王少虎，劉亞斌

（北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191）

飛控組件綜合測試系統(tǒng)主要用以對某型號產(chǎn)品的飛控組件的電氣性能、功能、時序進行全面調(diào)試與測試，并隔離、定位和分析故障，完成常溫、高低溫性能測試、振動和沖擊測試。飛控組件與載機、導引頭、舵機等通訊，不斷發(fā)出代表自身工作狀態(tài)的LVDS遙測信息[1]。測試系統(tǒng)中的LVDS遙測采集卡需實時采集LVDS遙測信息，并存儲、顯示。Win?dows系統(tǒng)實時性差[2]，在采集LVDS遙測信息過程中時常會出現(xiàn)丟幀、誤碼現(xiàn)象。本測試系統(tǒng)要求在有限的、確定的時間內(nèi)實現(xiàn)一個周期數(shù)據(jù)的采集。鑒于Windows7良好的人機交互界面、強大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理功能[3]，并考慮到各類實時系統(tǒng)或開發(fā)工具的實時性能、開發(fā)難度、軟件可移植性、成本等因素，選取RTX2012對Windows 7系統(tǒng)進行硬實時擴展[3]，進行LVDS遙測采集卡的RTX驅(qū)動程序開發(fā)。

1 LVDS遙測采集卡概述

LVDS遙測采集卡主要用于接收飛控組件發(fā)出的LVDS遙測信號[4]，主要特性有：PXI總線接口；一幀255個遙測數(shù)據(jù)，每6 ms中斷一次，完成一幀數(shù)據(jù)上傳；接收字數(shù)可軟件設置，數(shù)據(jù)接收時板卡自動存儲，至少可記錄十分鐘遙測數(shù)據(jù)，且不丟幀；傳輸速率32 MB/s；傳輸距離≥5 m。

LVDS遙測信號只含有1路數(shù)據(jù)信號和1路時鐘信號[5]。本采集卡主要有兩大功能模塊：LVDS遙測信號收發(fā)模塊、PXI/CPCI總線接口模塊。兩個模塊以一片F(xiàn)PGA（型號為EP1C12Q240）為核心，利用FPGA實現(xiàn)硬件總體時序邏輯控制、LVDS遙測信號的采集/發(fā)送功能。硬件總體設計框架如圖1所示。

圖1 LVDS遙測采集卡硬件結(jié)構(gòu)框架

2 RTX2012概述

RTX2012（Real Time Extension 2012）是 Interval Zero公司的重要產(chǎn)品，通過對Windows的硬件抽象層進行硬實時擴展[6]，設計實現(xiàn)實時任務的管理、調(diào)度。它沒有對Windows系統(tǒng)進行修改或封裝[7]，支持部分win32API函數(shù)，并擁有一套RTAPI實時函數(shù)（中斷處理函數(shù)為RTAPI獨有）[8]，方便平臺間共享、移植軟件程序。

RTX2012實時子系統(tǒng)采用搶占式優(yōu)先級[9]，分127個線程優(yōu)先級，RTSS線程優(yōu)先于所有的Windows線程[10]；實時特性達微秒級，保證上下文線程切換，使得在亞微妙范圍內(nèi)的線程優(yōu)先級更高；完全支持多核CPU，可指定RTX在獨占的核上運行；能精確控制IRQ、I/O、內(nèi)存等[11]。

RTX2012支持PCI/PCI-E總線上基于消息、線性的中斷[12]，使得配置Win 7系統(tǒng)信息變得簡單；RTX2012可以通過信號量、互斥體以及共享內(nèi)存等高速IPC對象和同步機制[13]，實現(xiàn)RTX與Windows之間數(shù)據(jù)交換。其定時器時鐘頻率為100ns，最低定時器周期為 100 μs，并支持實時以太網(wǎng)、USB 通訊[14]。RTX2012支持Microsoft Visual Studio 2010/2008/2005，使得不同版本開發(fā)工具開發(fā)出的軟件程序可以較好兼容。

3 RTX驅(qū)動程序開發(fā)

利用Visual Studio2010+RTX2012開發(fā)RTX驅(qū)動，通過VS2010中“RTX Device Driver”選項按向?qū)?chuàng)建驅(qū)動程序框架，添加對應功能函數(shù)代碼，經(jīng)編譯、運行，最后生成.rtss文件。

