù)存入SD卡內(nèi)進(jìn)行本地存儲(chǔ)；另一方面則將重采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。無線測試節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 無線測試節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流Fig.4 Data flow of wireless sensor network test node

在該傳輸策略的控制下，節(jié)點(diǎn)通過FIFO和SDRAM組成的雙緩存，既可以實(shí)現(xiàn)對裝甲車輛底盤高頻信號(hào)的采樣和本地存儲(chǔ)，又可以充分利用無線模塊的帶寬，將等間隔取點(diǎn)后的降頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。從而既滿足了頻域分析等需要高采樣率的要求，又滿足了測試人員實(shí)時(shí)觀測信號(hào)變化的要求。此外，為了提高SD卡的存儲(chǔ)速率，本節(jié)點(diǎn)使用VHDL語言設(shè)計(jì)了基于硬件模式的SD卡控制器來完成測試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，使得SD卡的存儲(chǔ)速率達(dá)到2 Mbit/s，比傳統(tǒng)的基于軟件控制的方法有了很大提高。最終無線節(jié)點(diǎn)的最高采樣率可以達(dá)到1 Mbit/s。

2 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 測控終端功能設(shè)計(jì)

測控終端作為裝甲車輛綜合測試系統(tǒng)的總控，需要對車輛試驗(yàn)過程中待測信號(hào)的參數(shù)配置、待測信號(hào)的實(shí)時(shí)觀測、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。結(jié)合車輛測試的具體需求，本文對測控終端進(jìn)行了如下4個(gè)功能界面的設(shè)計(jì)：試驗(yàn)任務(wù)配置界面、信號(hào)實(shí)時(shí)觀測界面、試驗(yàn)數(shù)據(jù)回放界面、試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理功能界面，界面具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5中，試驗(yàn)任務(wù)配置界面主要用于信道參數(shù)的設(shè)置，提高了整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)適應(yīng)性；信號(hào)實(shí)時(shí)觀測界面則可以提供待測信號(hào)波形的實(shí)時(shí)監(jiān)控；而試驗(yàn)數(shù)據(jù)回放界面和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理界面，主要用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。

2.2 CompactRIO的軟件設(shè)計(jì)

CompactRIO嵌入式采集平臺(tái)主要包括實(shí)時(shí)處理器和FPGA兩個(gè)部分，為上下兩層架構(gòu)，具體如圖6所示。其中FPGA位于底層，主要負(fù)責(zé)各個(gè)I/O模塊的控制，包括有線測試網(wǎng)路中模擬量采集板卡的采樣頻率配置、CAN總線的波特率配置、CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)中測試數(shù)據(jù)包的解析等。而實(shí)時(shí)處理器位于上層，是整個(gè)CompactRIO嵌入式采集平臺(tái)的核心，不僅需要控制底層FPGA的工作，還需要處理FPGA獲取的有線測試網(wǎng)絡(luò)與CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)的采樣值，以及無線網(wǎng)關(guān)上傳的無線測試網(wǎng)絡(luò)的采樣值。此外，實(shí)時(shí)處理器還需保證試驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，同時(shí)通過TCP/IP協(xié)議將各個(gè)信道采樣值及時(shí)上傳，以滿足測控終端進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)觀測的需求。

圖5測試系統(tǒng)測控終端界面

Fig.5Interfaceofmeasuringandcontrollingterminal

圖6CompactRIO嵌入式采集平臺(tái)架構(gòu)

Fig.6EmbeddedplatformarchitectureofCompactRIO

綜上可知，整個(gè)CompactRIO嵌入式采集平臺(tái)中實(shí)時(shí)控制器不僅工作任務(wù)繁多，而且數(shù)據(jù)處理量大?；诖耍鶕?jù)試驗(yàn)測試過程中控制流程與數(shù)據(jù)處理流程，本文在軟件設(shè)計(jì)過程中采用了模塊化的設(shè)計(jì)概念，使各個(gè)軟件模塊分工明確，既保證了數(shù)據(jù)流得到及時(shí)的處理，又保證了實(shí)時(shí)控制器工作的有效進(jìn)行。整個(gè)嵌入式采集平臺(tái)的軟件架構(gòu)如圖7所示。

