光纖傳輸技術在伺服遠程測試系統中的應用

， ，，國強，

(1.北京精密機電控制設備研究所, 北京 100076； 2.北京特種機械研究所，北京 100143)

光纖傳輸技術在伺服遠程測試系統中的應用

盛文巍1，王靜1，劉睿智1，王國強2，李鋼1

(1.北京精密機電控制設備研究所,北京100076； 2.北京特種機械研究所，北京100143)

遠程數據傳輸是伺服遠程測試系統的一項重要研究內容；由于伺服系統在地面測試過程中有大量突發性數據需要進行傳輸，而且對實時性要求比較高，以往的伺服測試系統使用以太網TCP/IP協議進行數據傳輸，這種傳輸方式延遲會很高，最終造成伺服測試系統的實時監測與實際產品的動作嚴重脫節，無法正常完成伺服系統地面測試任務；為了解決以上問題，對以太網協議數據傳輸延遲進行了分析，同時對高傳輸速率的光纖傳輸技術進行了研究，并將其應用到伺服遠程測試系統中，很好解決了以太網數據傳輸延遲性高的問題。

數據傳輸；實時性；光纖傳輸

0 引言

伺服系統是航天產品控制系統的執行機構,是航天產品控制回路的重要環節。伺服系統的性能直接關系到航天產品的控制穩定性,因此伺服系統的測試非常重要[1]。伺服遠程測試系統是伺服性能測試的重要工具，其由多個節點組成，在節點間有大量突發性數據傳輸，并且測試對實時性要求較高。在遠程測試系統中，延遲主要由數據傳輸網絡造成。在航天產品伺服測試中測控系統往往采用上、下位機的分布式網絡結構，其中上位機作為數據服務器，位于單元測試間，下位機作為測控服務器，位于伺服系統產品近端。現有的伺服測控系統節點間數據傳輸網絡是利用雙絞線和交換機組建的以太網，使用TCP協議進行通訊。由于以太網的突發大數據量傳輸延遲會很高，從而造成伺服測控系統實時監測與實際產品動作嚴重脫節，無法正常完成測控任務。所以，針對以太網的高延遲性，本文主要介紹了以太網傳輸網絡的延遲性分析以及光纖網絡的優勢和設計思路[2-7]。提出一種基于光纖傳輸技術的遠程實時測控系統的研制方案。

1 以太網數據傳輸瓶頸分析

1)以太網自身的限制：物理層使用以太網結構組建計算機網絡時，無中繼器環境下，為了保證信號強度，單根網線的長度不能超過100米，即使是超5類具有電磁屏蔽的雙絞線，在通訊距離較長的復雜環境中也會明顯出現信號的衰減。

2)TCP協議的限制：TCP協議是面向連接，可靠的數據傳輸協議，但是協議本身只保證數據能夠正確的發送至對方網卡，加入不能及時從網卡提取數據，會造成網卡緩存溢出或數據丟失，TCP協議不能處理此問題。同時，TCP協議傳輸較大數據包時，延遲也會隨之增加。

3)操作系統的限制：在windows平臺以TCP方式對外發送的數據包中數據區的長度具有限制，并且與操作系統有關。在一個線程發送數據的情況下，單個數據包所能攜帶的數據長度才是整個網絡數據傳輸的瓶頸所在，與網卡的規格無關。如果欲發送的數據超過了該最大值，則必須認為將數據分包發送，并且每個數據包之間需要間隔一定的時間與計算機硬件運行速度有關。按照目前采用windows平臺開發，模擬采集64通道來計算(不包括1553B板卡采集數據)，按照最大數據量，平均每個數據包中每個通道僅為16～17個點，遠遠不能滿足測試的需要，如果分包發送，則人為的增加了數據的延遲，導致客戶端實時顯示與服務器端實際測試之間產生嚴重不同步，從而影響了整個測試流程執行時間的準確性。

綜上所述，全雙工以太網數據傳輸的沖突檢測和重試以及TCP協議下數據包大小受到限制，數據的傳輸需要接收方的確認，增加了網絡開銷和延遲。因此必須設法改變以太網傳輸方式以解決以數據傳輸延遲的問題。

2 光纖傳輸設計

2.1 以太網傳輸方式改光纖傳輸

放棄以太網TCP方式傳輸數據的方法，改為由內存反射卡承擔數據傳輸的任務。內存反射卡的基本功能是實現不同計算機之間的內存共享，板卡具有一定容量的板載緩存，當數據寫入板載緩存時，板卡會自動通過光纖將數據同步至與其連接的內存反射卡中，之后通過發送中斷通知對方板卡數據可以取讀，數據包延遲為400 ns，由于該辦法數據的發送和接受為不同的線路，所以數據流是單向的，不會出現全雙工以太網的數據沖突，有效降低了數據傳輸的實際延遲。內存反射卡代替以太網TCP/IP方式傳輸數據方案具有以下優勢：

