王志, 吳紅芳

摘 要：導(dǎo)彈舵機(jī)測試要求具有高效率、大批量的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸能力，且總體測試的復(fù)雜性和參與測試部件不斷增加，所以必須從硬件結(jié)構(gòu)研究高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，同時緩解系統(tǒng)資源消耗壓力。研究DMA、緩存、同步觸發(fā)等高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，基于這些技術(shù)構(gòu)建高速測試系統(tǒng)，并應(yīng)用于某型導(dǎo)彈舵機(jī)頻率特性測試及總體測試。理論研究及其應(yīng)用表明，構(gòu)建的高速測試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)流量大，傳輸效率高，系統(tǒng)資源消耗低，信號處理速度快等優(yōu)點，可以滿足導(dǎo)彈測試的數(shù)據(jù)傳輸要求，也可應(yīng)用于其他有高速數(shù)據(jù)傳輸要求的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：舵機(jī)測試； 定時器； 數(shù)據(jù)采集； 緩存； DMA； 同步觸發(fā)

中圖分類號：TN914-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0017-04

Technology of High-speed Data Transmission in Missile Test System

WANG Zhi1, WU Hong-fang2

(1. Computer Science and Engineering College, Xian Technological University, Xian 710032, China;

2. Luoyang Optoelectro Technology Development Center, Luoyang 471009, China)

Abstract：

Missile actuator test requires continuous data transmission capability with high efficiency and huge quantity, and its complexity and participating parts in general test increases gradually, so the high-speed data transmission technology must be studied from hardware while system resources consumption can be alleviated. The technologies of DMA, buffer and synchronous trigger in high-speed data acquisition system are researched. Based on them, the high-speed test principle is studied and applied to some missile actuator test The theory and application indicate that the constructed high-speed test system can meet the requirements of mass data flow, high transmission efficiency, low resources consumption and high-speed signal processing, and it can be used to other systems with high-speed data transmission.

Keywords： actuator test; timer; data acquisition; buffer; buffer; DMA; synchronous trigger

0 引 言

高速數(shù)據(jù)傳輸指高速的數(shù)據(jù)采集與激勵，即要對測試對象的輸出進(jìn)行高速采集，同時還要把激勵信號高速發(fā)送給測試對象。傳統(tǒng)正弦掃頻頻域測試法，測試精度高但效率很低?；谡{(diào)頻脈沖掃頻和FFT頻譜分析的頻率特性測試技術(shù)能夠在保證測試精度的情況下提高測試效率，可以在數(shù)秒鐘之內(nèi)完成頻率特性的測試和計算［1］，但調(diào)頻脈沖掃頻要求高速數(shù)據(jù)傳輸，因此必須從硬件角度提高數(shù)據(jù)采集與激勵的速度，即實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。Windows是多任務(wù)操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺提供的定時器精度低，完全不能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?］。多媒體定時器可以實現(xiàn)1 ms精度的定時，適用于舵機(jī)時域特性測試，但用于頻域特性測試精度還不夠。

DMA是提高數(shù)據(jù)傳輸效率的高效I/O技術(shù)，是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)傳送方法，在并行、大數(shù)據(jù)量處理方面具有較大優(yōu)勢，能有效緩解主機(jī)CPU的處理壓力，加速執(zhí)行效率［3］，實現(xiàn)并行多路高速數(shù)據(jù)采集［4］，可同時對模擬信號、串行信號和并行信號進(jìn)行實時采集［5-6］，從而極大地提高應(yīng)用系統(tǒng)的性能［7-8］。

緩存技術(shù)是又一項實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟呗?，常見的緩存技術(shù)有單緩存及雙緩存技術(shù)。緩存技術(shù)已經(jīng)成為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，實現(xiàn)高速大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾夹g(shù)，已成功應(yīng)用于連續(xù)無丟失數(shù)據(jù)采集［9-10］和連續(xù)大批量數(shù)據(jù)采集［11-12］系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)分析與故障檢測的效率和精度。

舵機(jī)是導(dǎo)彈飛行控制的重要部件，頻率特性是導(dǎo)彈發(fā)射前測試的重要內(nèi)容，由于傳統(tǒng)頻率特性測試方法效率低，無法滿足發(fā)射前高效率高精度的測試要求。本文綜合研究了緩存、DMA、同步觸發(fā)等技術(shù)原理，并利用這些技術(shù)構(gòu)建了高速測試系統(tǒng)。理論研究和實例應(yīng)用表明，構(gòu)建的高速測試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)流量大，傳輸效率高，系統(tǒng)資源消耗低，信號處理速度快等優(yōu)點，能夠解決導(dǎo)彈發(fā)射前舵機(jī)頻率特性的測試難題，可以應(yīng)用于各類導(dǎo)彈測試系統(tǒng)。