圖7 CompactRIO軟件架構(gòu)Fig.7 Software architecture of CompactRIO

如圖7所示，底層FPAG劃分為有線采集控制模塊和CAN總線采集控制模塊，其中有線采集控制模塊負(fù)責(zé)配置6個(gè)模擬量采集模塊的通道使能情況與采樣頻率；CAN總線采集控制模塊則主要負(fù)責(zé)CAN數(shù)據(jù)幀的解析與總線波特率的設(shè)置。

實(shí)時(shí)控制器的程序根據(jù)功能共劃分為4個(gè)軟件模塊，其中無線模塊主要負(fù)責(zé)CompactRIO平臺(tái)與無線網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交互，對來自無線測試網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析與再封包，通過隊(duì)列發(fā)送給采集模塊；采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)所采數(shù)據(jù)的集中處理中心，既需要從DMA FIFO中讀取來自FPGA的采樣值，又需要從隊(duì)列中提取來自無線模塊的數(shù)據(jù)包，并對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分別發(fā)送至存儲(chǔ)模塊和通信模塊；存儲(chǔ)模塊則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；通信模塊則主要負(fù)責(zé)與測控終端的通信工作，通過TCP協(xié)議一方面接受控制指令并下發(fā)至各個(gè)模塊，另一方面將經(jīng)采集模塊處理的數(shù)據(jù)上傳至測控終端用于實(shí)時(shí)顯示。

3 系統(tǒng)自適應(yīng)數(shù)據(jù)流控制策略

裝甲車輛網(wǎng)絡(luò)化綜合測試系統(tǒng)是以整車作為測試對象，通過測試需求分析可知，不僅車輛的待測信號(hào)數(shù)多達(dá)220路，而且相當(dāng)一部分信號(hào)的采樣頻率高達(dá)2.5 kHz，顯然整個(gè)測試系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)處理如此龐大數(shù)據(jù)量的能力。車輛綜合測試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的采集數(shù)據(jù)流運(yùn)行情況如圖8所示。從圖8可看出，有線測試網(wǎng)絡(luò)和CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)的采集數(shù)據(jù)經(jīng)DMA FIFO上傳至實(shí)時(shí)控制器，無線測試網(wǎng)絡(luò)的采集數(shù)據(jù)則經(jīng)網(wǎng)線上傳至實(shí)時(shí)控制器，實(shí)時(shí)控制器內(nèi)部需要對來自不同測試網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行解析、封包、緩存、存儲(chǔ)和上傳。

因此，為了滿足測控終端的信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能和保證測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的要求，本文制定了基于整個(gè)車輛綜合測試系統(tǒng)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)流控制策略，共包括自適應(yīng)數(shù)據(jù)緩存控制和基于最大采樣率的偽均勻采樣兩個(gè)部分。

3.1 自適應(yīng)數(shù)據(jù)緩存控制

本系統(tǒng)作為一個(gè)能滿足各型裝甲車輛的多用途測試系統(tǒng)，其需要滿足不同試驗(yàn)測試任務(wù)的需求，而對于不同的試驗(yàn)，除了待測信號(hào)類型存在差異外，信號(hào)數(shù)量也不盡相同。因此，在開展不同的試驗(yàn)測試時(shí)，實(shí)時(shí)控制器所處理的數(shù)據(jù)總量就存在區(qū)別，而這一數(shù)據(jù)量變化也直接影響了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性。對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)監(jiān)測而言，其不可能滿足絕對意義上的實(shí)時(shí)性要求，在實(shí)現(xiàn)過程中均需要進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)緩存，將數(shù)據(jù)流按一定時(shí)間尺度(T)切割為多個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊被處理后封裝為一個(gè)數(shù)據(jù)包，再用于后續(xù)的存儲(chǔ)與信號(hào)顯示。由此，本文提出的自適應(yīng)數(shù)據(jù)緩存控制策略通過選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間尺度和控制數(shù)據(jù)包的緩存來保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性要求。

圖8系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)流運(yùn)行圖

Fig.8Testingdatastreamoftestsystem

3.1.1 時(shí)間尺度的確定

時(shí)間尺度T為一個(gè)預(yù)設(shè)值，它的選取主要兼顧兩個(gè)方面：一方面是對信號(hào)監(jiān)測而言，T值不能過大，T太大時(shí)，監(jiān)測界面信號(hào)更新慢，失去了實(shí)時(shí)觀測的意義；另一方面則是考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，T值不能過小，T太小時(shí)，寫入相同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)時(shí)就需要多次打開數(shù)據(jù)文件，進(jìn)而降低存儲(chǔ)效率，造成數(shù)據(jù)包累積。

