丁萬(wàn)成，付緬言

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471000; 2.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

基于PXI Express總線的多通道數(shù)字化儀軟件技術(shù)研究

丁萬(wàn)成1，付緬言2

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471000; 2.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

針對(duì)各種數(shù)字化設(shè)備高采樣率和高分辨率的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)一種基于PXI Express總線的多通道數(shù)字化儀；該數(shù)字化儀開放性高，靈活性好，模塊化強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域中；結(jié)合數(shù)字化儀開發(fā)過(guò)程中所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方案，重點(diǎn)從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、接口封裝和應(yīng)用軟件三個(gè)方面進(jìn)行分析闡述；首先，深入研究了KMDF設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，如配置空間訪問(wèn)、中斷處理、DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊倪\(yùn)行機(jī)制及實(shí)現(xiàn)方法；然后，以數(shù)字化儀應(yīng)用需求為背景，闡述了采用.Net平臺(tái)下三層體系架構(gòu)的軟件總體設(shè)計(jì)；最后，大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果分析表明，該數(shù)字化儀具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到預(yù)期技術(shù)要求和性能指標(biāo)。

數(shù)字化儀；KMDF；PXI Express；三層體系架構(gòu)

0 引言

隨著武器裝備數(shù)字化、高可靠性的需求，在各種敵我識(shí)別、雷達(dá)、電子對(duì)抗、數(shù)字通信與指揮控制系統(tǒng)等數(shù)字化設(shè)備的測(cè)試中，數(shù)字化儀已經(jīng)成為其中必不可少的測(cè)試模塊。數(shù)字化儀就是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的具有數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)采集以及處理能力的電子示波器，是用來(lái)測(cè)量、記錄、分析各種瞬時(shí)物理信號(hào)，并以波形的形式呈現(xiàn)信號(hào)與時(shí)間關(guān)系的電子儀器。由于數(shù)字化儀的開放性和模塊化等特性，使得其具有靈活添加和修改模塊的能力，可與其他模塊組成所需的測(cè)試平臺(tái)。根據(jù)不同需求并采取對(duì)應(yīng)的軟件解決方案，可以滿足不同的應(yīng)用要求。而PXI Express總線作為PXI總線的擴(kuò)展，具有高數(shù)據(jù)吞吐量、模塊化集成等關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]。因此，基于PXI Express總線數(shù)字化儀以其開放性、靈活性、模塊化等特性，在測(cè)控領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2]。

為了不斷提高數(shù)字化儀測(cè)量的可靠性和穩(wěn)定性，研究了一種基于PXI Express總線的多通道數(shù)字化儀。這種塊化信號(hào)采集設(shè)備具有四個(gè)獨(dú)立通道、高采樣分辨率、大數(shù)據(jù)容量以及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，包括完整的底層驅(qū)動(dòng)、接口動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和應(yīng)用分析處理軟件。通過(guò)測(cè)試與驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期技術(shù)要求和性能指標(biāo)[3]。

1 數(shù)字化儀總體設(shè)計(jì)

基于PXI Express總線的數(shù)字化儀總體上由硬件和軟件組成。

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

數(shù)字化儀硬件主要包括：模擬信號(hào)調(diào)理、AD采集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯算法控制、PXI Express通信、時(shí)鐘管理及電源管理等幾個(gè)模塊。其基本工作原理如下所述：SMA接口接收模擬信號(hào)，利用AD采集將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制模塊。在邏輯算法控制模塊中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和其他處理，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，并通過(guò)PXI Express總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。其中，時(shí)鐘管理、電源管理模塊分別為數(shù)字化儀提供時(shí)鐘和電源。數(shù)字化儀硬件總體設(shè)計(jì)如圖 1所示。

圖1 數(shù)字化儀硬件總體設(shè)計(jì)圖

1.2 軟件總體設(shè)計(jì)

數(shù)字化儀軟件可分為應(yīng)用層軟件(.exe)、驅(qū)動(dòng)接口層動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(.dll)和WDF驅(qū)動(dòng)軟件(.sys)三個(gè)部分[4]。軟件設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 數(shù)字化儀軟件總體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一種使計(jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序，是軟件控制硬件的接口，其性能直接決定整個(gè)系統(tǒng)性能?；赑XI-E總線的多通道數(shù)字化儀的功能特性，要求其具備處理高速大數(shù)據(jù)量的能力。為了減小開發(fā)和集成的復(fù)雜度，本設(shè)計(jì)選用WDF驅(qū)動(dòng)開發(fā)框架，并采用DMA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸[5]。