1)數據傳輸速率高， 板卡間數據帶寬可達并且2 Gbit/S沒有以太網單個線程無法完全使用其帶寬的問題。

2)信號抗干擾能力強，板卡間的數據傳輸通過光纖進行，多模光纖的傳輸距離為100 m，單模光纖的傳輸距離可達300 m。

3)內存反射卡不需要識別數據類型，只需使用內存地址和長度即可將數據由內存復制到板載緩存并發送，同樣數據接收方只需知道板載緩存地址和長度便可將數據完全讀出，中間沒有數據的轉化解析過程，從根本上解決了計算機負載高的問題。

2.2 實驗結果

在模擬量信號采集64通道，5 K采樣率的條件下，方式a可以完成數據的傳輸。此時已經影響了數據采集和顯示。當提高采樣率至10 K，模擬量信號采集的同時加入了數字量采集數據時，同步方式占用的時間過多，會出現來不及執行讀取板卡緩存函數的命令，使板卡緩存溢出的現象。

在模擬量信號采集64通道，5 K及10 K采樣率的條件下，方式b可以完成數據的傳輸，而且不會占用數據采集的時間，但是由于異步傳輸方式數據發送頻率較同步方式高，上位機在接收數據過程中CPU的占用率始終為100%，數據信號的顯示具有較大的延遲，并伴有一定幾率的數據丟失現象。

2.3 光纖傳輸設計方案

2.3.1 硬件設計

上位機為控制端，插有一塊光纖內存反射卡，下位機插有內存反射卡和其他功能板卡。功能板卡通過適配箱控制被測產品。上下位機通過光纖組成一個環型光纖通訊網絡。下位機從通訊網絡獲取上位機指令，控制被測產品，取得測試數據回傳給上位機進行實時曲線顯示和數據分析處理。設計過程中始終把產品的可靠性放在第一位，充分借鑒吸收伺服測控系統的成功經驗，優化系統結構設計，強調模塊化、標準化和通用化，突出硬件的可重用性，在設計中采取電磁兼容設計，減少元器件的品種和數量，同時也減少可調器件數目。采川了PXI工控機平臺，通過插針方式，大大提高了板卡的接插牢固程度。PXI機箱的外型、結構小巧與VXI機箱的外型、結構相似，具有良好的防沖擊、防腐蝕、散熱和電磁屏蔽功能，與PCI方式的機箱相比較具有更好的抗振動性能。測量系統機箱采用減振結構，進一步提高了設備的抗振性能。采用PXI極卡，提高測量系統的安全性和可靠性。選用19’標準機柜放置計算機、適配箱，提高系統結構可靠性。測量系統具有可靠性高、可操作性強、使用方便等優點。硬件結構如圖1所示。

圖1 測試系統硬件結構圖

2.3.2 軟件系統

上下位機測試軟件啟動后，下位機軟件根據配置信息嘗試連接上位機，在上位機的控制下協商光纖通訊網絡緩存參數。緩存可以滿足并發的指令傳送、板卡控制和數據傳輸。緩存使用邏輯流程如圖2所示。

圖2 測試系統軟件邏輯圖

1)上位機軟件啟動，上位機光纖卡處于監聽狀態。

2)下位機軟件啟動，下位機光纖卡請求連接。

3)連接成功后下位機測試參數通過光纖卡上傳到上位機軟件。

4)上位機與本地參數比較計算得到通訊緩存起始地址和長度。

5)根據上位機發送的緩存參數設置下位機本地緩存。

6)向下位機發送緩存指令，下位機接受指令并且校驗正確后控制被測產品運動并采集測試數據，標記隊列緩存塊為使用，失敗重試。

7)下位機向上位機發送測試數據。

8)上位機接收數據并標記隊列緩存塊為空閑，失敗重試。

9)上位機接收數據完成后返回6)，未完成繼續接收數據。

10)下位機發送指令完成后繼續置為等待指令狀態。

在實際測試過程中，數據服務器和測試服務器位于不同的工作位置上并通過光纖內存反射網絡進行數據傳輸。軟件系統由存放于數據服務器端和測試服務器端的兩部分組成，即客戶端軟件和服務器端軟件，通過自協商緩存大小的握手協議和基于數據塊隊列的傳輸協議進行原始數據的可靠傳輸。使用中斷通知和中斷優先級隊列降低上下位機系統負載，提高可靠性和穩定性。

軟件設計過程中需要注意緩沖設計，反射內存網絡中各計算機節點具有的共享內存參數可能不同，網絡中各計算機會在主機的控制下進行網絡數據傳輸參數的協商，保證網絡中節點計算機擁有的共享內存大小，地址，速率相同；網絡參數協商結束后，各節點會將共享內存根據產品特性劃分為一定數量的帶有標記功能的數據塊進行管理；下位機的采集數據打包后按塊進行傳輸，將數據塊進行標記后通知主機，主機將標記的塊的位置信息向網絡中廣播，阻止其他節點對標記后的數據塊進行寫入操作，保持共享內存中數據的一致性。節點計算機取得數據后通知主機，由主機在接收到所有節點的讀取數據完成通知后將數據塊回收，排入可用數據塊隊列；反射內存網絡協商網絡參數時，每個節點在共享內存中會被分配一個唯一區域用于本節點的心跳信息更新，每個節點定期監測其它節點的心跳信息，如果在設定閥值時間內心跳信息無變化，網絡可能中斷，則節點可根據自身的網絡異常處理機制機制進行處理。