3.1 RTX驅(qū)動程序基本函數(shù)

利用向?qū)Э焖賱?chuàng)建的RTX驅(qū)動程序框架，主要提供了設備管理和中斷管理方面的基本函數(shù)[15]，供開發(fā)人員調(diào)用以完成對設備的初始化、清除設備資源、中斷處理等功能。

DeviceSearch函數(shù)用于設備查找；DeviceInit函數(shù)用于獲取板卡的內(nèi)存空間、中斷號等硬件資源；RtGetBusDataByOffset函數(shù)用于訪問9054配置空間，獲取本地寄存器和存儲空間內(nèi)存與中斷信息[16]；Rt?TranslateBusAddress和RtMapMemory函數(shù)將物理地址映射為虛擬地址，用基地址加上偏移量，RTX驅(qū)動程序就可讀寫本地寄存器或內(nèi)存空間[17]；Device?Cleanup用于釋放板卡硬件資源。RtCreateShared?Memory和RtOpenSharedMemory用于創(chuàng)建、打開共享內(nèi)存；RtCloseHandle用于釋放共享內(nèi)存；DeviceISR函數(shù)判斷中斷來源；DeviceIST函數(shù)處理中斷；RtAt?tachInterruptVectorEx將中斷向量與中斷服務線程IST、中斷服務例程ISR相關聯(lián)[18]，針對中斷是否共享、中斷電平觸發(fā)方式、傳遞上下文等進行對應設置。

3.2 RTX驅(qū)動程序功能函數(shù)

3.2.1 主函數(shù)

進入主函數(shù)main（）中，首選創(chuàng)建互斥體對象，防止其他線程對某一數(shù)據(jù)進行同時訪問。隨后，為設備創(chuàng)建控制資源，這些控制資源主要包括以下：Windows指向RTX的事件對象hW2REvent，RTX指向Windows的事件對象hR2WEvent，Windows和RTX之間的共享內(nèi)存對象hDevCtrlShare，RTX命令接收線程對象hCmdThread。其中每塊板卡都將會創(chuàng)建一個命令接收線程，而且接收線程的入口地址相同。如果在創(chuàng)建這些控制資源的過程中，任何一個資源創(chuàng)建失敗，則退出主函數(shù)；反之，所有控制資源都創(chuàng)建成功，則掛起當前線程，等待用戶發(fā)出相應的Windows指令，就進入RTX命令接收線程進行相應處理。

3.2.2 初始化

板卡初始化函數(shù)的聲明為int InitializeO?neDevRtss（ULONG DevNum）；，首先判斷板卡是否打開，如果已經(jīng)打開，則返回-1，表示初始化失敗。如果板卡尚未打開，則利用DeviceSearch函數(shù)，根據(jù)vendorID和deviceID查詢PXI總線上所有設備[19]，LVDS遙測采集卡vendorID、deviceID依次為0x10b5、0x0104，查詢到LVDS遙測卡后，返回設備的bus、slot和ConfigData信息，并進行一系列的板卡硬件資源的初始化任務[20]，主要包括對9054寄存器、Local寄存器基地址獲取、內(nèi)存映射。之后，禁止中斷，通過PciGetIrq獲取中斷請求Irq，并通過RtAttachInterrup?tVectorEx函數(shù)進行中斷連接[21]。連接中斷成功后，清除中斷。隨后，利用RtCreateLock函數(shù)創(chuàng)建發(fā)送時鐘、接收時鐘，并用RtCreateEvent函數(shù)創(chuàng)建接收完成事件通知。如果所有操作都未返回FALSE，則板卡打開狀態(tài)變量bOpened置為TRUE，板卡初始化成功。否則，初始化失敗，并利用CleanUpOneDevRtss（ULONG DevNum）釋放已經(jīng)獲得的板卡資源。

3.2.3 清除設備

清除設備的函數(shù)聲明為void CleanU?pOneDevRtss（ULONG DevNum）；，當初始化失敗時或關閉板卡時，需調(diào)用該清除設備函數(shù)。首先，禁止中斷，取消9054和本地地址空間的內(nèi)存映射，之后，取消中斷連接，關閉已經(jīng)創(chuàng)建的發(fā)送Lock、接收Lock句柄以及接收完成事件，最后將板卡打開狀態(tài)變量RtssDevCtrl[DevNum].bOpened置為FALSE，即可完成板卡資源釋放清除功能。