1 高速測試原理

Windows系統(tǒng)是多任務(wù)操作系統(tǒng)，定時精度低，無法實現(xiàn)多部件、多指標(biāo)的復(fù)雜導(dǎo)彈自動化測試系統(tǒng)連續(xù)大數(shù)據(jù)量的高速實時數(shù)據(jù)傳輸與處理。DMA技術(shù)和緩存技術(shù)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)交由DMA控制器完成，大大減輕了測試計算機(jī)的CPU壓力，同時降低了內(nèi)存消耗。利用FFT技術(shù)對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以高效地獲得測試對象的頻率特性，并由此計算出各頻域指標(biāo)?；贒MA技術(shù)、緩存技術(shù)和FFT技術(shù)構(gòu)建的高速測試系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包括兩個部分：數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。

圖1 高速測試系統(tǒng)原理

數(shù)據(jù)傳輸旨在從硬件上構(gòu)建高速測試系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，實時、快速、無丟失地把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y試系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸包括激勵和采集兩部分，即D/A和A/D部分。測試系統(tǒng)首先離散化激勵信號，通過驅(qū)動程序接口把數(shù)據(jù)預(yù)先注入在激勵緩存(AO RAM)中。測試開始時，測試系統(tǒng)對D/A和A/D進(jìn)行同步觸發(fā)，開始D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換。同時激勵端DMA開始把RAM中的激勵信號傳送到板上FIFO中，由D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換；采集端DMA把A/D輸出在FIFO的數(shù)據(jù)放入采集緩存(AI RAM)中，由測試系統(tǒng)獲取。

數(shù)據(jù)處理部分從測試系統(tǒng)的Buffer里讀取數(shù)據(jù)，使用FFT算法獲取測試對象的頻率特性，進(jìn)而計算各種頻域指標(biāo)；由于采集的是時域數(shù)據(jù)，時域指標(biāo)不需要進(jìn)行復(fù)雜的算法處理即可獲得。FFT是離散傅里葉變換的快速算法，是頻譜分析的有效工具。

2 DMA控制

主機(jī)與外設(shè)間通信有三種基本方式：可編程I/O，中斷I/O和DMA。前兩種方式通常用于小數(shù)據(jù)量的低速傳輸，而DMA則適合于高速連續(xù)的大塊數(shù)據(jù)量傳輸。DMA方式在外設(shè)和內(nèi)存間建立直接的通道，CPU不再直接參加外設(shè)和內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸［6］。

DMA傳輸時，CPU把地址、數(shù)據(jù)和控制線的管理權(quán)交給DMA控制器進(jìn)行控制；完成一次DMA數(shù)據(jù)傳輸后，再將控制權(quán)交還給CPU。這些工作由硬件自動實現(xiàn)，不需要程序進(jìn)行控制。這樣就可以在大批量數(shù)據(jù)傳輸時，減少對CPU資源的占用,提升系統(tǒng)的性能。

對于信號發(fā)生和數(shù)據(jù)采集任務(wù)(如圖2所示)，DMA與CPU協(xié)同工作的過程如下：信號發(fā)生時，CPU把測試系統(tǒng)生成的激勵信號(RAM中)存入緩存中，DMA取得控制權(quán)后，把緩存數(shù)據(jù)導(dǎo)入FIFO，隨時準(zhǔn)備D/A輸出；數(shù)據(jù)采集時，DMA把A/D輸出在FIFO中的信號傳輸?shù)骄彺嬷?，CPU取得控制權(quán)后，把緩存的數(shù)據(jù)讀取出來寫入內(nèi)存(RAM中)供測試系統(tǒng)使用。

圖2 DMA工作原理

DMA作為直接內(nèi)存訪問技術(shù)，是外部設(shè)備與內(nèi)存通信的一種機(jī)制，必須靠DMA控制器即DMAC來實現(xiàn)和完成。DMAC模塊掛接在系統(tǒng)總線上，是實現(xiàn)DMA功能的核心部件。為了實現(xiàn)一次完整的測試任務(wù)，DMA和CPU需要來回交換多次總線控制權(quán)，以不斷實現(xiàn)和完成各自的功能與任務(wù)。

3 緩存技術(shù)