結(jié)合車輛測試需求，本文在保證測試數(shù)據(jù)能夠可靠存儲(chǔ)的前提下，對不同測試網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流時(shí)間尺度T進(jìn)行了如下選取：對有線測試網(wǎng)絡(luò)而言，其不僅采樣率高而且待測信號(hào)多，單位時(shí)間數(shù)據(jù)量最大，固將T值設(shè)置為0.5 s；而對CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)而言，雖然通道數(shù)目多達(dá)145路，但是信號(hào)采樣頻率最高不超過100 Hz，且最低采樣頻率只有5 Hz，為了保證可以觀測出信號(hào)的大致趨勢，固將T值設(shè)為1 s；而對無線測試網(wǎng)絡(luò)，其單位時(shí)間數(shù)據(jù)量最小，但考慮其信號(hào)采樣率不低，在T值的選取上與有線測試網(wǎng)絡(luò)一樣同為0.5 s。

3.1.2 自適應(yīng)數(shù)據(jù)包緩存控制

由數(shù)據(jù)流運(yùn)行圖7可知，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)需要依次從不同測試網(wǎng)絡(luò)的緩存隊(duì)列中提取數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，若按照輪詢存儲(chǔ)模式，那么每次打開文件均只能寫入一個(gè)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。由于不同測試網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量存在較大差異，這將增加系統(tǒng)處理相同數(shù)量數(shù)據(jù)包時(shí)的文件開啟次數(shù)，降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率。因此，本文基于既定時(shí)間尺度制定了自適應(yīng)數(shù)據(jù)包緩存控制策略，進(jìn)而均衡單次寫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件的數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率，控制策略如下：首先，根據(jù)式(1)分別計(jì)算出不同測試網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量Si(即時(shí)間尺度T內(nèi)的采樣值總數(shù))。隨后，以Si中的最大值Smax為基數(shù)由式(2)計(jì)算出緩存比例系數(shù)Ki，確定Smax與各S1之間的近似倍數(shù)關(guān)系。在確定緩存比例系數(shù)后，存儲(chǔ)軟件模塊從各測試網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列中提取數(shù)據(jù)包時(shí)，只對Smax所屬的測試數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，而其他的測試數(shù)據(jù)包只有當(dāng)隊(duì)列緩存?zhèn)€數(shù)達(dá)到對應(yīng)的比例系數(shù)K時(shí)，才一次性進(jìn)行存儲(chǔ)，從式(4)可以看出,每次寫入文件的數(shù)據(jù)量均近似相等。

(1)

Smax=max{S1,S2,…,Sn}

(2)

(3)

Smax≈Ki·Si

(4)

式中:Ti和Si為第i個(gè)測試網(wǎng)絡(luò)時(shí)間尺度和該尺度下的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量；fz為測試網(wǎng)絡(luò)中第z個(gè)信號(hào)的采樣頻率；Ki為第i個(gè)測試網(wǎng)絡(luò)的緩存比例系數(shù)。

在本文設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)中共包括有線、CAN總線、無線3個(gè)測試網(wǎng)絡(luò)，且根據(jù)確定的時(shí)間尺度可知，有線測試數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量最大，進(jìn)而可以由式(3)計(jì)算出有線測試數(shù)據(jù)包與CAN總線測試數(shù)據(jù)包、無線測試數(shù)據(jù)包的緩存比例系數(shù)K1、K2。在系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，只有當(dāng)CAN總線數(shù)據(jù)包緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)達(dá)到K1個(gè)，或者無線數(shù)據(jù)包緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)達(dá)到K2個(gè)時(shí)，才進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)包的處理。在本系統(tǒng)中，有線測試數(shù)據(jù)包要遠(yuǎn)大于CAN總線和無線測試數(shù)據(jù)包，因此通過該緩存控制策略不僅均衡了單次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，而且大大減少了文件的開關(guān)次數(shù)，提高了存儲(chǔ)效率。