接口層是對(duì)驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊的封裝，是底層與上層進(jìn)行通信的橋梁。這部分將遵循接口函數(shù)豐富清晰、簡(jiǎn)單明了的原則，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式進(jìn)行編譯生成。

上層應(yīng)用程序是指為了完成某些特定任務(wù)而被開發(fā)運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的計(jì)算機(jī)程序，是人機(jī)交互的平臺(tái)。應(yīng)用層提供簡(jiǎn)潔直觀的用戶界面，以及全面的數(shù)據(jù)分析處理功能。系統(tǒng)基于.Net通用開發(fā)平臺(tái)，提供C#語(yǔ)言開發(fā)的Win32標(biāo)準(zhǔn)用戶界面程序[6]。

2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)

為了減少驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更好的穩(wěn)定性，提高驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)選用Windows操作系統(tǒng)下一代驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)模型WDF，并利用其提供的開發(fā)內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序KMDF，實(shí)現(xiàn)了Windows必須的基本內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序支持功能。

基于KMDF驅(qū)動(dòng)模型開發(fā)的PXI Express設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。在主設(shè)備模式下，數(shù)字化儀設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)主要有四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)需要處理。

圖3 KMDF模型驅(qū)動(dòng)框架圖

2.1 配置空間訪問(wèn)

本課題數(shù)字化儀設(shè)備硬件采用PEX8311實(shí)現(xiàn)PXI Express總線接口[7]。PEX8311在每次系統(tǒng)通電時(shí)，需要通過(guò)外部EEPROM芯片通過(guò)SPI總線為其寫入配置信息[8]。

PEX8311的硬件配置空間需在驅(qū)動(dòng)程序中映射到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中才可訪問(wèn)。故需要在驅(qū)動(dòng)初始化回調(diào)例程中注冊(cè)設(shè)備資源分配和釋放回調(diào)例程，內(nèi)存正確映射到系統(tǒng)空間之后就可在需要時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)器訪問(wèn)函數(shù)來(lái)讀寫PEX8311寄存器或從本地地址空間的讀取采樣數(shù)據(jù)。

2.2 中斷處理

中斷是計(jì)算機(jī)外設(shè)主動(dòng)申請(qǐng)與系統(tǒng)交互的唯一方式。如果不使用中斷方式，則只能使用查詢方式，被動(dòng)等待系統(tǒng)來(lái)查詢自身狀態(tài)，所以中斷方式可以提高系統(tǒng)的工作效率。本課題數(shù)字化儀設(shè)備需要處理兩種類型的中斷請(qǐng)求：本地?cái)?shù)據(jù)中斷和DMA傳輸完成中斷。

2.3 DMA數(shù)據(jù)傳輸

DMA傳輸方式無(wú)需CPU直接控制傳輸，直接通過(guò)DMA控制器為內(nèi)存與I/O外部設(shè)備間開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，使CPU的效率大為提高。由于數(shù)字化儀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，為提高CPU使用效率并同時(shí)達(dá)到快速傳輸?shù)哪康?，故采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[9]。

2.4 驅(qū)動(dòng)接口層

為方便上層應(yīng)用程序使用，對(duì)驅(qū)動(dòng)的操作和通信部分封裝成動(dòng)態(tài)庫(kù)。數(shù)字化儀各項(xiàng)功能是通過(guò)應(yīng)用程序調(diào)用DLL的導(dǎo)出函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，DLL接口函數(shù)封裝了與硬件設(shè)備交互的具體細(xì)節(jié)，只提供統(tǒng)一的接口給應(yīng)用程序調(diào)用。

而動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)除了封裝對(duì)驅(qū)動(dòng)程序控制交互的細(xì)節(jié)，為應(yīng)用程序提供簡(jiǎn)潔高效的控制接口外，另外兩個(gè)核心功能是：利用Windows完成端口I/O模型結(jié)合DMA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，四個(gè)通道獨(dú)立的環(huán)形緩沖區(qū)以避免應(yīng)用程序因不能及時(shí)相應(yīng)而造成的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

2.4.1 高速數(shù)據(jù)傳輸

本設(shè)計(jì)中數(shù)字化儀具有4個(gè)獨(dú)立通道，若4個(gè)通道同時(shí)全速率工作，則產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將遠(yuǎn)超設(shè)備的處理能力。故設(shè)計(jì)時(shí)，需要硬件板卡自身每個(gè)通道帶有4M * 32的SDRAM緩存，且不能連續(xù)工作過(guò)長(zhǎng)時(shí)間。