常用的緩存技術(shù)有FIFO技術(shù)，單緩存技術(shù)和雙緩存技術(shù)等。FIFO技術(shù)常見于隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、各種數(shù)據(jù)采集卡和信號發(fā)生器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)先入先出邏輯。對于高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)而言，它已經(jīng)固化在數(shù)據(jù)采集卡中，用戶程序不可控。雙緩存技術(shù)常見于各類圖形顯示與處理系統(tǒng)，用于提高圖像顯示的連續(xù)性，避免閃爍和停頓問題。單緩存技術(shù)是連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸最常見的緩存技術(shù)，它一次性申請，一次性釋放，寫入和讀取操作都比較簡單；單緩存技術(shù)最重要的實現(xiàn)目標(biāo)就是高效率的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理在傳輸完成后進(jìn)行。

3.1 單緩存技術(shù)

舵機(jī)測試系統(tǒng)中，高速數(shù)據(jù)傳輸包括激勵信號發(fā)生和輸出數(shù)據(jù)采集兩部分，分別使用數(shù)據(jù)緩存AO RAM和AI RAM。根據(jù)采樣頻率fs和采樣時長Tss，可以確定AI RAM的大小:

Size of AI RAM=

Tss?fs?Num of AD Chans?Bytesof sample

(1)

式中:Num of AD Chans表示采樣中的A/D通道數(shù);Bytes of Sample表示一個采樣數(shù)據(jù)的字節(jié)大小。例如，對于4路16位精度的A/D通道，Num of AD Chans=4，Bytes of sample=2。

同理，根據(jù)激勵頻率fa和激勵時長Tas，可以確定AO RAM的大小:

Size of AO RAM=

Tas?fa?Num of DA Chans?Bytes of Actuator

(2)

式中:Num of DA Chans表示激勵中的D/A通道數(shù);Bytes of Actuator表示一個激勵數(shù)據(jù)的字節(jié)大小。例如，對于2路12位精度的D/A通道，Num of DA Chans=2，Bytes of Actuator=2(內(nèi)存里沒有1.5 B)。

數(shù)據(jù)傳輸總共需要的緩存為采樣緩存和激勵緩存的和，即:

Size of Total=Size of DA RAM+Size of AD RAM

(3)

通常，參與測試的輸入輸出通道數(shù)與測試部件相關(guān)。從式(1)~式(3)可知，采樣頻率越高,時間越長,參與測試的部件越多，需用的單緩存空間就越大。

3.2 雙緩存技術(shù)

雙緩存實際上就是一個邏輯循環(huán)緩存，它劃分為兩個容量相等的部分。雙緩存的工作原理可以用圖3所示的讀寫過程描述，DMA負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)寫入雙緩存，應(yīng)用程序循環(huán)檢測半滿狀態(tài)或者當(dāng)雙緩存半滿時驅(qū)動程序發(fā)出半滿事件，然后由應(yīng)用程序把數(shù)據(jù)讀出/寫入傳輸緩存。

圖3 雙緩存工作原理

雙緩存數(shù)據(jù)讀取有兩種方式：循環(huán)檢測和事件觸發(fā)。循環(huán)檢測使用查詢方式判斷雙緩存是否半滿，這會占用大量的CPU時間，導(dǎo)致整個系統(tǒng)運行緩慢；事件觸發(fā)類似中斷方式，當(dāng)半滿時，通過半滿事件調(diào)用事件處理例程，完成數(shù)據(jù)讀取工作。從系統(tǒng)性能角度考慮，推薦使用事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)讀取方式。

使用雙緩存技術(shù)主要為了提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，工作過程中不做雙緩存的清理工作，而是在數(shù)據(jù)采集完成后，做一次緩存清理，釋放雙緩存空間。DMA把第一部分?jǐn)?shù)據(jù)拷貝到傳輸緩存中，直接開始寫第二部分，而不清理第一部分緩存；當(dāng)?shù)诙糠謱憹M時，DMA把數(shù)據(jù)拷貝到傳輸緩存中，直接覆蓋第一部分，而不清理第二部分緩存。由于緩存的清理、釋放和申請會占用大量的DMA時間，因此雙緩存的這種工作機(jī)制極大地降低DMA工作壓力和內(nèi)存管理風(fēng)險，從而保證雙緩存工作的順暢性。

3.3 兩種緩存技術(shù)比較

單緩存與雙緩存技術(shù)各有所長，常常互相補充，應(yīng)該根據(jù)不同的情況選擇不同的緩存類型。表1從五個方面分析和比較了單緩存和雙緩存的工作特點，供選擇緩存方式時參考。