3.2 基于最大采樣率的偽均勻采樣

在自適應(yīng)緩存控制的過程中，每一個(gè)測試數(shù)據(jù)包中均包含了所屬測試網(wǎng)絡(luò)中所有信號(hào)的采樣值，但除了無線測試網(wǎng)絡(luò)外，無論是有線測試網(wǎng)絡(luò)還是CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)，均存在信號(hào)采樣頻率不一致的問題，進(jìn)而造成時(shí)間尺度T內(nèi)不同信號(hào)的采樣值數(shù)目不同。從圖8中可以看出，有線采集模塊和CAN采集模塊獲取的信號(hào)采樣值均通過DMA FIFO上傳至實(shí)時(shí)控制器。因此，實(shí)時(shí)控制器面臨如何快速地從順序排列的采樣數(shù)據(jù)流中解析出不同信號(hào)采樣值的問題。

針對上述問題，本文提出了基于最大采樣頻率的偽均勻采樣策略，即通過補(bǔ)充無效采樣值的方式，使得同一測試網(wǎng)絡(luò)中的所有信號(hào)在時(shí)間尺度內(nèi)的采樣值總數(shù)相同，就好像所有信號(hào)均是以相同的采樣頻率進(jìn)行采樣一樣。策略的具體步驟實(shí)現(xiàn)如下：首先，根據(jù)式(5)得出測試網(wǎng)絡(luò)中最大的信號(hào)采樣頻率fmax；然后由式(6)和選定的時(shí)間尺度T可以確定補(bǔ)值基數(shù)N；再根據(jù)式(7)分別求出測試網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)信號(hào)的無效采樣值個(gè)數(shù)。

fmax=max{f1,f2，…，fn}

(5)

N=fmax·T

(6)

Di=(fmax-fi)·T

(7)

式中:fi為測試網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)待測信號(hào)的采樣頻率;N為補(bǔ)值基數(shù);Di為第i個(gè)待測信號(hào)一個(gè)時(shí)間尺度T內(nèi)需要補(bǔ)充的無效采樣值個(gè)數(shù)。

確定參數(shù)后，本文通過二級緩存的方式實(shí)現(xiàn)偽均勻采樣策略，將時(shí)間尺度內(nèi)各個(gè)信號(hào)采樣值有序?qū)懭隓MA FIFO中，為形象表示策略流程，本文通過一個(gè)包含3個(gè)信號(hào)的測試網(wǎng)絡(luò)示例進(jìn)行說明。設(shè)測試網(wǎng)絡(luò)中3個(gè)信號(hào)通道的名稱分別CH1、CH2、CH3，對應(yīng)采樣頻率分別為2、3、1 Hz，時(shí)間尺度T設(shè)為1 s，無效采樣值取0，由此可以算出N為3，策略流程示意圖如圖9所示。經(jīng)I/O口的數(shù)據(jù)先按信號(hào)采樣率分別緩存至對應(yīng)的FIFO中，然后按照信號(hào)順序依次從各FIFO中提取數(shù)據(jù)寫入DMA FIFO，即按順序從圖9中的FIFO CH1～CH3中讀取采樣值，一次一個(gè)，當(dāng)CH1～CH3中的有效值讀取完后，為使其采樣值數(shù)等于N，故用無效采樣值0補(bǔ)齊。由此，一個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)的采樣值序列如圖9中DMA FIFO所示，實(shí)時(shí)控制器從DMA FIFO中讀取這9個(gè)采樣值后，僅需要進(jìn)行一維數(shù)組重排轉(zhuǎn)換就可以形成圖中右下方顯示的二維數(shù)組，它的每一列就代表一個(gè)信號(hào)的采樣值且時(shí)序正確，而無效采樣值0均位于列尾，易于剔除。

圖9 策略流程示意圖Fig.9 Strategy process diagram

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)室試驗(yàn)

