LabVIEW平臺下雙緩沖高速串口通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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(1. 同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200092，2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

Design and Realization of Double-buffer and High-speed SerialCommunication System Based on LabVIEW

SHI Pei1，WU Yuanbing2，ZHANG Zhiming1，YU Youling1

(1.College of Electronics and Information Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；

2.Aerospace Research System Engineering Shanghai 201109，China)

LabVIEW平臺下雙緩沖高速串口通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

施培1，吳源兵2，張志明1，余有靈1

(1. 同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200092，2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

Design and Realization of Double-buffer and High-speed SerialCommunication System Based on LabVIEW

SHI Pei1，WU Yuanbing2，ZHANG Zhiming1，YU Youling1

(1.College of Electronics and Information Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；

2.Aerospace Research System Engineering Shanghai 201109，China)

摘要：采用多線程機制、雙緩沖和隊列技術(shù)，基于LabVIEW平臺和高速RS422串口，在高速通信模式下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、處理、顯示及存儲。實際項目應(yīng)用表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，執(zhí)行效率高，具有良好的可移植性和可擴展性，能較好地完成高速串口通信功能。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;高速串口通信;多線程技術(shù);雙緩沖技術(shù)

中圖分類號：TP273；TP311

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)03-0017-03

收稿日期：2014-12-17

Abstract：High-speed serial communication system was developed based on LabVIEW and RS422 communication protocol. Multi-threads mechanism，double-buffer technique and queue scheduling in LabVIEW were applied for the real-time data acquisition and processing，GUI display and database storage. Application result indicates the proposed frame can improve the operation efficiency and veracity，expand the program's functions effectively.

作者簡介：施培(1987-)，男，上海崇明人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。

Key words：LabVIEW;high-speed serial communication;multithread technique;double-buffer technique

0引言

串口通信是一種使用靈活方便，數(shù)據(jù)傳輸可靠的通信方式，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控中被廣泛的應(yīng)用。高速串口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計不同于普通串口通信系統(tǒng)，在接收到數(shù)據(jù)采集終端或者其他設(shè)備所發(fā)送過來的大量數(shù)據(jù)的同時，需要對已接收到的數(shù)據(jù)進行處理并且實時顯示，通常情況下也要準(zhǔn)確完整地存儲數(shù)據(jù)[1CD*22]。由于數(shù)據(jù)的傳輸速度較快，數(shù)據(jù)量大，如采用傳統(tǒng)的單線程編程方式，常常會出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)內(nèi)容不完整或者不正確的情況。某型地面試驗系統(tǒng)中，控制中心機與DSP下位機終端之間采用RS422全雙工通信，傳輸格式采用1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，115200bps的傳輸速率，DSP終端每隔10 ms上傳64字節(jié)長度的數(shù)據(jù)幀。設(shè)計要求計算機能完整準(zhǔn)確的接收數(shù)據(jù)并存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中(本地數(shù)據(jù)庫Access)，同時同步顯示解析后的動態(tài)數(shù)據(jù)。采用多線程技術(shù)則能保證系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)同步工作，節(jié)省大量系統(tǒng)時間完成數(shù)據(jù)讀取、顯示及存儲。

1基于LabVIEW串口通信程序的開發(fā)

1.1　LabVIEW-VISA

LabVIEW是NI(美國國家儀器公司)開發(fā)的一種基于圖形化編程語言的虛擬開發(fā)平臺，它采用的圖形化G語言使應(yīng)用程序的開發(fā)變得簡單方便[1-3]。LabVIEW 軟件提供了豐富的串口通信函數(shù)，編程時，首先調(diào)用串口配置函數(shù)完成串口參數(shù)設(shè)置，包括資源分配，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等．然后，使用VISA Write函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，使用VISA Read函數(shù)接收數(shù)據(jù)．串口使用完成后，應(yīng)用VISA Close函數(shù)關(guān)閉串口，結(jié)束通信[3CD*24]。

1.2　多線程技術(shù)

傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的工作流程是數(shù)據(jù)采集，分析，顯示，存儲4個任務(wù)在同一線程上按照順序依次執(zhí)行，在一個任務(wù)運行的同時后面其余的任務(wù)就不能同步運行，只能處于等待狀態(tài)，因此，常常造成數(shù)據(jù)不能正常處理顯示及存儲。采用多線程技術(shù)，當(dāng)程序運行時，操作系統(tǒng)為每個獨立的線程安排CPU時間，單處理器系統(tǒng)以輪回方式按線程的優(yōu)先級提供時間片，每個線程在使用完時間片后交出控制權(quán)，系統(tǒng)再將CPU時間片分配給下一個線程，相較于單線程編程方式，多線程技術(shù)極大的提高了系統(tǒng)的執(zhí)行速度。

1.3　雙緩沖技術(shù)

圖1　數(shù)據(jù)接收程序

由于數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲所需的系統(tǒng)資源和運行時間各不相同，和前三者相比較，存儲操作往往耗時更長。在高速大數(shù)據(jù)量情況下，當(dāng)前數(shù)據(jù)記錄在存儲的過程會被后一條數(shù)據(jù)記錄覆蓋，這樣會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能完整正確的存儲。借鑒圖像顯示中的雙緩沖技術(shù)，在程序中先開辟2個緩沖區(qū)，將接收到的數(shù)據(jù)先存放到一個緩沖區(qū)中，當(dāng)緩沖區(qū)達到一定大小時將數(shù)據(jù)存放到另一個緩沖區(qū)中，同時對第1個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行存儲操作。一旦第2個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)記錄達到指定的數(shù)量后，再將數(shù)據(jù)存放到第1個緩沖區(qū)中，重復(fù)使用2個緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)的存放和存儲，能夠有效地避免上面遇到的問題。雙緩沖能起到很好的數(shù)據(jù)存儲緩沖作用，在實際工程中能高效地完成數(shù)據(jù)存儲操作。