表1 單緩存與雙緩存比較

參數(shù)單緩存雙緩存

內(nèi)存空間占用與采集時長、采樣頻率、通道數(shù)有關(guān)循環(huán)使用固定長度的內(nèi)存

最大采樣頻率允許充分利用硬件的高速采樣能力受限于測試系統(tǒng)的處理能力

最大采樣數(shù)受限于緩存容量和可用物理內(nèi)存大小取決于采樣時長和測試任務(wù)

內(nèi)存管理一次申請，一次清理一次申請，一次清理

數(shù)據(jù)處理采集完成后處理采集過程中或完成后處理

單緩存操作中，以固定速率采集固定容量的樣本，測試系統(tǒng)讀取采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單緩存技術(shù)實現(xiàn)簡單，能充分利用硬件設(shè)備的處理能力，但是最大采集數(shù)據(jù)量受限于預(yù)先設(shè)置的傳輸緩存大小和計算機(jī)內(nèi)存的大小。而雙緩存技術(shù)利用循環(huán)緩存技術(shù)重用同一塊緩存區(qū)，從而利用有限的內(nèi)存空間實現(xiàn)無限長數(shù)據(jù)的采集；但是雙緩存技術(shù)可能引起數(shù)據(jù)復(fù)制至傳輸緩存之前被覆蓋，而且可能在數(shù)據(jù)復(fù)制至傳輸緩存的過程中被覆蓋，因此，雙緩存技術(shù)要求測試系統(tǒng)讀取和處理數(shù)據(jù)的速度要比DMA把數(shù)據(jù)寫入循環(huán)緩存的速度快，因此在數(shù)據(jù)采集過程中不能進(jìn)行過于復(fù)雜耗時的數(shù)據(jù)處理［7-8］。

對于Windows這類多任務(wù)非實時操作系統(tǒng)，需要大量高頻數(shù)據(jù)采集時，使用雙緩存技術(shù)不夠安全，而且會消耗大量的CPU處理時間，影響系統(tǒng)中其他任務(wù)的正常執(zhí)行。在這種情況下，建議使用單緩存技術(shù)。但是對于在數(shù)據(jù)采集過程中需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的情況，則必須使用雙緩存技術(shù)，單緩存技術(shù)只能支持?jǐn)?shù)據(jù)采集完畢時的數(shù)據(jù)處理。

4 同步觸發(fā)

對于頻率特性的測試，需要對測試對象的輸入、輸出進(jìn)行嚴(yán)格的同步操作，否則會導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確，引入非同步誤差。如圖4所示，x(t－t1)為D/A輸出，y(t－t2)為采樣輸出，G(jω)為對象頻率特性描述。以下不考慮D/A，A/D環(huán)節(jié)的影響，分析同步觸發(fā)的必要性與原理。

設(shè)x(t)的傅里葉變換為X(jω)，則x(t－t1)的傅里葉變換為X(jω)e－jωt1。同理y(t)的傅里葉變換為Y(jω)，有y(t－t2)的傅里葉變換為Y(jω)e－jωt2。根據(jù)信號的輸入、輸出關(guān)系，有:

G(jω)=FT(y(t－t2))FT(x(t－t1))=Y(jω)e－jωt2X(jω)e－jωt1

=Y(jω)X(jω)e－jω(t2－t1)

(4)

式中:FT表示傅里葉變換。由式(4)可見，當(dāng)t1≠t2時，即D/A與A/D未進(jìn)行同步時，輸入起始時刻t1與采樣輸出起始時刻t2不一致，而在實際計算時則會按照t1=t2，即t2－t1=0的情況計算:

G′(jω)=Y(jω)X(jω)e－jω(t2－t1)=Y(jω)X(jω)

(5)

從而導(dǎo)致相位誤差Δφ=－ω(t2－t1)。

圖4 同步觸發(fā)原理

同步控制就是要通過控制實現(xiàn)D/A信號發(fā)生與A/D輸出采樣的同步開始，即同步觸發(fā)，從而保證始終有t1=t2成立，達(dá)到消除計算誤差的目的。同步觸發(fā)源有軟件觸發(fā)、模擬觸發(fā)、數(shù)字觸發(fā)等，觸發(fā)模式有前觸發(fā)、中觸發(fā)、后觸發(fā)和延遲觸發(fā)等?？紤]觸發(fā)的自動化特性和操作的便捷性，通常選擇軟件觸發(fā)的后觸發(fā)模式實現(xiàn)D/A和A/D的同步觸發(fā)控制，這也是許多先進(jìn)總線模塊支持的觸發(fā)類型。