4.1.1 驗(yàn)證平臺(tái)的搭建

為了對車輛綜合測試系統(tǒng)進(jìn)行功能性驗(yàn)證，搭建了基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)物圖如圖10所示。位于圖10中間位置的是測試系統(tǒng)的主機(jī)和無線測試節(jié)點(diǎn)，測試系統(tǒng)主機(jī)外部為防護(hù)機(jī)箱，內(nèi)部有CompactRIO平臺(tái)、無線網(wǎng)關(guān)、電源模塊以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成部件；圖10右側(cè)為系統(tǒng)測控終端；圖10左側(cè)為基于PXI搭建的信號(hào)仿真平臺(tái)，其主體為PXIe-8135控制器和PXIe-1062Q八槽機(jī)箱。機(jī)箱共插有4塊板卡，其中兩塊PXIe-6358模擬量采集板卡作為有線測試網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)源，而另外兩塊PXI-8512雙口高速CAN通信板卡，作為模擬的車載CAN節(jié)點(diǎn)為CAN測試網(wǎng)絡(luò)提供信號(hào)。對于無線測試網(wǎng)絡(luò)而言，采用信號(hào)發(fā)生器作為無線測試節(jié)點(diǎn)的信號(hào)源。

圖10 綜合測試系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)Fig.10 Test platform of integrated test system

4.1.2 信號(hào)源設(shè)計(jì)

在充分驗(yàn)證車輛綜合測試系統(tǒng)功能的前提下，本文針對整個(gè)測試系統(tǒng)中的有線、CAN總線、無線測試網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行了信號(hào)源的設(shè)計(jì)。

其中，有線測試網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)源由PXIe-6358模擬量采集板卡提供，通過分線盒將72路信號(hào)線均分為4組，分別與4個(gè)板卡I/O口相連，為了區(qū)分，板卡輸出信號(hào)分別采用2、4、8、10 V的正弦信號(hào)。而對于無線測試網(wǎng)絡(luò)而言，由于信號(hào)數(shù)目少，因此通過信號(hào)發(fā)生器單獨(dú)提供正弦信號(hào)。

CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)包括CAN1和CAN2兩個(gè)測試網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示。PXI平臺(tái)上的兩塊PXI-8512 CAN通信板卡共包含4個(gè)獨(dú)立的CAN通信I/O口，分別模擬4個(gè)車載節(jié)點(diǎn)，可以完全模擬車載環(huán)境下的CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)。

圖11 CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.11 Topological structure of CAN bus

由于CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸需要滿足CAN通信協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)，因此本文基于標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0短幀格式，對用于傳遞信號(hào)采樣值的數(shù)據(jù)幀11位標(biāo)識(shí)符和64位數(shù)據(jù)域進(jìn)行了定義，如圖12所示。其中，11位標(biāo)識(shí)符劃分為包類型號(hào)、數(shù)據(jù)包編號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)3個(gè)部分，用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)和所包含采樣值的信號(hào)名稱；而64位數(shù)據(jù)域的8個(gè)字節(jié)，按兩個(gè)字節(jié)一組進(jìn)行劃分，用來存儲(chǔ)4個(gè)不同信號(hào)的采樣值。

圖12CAN數(shù)據(jù)幀的格式定義

Fig.12FormatdefinitionofCANdataframe

綜上所述，基于PXI的仿真平臺(tái)的信號(hào)控制界面如圖13所示。

圖13 仿真平臺(tái)控制界面Fig.13 Control interface of simulation platform

4.1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

本文在車輛綜合測試系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證過程中采用全網(wǎng)絡(luò)同步采集試驗(yàn)，即同時(shí)開啟3個(gè)測試網(wǎng)絡(luò)對信號(hào)進(jìn)行采集，試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。在有線測試網(wǎng)絡(luò)的采集過程中，分別從4個(gè)信號(hào)I/O口對應(yīng)的信號(hào)中各選取1路信號(hào)，所選實(shí)時(shí)信號(hào)的監(jiān)測結(jié)果如圖14(a)所示，可見有線測試網(wǎng)絡(luò)能夠如實(shí)反映出4個(gè)幅值不同的正弦信號(hào)；而對CAN總線測試網(wǎng)絡(luò)而言， CAN1采集網(wǎng)絡(luò)與CAN2采集網(wǎng)絡(luò)中4個(gè)模擬車載節(jié)點(diǎn)均以最小公倍時(shí)間200 ms為周期、常量數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送信號(hào)采樣值, 其試驗(yàn)驗(yàn)證測試數(shù)據(jù)包的定義如表2

圖14 試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Test results表2 CAN總線輸入信號(hào)Table 2 Input signalfrom CAN bus