3.2.4 中斷處理

中斷處理函數(shù)的聲明形式為BOOLEAN RTAPI IST（PVOID pContext）；，中斷處理流程見圖2。

圖2 中斷處理流程

當有中斷產(chǎn)生時，進入DeviceISR判斷中斷來源和類型，讀取中斷狀態(tài)寄存器的值。如果不是本設備中斷，就將中斷傳遞到下一個共享該中斷號的設備；如果是本設備中斷，先禁止中斷，再清除中斷，并加鎖以同步，判斷設備是否開始接收數(shù)據(jù)。當設備沒有開始接收時，就設置接收數(shù)目，并將數(shù)據(jù)從硬件底層讀取放入驅(qū)動緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)接收完成時，就設置接收完成事件，并解鎖，允許中斷，繼續(xù)等待下一個中斷到來，完成數(shù)據(jù)接收。其中，將數(shù)據(jù)從硬件板卡上讀到驅(qū)動FIFO中的代碼實現(xiàn)如下：

3.2.5 命令接收線程

該函數(shù)的聲明形式為DWORD WINAPI RtxCmdThread（PVOID param）；，用戶通過 Windows友好的交互界面下發(fā)不同的操作命令，主函數(shù)接收命令，并傳入RTX命令接收線程。RTX根據(jù)接收到Windows發(fā)出的不同命令進行相應的處理，這些命令主要包括打開板卡、關閉關閉、開始接收、停止接收操作。具體代碼實現(xiàn)如下：

3.3 應用程序接口函數(shù)

為了更好實現(xiàn)LVDS遙測卡的各項功能，還需要封裝一些用戶接口函數(shù)，主要包括板卡的打開、關閉、發(fā)送數(shù)據(jù)、停止發(fā)送、接收數(shù)據(jù)、停止接收等。函數(shù)封裝的具體形式如下：

3.4 RTSS進程與Win32進程通信

通過共享內(nèi)存（ShareMemory）和信號量（Sema?phore），實時進程RTSS與上層應用程序Win32進程實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通信過程如圖3所示。

圖3 RTSS與Win32通信簡圖

當RTSS訪問共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)時，向共享內(nèi)存發(fā)送請求訪問信號量；共享內(nèi)存接到請求信號量，向上層Win32發(fā)送詢問信號量。如果上層應用已經(jīng)準備好并將數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存，在收到詢問信號量后，則下發(fā)準備好信號量。此時，共享內(nèi)存再返回可以訪問信號量給RTSS，RTSS就可以從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。反之，當上層Win32進程需要訪問共享內(nèi)存數(shù)據(jù)時，過程同理。

4 RTX驅(qū)動程序測試

對Windows下開發(fā)的LVDS遙測采集卡WDM驅(qū)動程序進行多次測試，板卡自檢結(jié)果如圖4所示，出現(xiàn)了丟幀、誤碼的情況。這是因為飛控組件綜合測試系統(tǒng)對實時性要求較高，要求每6 ms來一次中斷，完成一幀數(shù)據(jù)256字節(jié)的上傳，而Windows系統(tǒng)的最小時間粒度僅為10 ms，無法滿足實時性要求[22]。相應的利用Windows7+RTX2012開發(fā)的RTX驅(qū)動程序進行多次重復測試，結(jié)果如圖5所示，接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)完全吻合，表明設計開發(fā)的LVDS遙測采集卡的RTX驅(qū)動程序?qū)崟r、準確、可靠的完成了板卡的數(shù)據(jù)接收任務，很好地滿足了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)接收實時性的要求。

5 結(jié)束語

鑒于飛控組件綜合測試系統(tǒng)對接收LVDS遙測信息的實時性要求，開發(fā)了Win7+RTX2012下的LVDS遙測采集卡的RTX驅(qū)動程序。本文詳細介紹RTX2012的驅(qū)動程序開發(fā)要點，并給出了詳實的開發(fā)過程和方法。經(jīng)反復測試，該RTX驅(qū)動程序運行穩(wěn)定。目前，所開發(fā)的RTX驅(qū)動程序已應用于測試設備，能準確、實時地完成LVDS遙測信號接收任務。

圖4 Windows驅(qū)動程序測試結(jié)果

圖5 RTX驅(qū)動程序測試結(jié)果

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