系統(tǒng)接收端，在驅(qū)動(dòng)程序中采用DMA結(jié)合應(yīng)用程序使用的Windows完成端口I/O模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)盡可能的高速傳輸[10-11]。完成端口(IOCP)的建立步驟可總結(jié)為：首先，創(chuàng)建一個(gè)完成端口內(nèi)核對(duì)象；然后，將設(shè)備句柄與I/O完成端口關(guān)聯(lián)；最后，創(chuàng)建工作者線程。

2.4.2 數(shù)據(jù)緩存

本設(shè)計(jì)中數(shù)字化儀設(shè)備每秒鐘都會(huì)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)及中斷，應(yīng)用層軟件無(wú)法保證每次中斷都能接收到。為確保數(shù)據(jù)不丟失，采用如下模型：數(shù)據(jù)接收采用I/O完成端口線程池來(lái)響應(yīng)底層中斷并取數(shù)，上層軟件負(fù)責(zé)后續(xù)數(shù)據(jù)顯示及處理，中間使用公用緩沖區(qū)連接兩者。

3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)數(shù)字化儀設(shè)備應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了基于PXI Express總線的多通道數(shù)字化儀軟件[12]，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 應(yīng)用程序架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字化儀應(yīng)用軟件采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，即表現(xiàn)層，業(yè)務(wù)邏輯層，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。每一層中的組件能完成對(duì)應(yīng)的功能模塊，同時(shí)還提供一些通用組件來(lái)完成通用服務(wù)。

(1)表現(xiàn)層：實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互，提供一組控制接口給用戶選擇，并接收用戶的輸入。同時(shí)，將采集的數(shù)據(jù)信號(hào)以波形的形式呈現(xiàn)給用戶。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層：處理所有業(yè)務(wù)邏輯，對(duì)用戶的輸入進(jìn)行處理。主要工作包括：定義、初始化全局變量；設(shè)定數(shù)字化儀的工作模式；對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析并提取有用信息；對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行FFT變換或?yàn)V波器處理等。調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層接口，并為表現(xiàn)層提供服務(wù)。

(3)數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：該層是對(duì)業(yè)務(wù)邏輯層的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的操作。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)來(lái)源從數(shù)字化儀、文件或仿真生成信號(hào)中提取數(shù)據(jù)，反饋給業(yè)務(wù)邏輯層處理，并將需要保存的數(shù)據(jù)按照指定格式持久化到本地磁盤文件中。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中，采用Windows下的Visual studio 2008開發(fā)平臺(tái)，基于.Net框架下的WinForm窗體應(yīng)用程序，整體用戶界面如圖5所示。界面控件選用NI MeasureStudio 8.6工具軟件包[13]。

圖5 數(shù)字化儀應(yīng)用軟件整體界面

主界面采用標(biāo)簽頁(yè)的形式，按照各功能模塊劃分成相應(yīng)的可浮動(dòng)調(diào)整的工具欄窗口，數(shù)字化軟件的各個(gè)功能模塊如下：

1)主顯示模塊。本設(shè)計(jì)中，數(shù)字化儀的波形顯示界面上能夠同時(shí)顯示四個(gè)通道的波形，并以不同的顏色或者線條對(duì)選通通道的波形進(jìn)行區(qū)分顯示。每個(gè)通道可單獨(dú)設(shè)置Y軸偏移量，便于同時(shí)對(duì)比觀察多路信號(hào)。

2)采樣控制模塊?？梢栽O(shè)定信號(hào)的三種來(lái)源：數(shù)字化儀、仿真數(shù)據(jù)和文件回放。在采樣控制窗口配置好信號(hào)源之后，便可以啟動(dòng)連續(xù)采集或者單次采集進(jìn)行工作。

3)通道配置模塊。用戶可選擇配置單個(gè)通道并靈活地轉(zhuǎn)換控制通道，使數(shù)字化儀的四個(gè)通道完全獨(dú)立工作且互不干擾。數(shù)字化儀配置接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要包括通道的選擇、采樣速率、采樣深度、電平觸發(fā)、預(yù)采樣使能、中斷觸發(fā)等級(jí)等參數(shù)設(shè)置。