節(jié)點(diǎn)信號(hào)頻率發(fā)送順序號(hào)D7～D0綜合信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)ID:1546(50Hz)1～4,6～9010101015030303031004040404ID:1554～1570(20Hz)1,302020202203030303404040404ID:1578～1762(5Hz)104040404動(dòng)力信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)ID:1604(100Hz)1～4,6～9,11～14,16～1903030303030303035,10,15,2004040404ID:1612(20Hz)1～404040404空氣濾采集節(jié)點(diǎn) ID:1621(20Hz)1～305050505206060606ID:1629(5Hz)106060606傳動(dòng)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)ID:1547～1555(100Hz)1～4,6～9,11～14,16～1901010101010101015,10,15,2002020202ID:1563～1595(20Hz)1～402020202

所示，其中發(fā)送順序號(hào)為200 ms內(nèi)的測試數(shù)據(jù)包發(fā)送順序。隨機(jī)在CAN1和CAN2測試網(wǎng)絡(luò)中各選擇兩個(gè)信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果如圖14(b)(c)所示，以圖14(c)為例，ch1和ch12均為傳動(dòng)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的通道，分別是采樣率為100 Hz和20 Hz的信號(hào)。其中，ch1通道采集的數(shù)據(jù)為數(shù)值1、2循環(huán)；ch2通道為數(shù)值常量2，波形輸出內(nèi)容與輸入信號(hào)表中定義的內(nèi)容一致，證明采集有效。圖14(d)所示的無線測試網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇的一個(gè)信號(hào)的波形，同樣也如實(shí)反映出了信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)波形。

4.2 實(shí)車試驗(yàn)

為了驗(yàn)證綜合測試系統(tǒng)在實(shí)車條件下的工作狀態(tài)，在北京郊區(qū)坨里試驗(yàn)場進(jìn)行了實(shí)車數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。試驗(yàn)通過獲取某型裝甲車輛油氣彈簧的油溫、車速以及駕駛員位置處的振動(dòng)加速度來驗(yàn)證系統(tǒng)功能。其中，油氣彈簧油溫和角位移由車載已有的CAN總線采集節(jié)點(diǎn)獲取，通過CAN1網(wǎng)絡(luò)傳輸給綜合測試系統(tǒng)，加速度傳感器數(shù)據(jù)由綜合測試系統(tǒng)有線采集模塊直接采集。其中，油溫和車速的采樣頻率為10 Hz，加速度采樣頻率為10 kHz。采集的數(shù)據(jù)由綜合測試系統(tǒng)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，并同時(shí)傳輸給車載上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。試驗(yàn)現(xiàn)場圖和試驗(yàn)組成框圖如圖15所示。

試驗(yàn)過程中，駕駛員以25 km/h左右車速在道路上行駛，此過程中部分采集的數(shù)據(jù)如圖16所示，CAN1網(wǎng)絡(luò)獲取的油溫?cái)?shù)據(jù)和車速數(shù)據(jù)如圖16(a)和(b)所示，車速采集最大值為31 km/h，最小值為12 km/h，平均車速在25 km/h上下浮動(dòng)，符合實(shí)際結(jié)果。溫度數(shù)據(jù)從74 ℃開始逐漸上升。有線采集網(wǎng)絡(luò)獲取的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)為±0.2g

圖15實(shí)車試驗(yàn)現(xiàn)場圖和試驗(yàn)設(shè)備組成圖

Fig.15Actualvehicletestsiteandtestequipmentdiagram

(g=9.8 m2/s)，如圖16(c)所示。通過實(shí)車試驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化綜合測試系統(tǒng)能夠在實(shí)車環(huán)境下可靠運(yùn)行。

圖16 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Actual vehicle test results

5 結(jié)束語

本文以裝甲車輛野外整車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測試為背景，在充分進(jìn)行測試需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于混合總線的裝甲車輛綜合測試系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)通過有線、CAN總線、無線3種方式獲取裝甲車輛的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要由測控終端、測試系統(tǒng)主機(jī)以及車載信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，并針對測點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行了無線測試節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。針對整車試驗(yàn)測試中存在的信號(hào)數(shù)目多、采樣率不一致、傳輸數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，制定了自適應(yīng)數(shù)據(jù)流控制策略。最后，基于PXI搭建了系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，進(jìn)行了信號(hào)源設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，裝甲車輛綜合測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整車全信號(hào)參數(shù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)與顯示，系統(tǒng)功能齊全，運(yùn)行可靠，為裝甲車輛的試驗(yàn)測試提供很好的支撐。

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