2高速串口通信程序?qū)崿F(xiàn)

2.1　總體設(shè)計方案

根據(jù)多線程的機制，將數(shù)據(jù)采集、分析顯示、雙緩沖、存儲分配到4個While循環(huán)中，并行的執(zhí)行。每個While循環(huán)采用狀態(tài)機制，循環(huán)之間借助隊列函數(shù)實現(xiàn)“生產(chǎn)者-消費者”架構(gòu)進行數(shù)據(jù)的共享。VISA讀取函數(shù)每隔10 ms讀取一次串口緩沖區(qū)，將下位機數(shù)據(jù)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)讀取出來，再將數(shù)據(jù)傳輸給后面的數(shù)據(jù)分析顯示循環(huán)和數(shù)據(jù)存儲循環(huán)，數(shù)據(jù)接收循環(huán)程序如圖1所示。

當(dāng)使用多線程技術(shù)的同時，必須考慮程序的停止機制，即如何來確保4個不同功能While循環(huán)的同步停止，以便能安全退出整個上位機程序。當(dāng)讀串口循環(huán)接收到64個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，將其通過隊列函數(shù)傳遞到數(shù)據(jù)分析循環(huán)，按下停止按鈕將讀串口循環(huán)停止，連接在While循環(huán)內(nèi)的釋放隊列引用函數(shù)將前面定義的Data隊列取消，在數(shù)據(jù)處理循環(huán)中的出隊列函數(shù)，將無法檢測到Data隊列的引用，從而產(chǎn)生報錯。利用此錯誤可停止數(shù)據(jù)處理While循環(huán)，即通過1對隊列函數(shù)(入隊列和出隊列)來控制2個While循環(huán)的停止。系統(tǒng)中其余3個While循環(huán)(數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲)均通過此機制實現(xiàn)循環(huán)的停止。數(shù)據(jù)顯示循環(huán)和數(shù)據(jù)存儲循環(huán)的后臺程序流程如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)顯示和存儲程序流程

2.2　雙緩沖的實現(xiàn)

在緩沖處理循環(huán)的Initialize狀態(tài)中，首先利用初始化數(shù)組函數(shù)開辟緩沖區(qū)A和緩沖區(qū)B(50行64列的二維數(shù)組)，并且初始化數(shù)組指針為0。程序進入Buffer狀態(tài)后，當(dāng)上位機每隔10 ms接收到一幀64個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，利用數(shù)組替換子集函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入到緩沖區(qū)A中，第1條數(shù)據(jù)替換到緩沖區(qū)A的第1行(組數(shù)指針初始化為0)，同時數(shù)組指針自動加1，即第2條數(shù)據(jù)存放到第2行，當(dāng)存放到第50條時(數(shù)組指針為49)，標(biāo)志緩沖區(qū)A放滿，切換到緩沖區(qū)B，將后續(xù)數(shù)據(jù)存放到緩沖區(qū)B中，操作與緩沖區(qū)A相同。同時對緩沖區(qū)A中的數(shù)據(jù)進行存儲操作，借助隊列函數(shù)將其傳輸?shù)酱鎯ρh(huán)中進行存儲。這樣就實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的同時又在存儲數(shù)據(jù)。當(dāng)緩沖區(qū)B存滿時，再將數(shù)據(jù)存放到緩沖區(qū)A中，同時對緩沖區(qū)B中的數(shù)據(jù)進行存儲操作。如此依次進行存放和存儲操作，接收雙緩沖機制流程如圖3所示。

圖3　雙緩沖流程

3測試結(jié)果

實際工程項目應(yīng)用中，上位機電腦配置為：Intel Celeron 1.5 GHz主頻，4 G內(nèi)存，500 G硬盤，Windows XP操作系統(tǒng)，本地數(shù)據(jù)庫采用Access2007。下位機DSP數(shù)據(jù)終端以10 ms間隔，115200bps速率持續(xù)向上位計算機發(fā)送64個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，利用前述技術(shù)方案在LabVIEW環(huán)境下編程，上位機能夠?qū)崟r接收數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)，并且在接收和處理數(shù)據(jù)時沒有發(fā)生緩沖區(qū)溢出現(xiàn)象。根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)，可以計算得到平均存儲一條數(shù)據(jù)記錄的時間t=4.08 ms。

4結(jié)束語

結(jié)合實際項目，實現(xiàn)基于雙緩沖的高速串口通信程序，能可靠地接收數(shù)據(jù)終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)，完整準(zhǔn)確地進行顯示和存儲，能夠達到預(yù)先提出的設(shè)計指標(biāo)。進一步的研究方向是提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?如發(fā)送時間間隔減小或者增大發(fā)送數(shù)據(jù)長度)，以達到更好的技術(shù)性能，并引入高性能數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(如SQL Sever或Oracle等來提高程序的整體性能)。

參考文獻：

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