4)信號(hào)變換分析模塊。包括數(shù)字化儀中的波形參數(shù)分析與快速傅立葉變換分析。

5)保存反演模塊。在處理有價(jià)值的信號(hào)時(shí)，應(yīng)用軟件提供了一種數(shù)據(jù)保存功能，便于用戶在離開信號(hào)源時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。本設(shè)計(jì)中采用文件的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

6)仿真信號(hào)生成模塊。便于輔助分析，驗(yàn)證數(shù)字化儀采集分析功能是否正常。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

數(shù)字化儀設(shè)計(jì)完成之后，需進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試。反復(fù)試驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不斷提高數(shù)字化儀軟硬件設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性及可靠性。

4.1 穩(wěn)定可靠性測(cè)試

主要測(cè)試應(yīng)用軟件與驅(qū)動(dòng)程序之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及數(shù)據(jù)是否會(huì)出現(xiàn)丟失現(xiàn)象。在測(cè)試過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)程序采用Debug版本，在其中打印輸出每次DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，在驅(qū)動(dòng)接口動(dòng)態(tài)庫(kù)中輸出接收到的數(shù)據(jù)量，通過(guò)設(shè)定不同的采樣深度，對(duì)比測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性可靠性測(cè)試

從表1可以看出，應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序之間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，無(wú)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

4.2 采樣分析測(cè)試

利用函數(shù)發(fā)生器輸入不同頻率、幅值的信號(hào)，同時(shí)使用示波器和數(shù)字化儀采集信號(hào)，進(jìn)行顯示和分析，并給出相應(yīng)誤差。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)試與分析，對(duì)采樣衰減系數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終數(shù)字化儀信號(hào)復(fù)現(xiàn)得到的波形與示波器基本一致[14]。測(cè)試數(shù)據(jù)分析如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4.3 DMA傳輸性能測(cè)試

利用DMA并結(jié)合DMA公用緩沖區(qū)方式可獲得高連續(xù)性數(shù)據(jù)傳輸。在PXI-E總線下經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，使用共享緩沖區(qū)的DMA傳輸速率能達(dá)到75～110 MB/s之間，性能變化依賴于數(shù)據(jù)塊的大小。

4.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓縮測(cè)試

該數(shù)字化儀軟件設(shè)計(jì)，對(duì)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)保存時(shí)采用保存14bit原始采樣值的方式，同時(shí)可選擇GZip或Deflate壓縮算法進(jìn)行壓縮。由測(cè)試知，14bit采樣值保存方式比轉(zhuǎn)換成信號(hào)量值時(shí)節(jié)省約3/4存儲(chǔ)空間，而GZip和Deflate壓縮比基本相同[15]。不同存儲(chǔ)方式對(duì)比如表3所示。

表3 幾種不同存儲(chǔ)方式對(duì)比

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于PXI Express總線的多通道數(shù)字化儀，通過(guò)對(duì)數(shù)字化儀功能的分析和研究，重點(diǎn)解決設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、接口封裝和應(yīng)用軟件三個(gè)問(wèn)題。其中，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)選用KMDF驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，應(yīng)用軟件開發(fā)是基于.Net技術(shù)框架下的三層體系架構(gòu)的WinFrom應(yīng)用程序。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性，能夠滿足實(shí)際工程需求。

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Research on Multi-channel Digitizer Based on PXI Express Bus

Ding Wancheng1, Fu Mianyan2

(1.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471000,China;2.School of Automation Science and Electrical Engineering,Beihang University, Beijing 100191,China)

A multi-channel digitizer based on PXI Express bus is designed for high sampling rate and high resolution test requirements of various digital devices. The digitizer, widely used in the field of measurement and control, has high openness, flexibility and modularization. Combined with the digitizer development process faced by the key issues and solutions, the device driver, interface encapsulation and application software of digitizer are researched in this paper. Firstly, several key issues of KMDF device driver development are discussed, such as configuration space access, interrupts handling and DMA data transmission. Secondly, after analyzing the application requirements of digitizer, this paper introduces the three-tier architecture of software design scheme based on .Net platform. At last, the experiment results show that this system has good reliability, stability and achieves the expected technical requirement and performance index.

digitizer; KMDF; PXI Express; three-tier architecture

2017-01-17；

2017-02-10。

丁萬(wàn)成(1963-)，男，河南洛陽(yáng)人，大學(xué)，高級(jí)工程師,主要從事系統(tǒng)測(cè)試與控制技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)04-0126-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.035

TN06

A