5 實例應(yīng)用

導(dǎo)彈發(fā)射前的舵機(jī)測試是導(dǎo)彈測試的重要任務(wù)，是檢測和保證導(dǎo)彈發(fā)揮作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)發(fā)射前只測時域特性，而頻域特性的測試在生產(chǎn)過程和定期維護(hù)中測試。正弦掃頻法測頻率特性效率非常低，一般耗時在30 s以上，無法滿足發(fā)射前舵機(jī)測試的效率要求。采用調(diào)頻脈沖掃頻法大大提高了舵機(jī)的測試效率，但是要求硬件采樣速率高，數(shù)據(jù)傳輸速度快，基于DMA、緩存技術(shù)和同步觸發(fā)技術(shù)的高速測試系統(tǒng)能夠極大地提高數(shù)據(jù)傳輸速度，成為舵機(jī)測試系統(tǒng)硬件設(shè)備選擇的關(guān)鍵因素。

某型導(dǎo)彈舵機(jī)測試系統(tǒng)中選擇ADLINK公司的DAQ-2006多功能數(shù)據(jù)采集卡用于舵機(jī)測試，其有4個16位精度、最大采樣速率為250 Kb/s采樣數(shù)據(jù)的A/D通道，2個12位精度、最快更新時間1 μs的D/A通道，以及24針可編程數(shù)字I/O口；A/D端FIFO容量可達(dá)512個采樣數(shù)據(jù)，支持循環(huán)檢測、集散DMA；D/A端FIFO容量可達(dá)2 KB激勵數(shù)據(jù)，支持可編程I/O、集散DMA。此外，該卡還支持外部模擬和數(shù)字觸發(fā)功能，支持軟件觸發(fā)源，以及后觸發(fā)模式等。使用DAQ-2006完全可以實現(xiàn)本文研究的高速測試原理和滿足該舵機(jī)的測試要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于DAQ-2006的舵機(jī)測試原理

在測試頻率特性時，將數(shù)據(jù)采樣頻率和數(shù)據(jù)更新頻率設(shè)置在10 kHz，使用DMA控制的單緩存數(shù)據(jù)傳輸；測試時域特性時，將數(shù)據(jù)采樣頻率和數(shù)據(jù)更新頻率設(shè)置在1 kHz左右，使用DMA控制的雙緩存數(shù)據(jù)傳輸。該型舵機(jī)測試過程顯示：利用DMA單緩存和DMA雙緩存技術(shù)實現(xiàn)的測試系統(tǒng)，CPU占用均穩(wěn)定在2%~4%之間，資源消耗較低。需要指出，應(yīng)用DMA雙緩存技術(shù)時，應(yīng)該使用事件而非查詢的方式讀取緩存數(shù)據(jù)，否則CPU資源耗費會相當(dāng)大。

可見，本文研究的DMA和緩存技術(shù)能夠有效緩解測試系統(tǒng)運行時CPU資源消耗壓力，從而給多部件測試和總體測試預(yù)留足夠的系統(tǒng)資源。

6 結(jié) 語

基于DMA、緩存技術(shù)和同步觸發(fā)技術(shù)，構(gòu)建了高速測試系統(tǒng)的硬件通信結(jié)構(gòu)，支持了測試系統(tǒng)對高效率大數(shù)據(jù)量連續(xù)傳輸?shù)囊?。根?jù)這些技術(shù)，選擇了ADLINK公司的DAQ-2006多功能數(shù)據(jù)采集卡用于某型導(dǎo)彈舵機(jī)測試，理論和開發(fā)應(yīng)用表明，本文研究的高速測試技術(shù)能夠解決舵機(jī)測試過程中遇到的問題，滿足舵機(jī)各種性能指標(biāo)的測試要求，可以應(yīng)用在導(dǎo)彈發(fā)射前舵機(jī)測試上。

通過該高速測試系統(tǒng)采集的大量數(shù)據(jù)，有力地支持了舵機(jī)各類性能指標(biāo)的計算，為提高測試效率和測試精度提供了高效的硬件結(jié)構(gòu)，同時也為基于測試的舵機(jī)故障診斷及緩解導(dǎo)彈總體測試對系統(tǒng)資源的消耗壓力奠定了良好的基礎(chǔ)。本文研究的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與原理具有較好的通用性，可以應(yīng)用于其他要求高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)中。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文