基于數據塊隊列的傳輸協議是將光纖內存反射卡的板載緩存根據預設計算值劃分為固定大小的數據塊隊列，原始數據在網絡中以數據塊為單位進行傳輸，按先進先出原則組成數據通訊緩沖區，可有效減少通訊雙方的計算量。同時根據實際需要調整預設值使數據塊大小符合Windows操作系統內存管理優化條件，減小操作系統通訊負載。

2.4 光纖傳輸實施方案

(1)使用兩臺PXI[8-12]計算機作為上下位機，以VMIC 5565光纖內存反射卡作為通訊網絡節點，節點間用兩根單模光纖連接，組成一個環型網絡。該卡使用內存映射技術實現實時通信，具有實時性強、可靠性高、使用簡單，通常兩結點數據傳輸時延遲為納秒(或微秒)級，實現計算機高速互聯。

2)通訊網絡中的節點定時在固定位置利用網絡剩余帶寬更新自身的心跳信息，該信息由主控上位機進行監測，如果心跳信息在閥值時間內沒有更新，則主控上位機進行網絡故障處理，增強網絡的健壯性。

3) 添加監視計算機和存儲計算機后，可以使用光纖Hub組建星型通訊網絡測試系統，可以減少環型網絡的通訊延遲，整體結構如圖3所示。

圖3 星型網絡連接圖

4)進行測試時，需要采集的模擬信號通過與伺服系統連接的電纜傳送到適配箱內，擺角測量信號由采集電纜送入A/D采集卡，由下位機完成伺服測量信號的處理，最后將處理后的數據通過光纖發送至上位機顯示。

3 試驗結果與分析

為驗證光纖傳輸方案優于以太網傳輸方案，在模擬采集64通道，5 K及10 K采樣率的條件下使用伺服遠程測試系統進行試驗，計算機配置如下：

上位機： Pentium M單核2.0 GHz， 2 G內存

下位機： Core Duo2 T7500雙核2.2 GHz，4 G內存

3.1 實驗結果

實驗發現，以太網傳輸方式可以完成數據的傳輸，而且不會占用數據采集的時間，但是由丁數據發送頻率較高，上位機在接收數據過程中CPU的占用率始終為100%，數據信號的顯示具有較大的延遲，并伴有一定幾率的數據丟失現象。軟件運行過程中下位機的CPU占用率在50%～60%左右，上位機開始接收數據后CPU 占用率始終為100%，下位機關閉讀取板卡的相關函數后CPU占用率在50%左右浮動，換算為單核則在100%以上，下位機不執行讀取板卡緩存函數命令后，上下位機的數據運算量相似，并且由下位機的CPU核心執行效率遠高于上位機的CPU核心執行效率，所以上位機CPU在接收數據過程中處于超負荷執行狀態，正因如此，一旦上位機操作系統某個進程占用的時間片稍多，就會出現數據丟火現象，同時顯示控件無法獲得足夠的CPU時間片處理數據，造成數據顯示的延遲。

光纖傳輸方式可以完成數據的傳輸，而且不會占用數據采集的時間，上位機在接收數據過程中CPU的占用率始終為20%，數據信號的顯示基本無延遲，不存在數據丟失現象。軟件運行過程中下位機的CPU占用率在20%～30%左右，軟件運行良好。

3.2 實驗結論

實驗中包括了數據轉化解析所耗費資源與網絡傳輸耗費資源的比較， 其中包括CPU資源利時間，實驗結果表明，在大量(數據量4000以上)數據的傳輸中，數據解析所占用的時間將大大高于網絡傳輸所耗費的時間，并且大量的CPU資源被用于數據解析。所以往使用TCP方式傳輸數據的前提，高CPU的使用率和數據顯示的延遲無法通過優化軟件避免，只能通過提高硬件配置在一定程度上解決。伺服測試系統下位機進行數據采集，并實時將數據傳輸回上位機進行顯示的過程中，當采樣率較大或信號頻率比較高的情況下，數據傳輸過程中有較大的延遲，并伴有數據丟失的現象。光纖傳輸技術方案有效的解決了以太網傳輸數據延遲性高的缺點。

4 結束語

光纖傳輸技術已成功應用于某航天產品伺服遠程測試系統上，其顯著降低了宿主計算機的負載，增強了數據傳輸網絡的穩定性和健壯性，能夠以很小的資源開銷對通訊網絡進行擴展，實現計算機高速互聯，數據傳輸無延遲，對后續型號的研制過程起到了借鑒意義，具有廣泛的應用前景。

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ApplicationofOpticalFiberTransmissionTechnologyinServoRemoteTestTystem

Sheng Wenwei1，Wang Jing1，Liu Ruizhi1，Wang Guoqiang2，Li Gang1

(1.Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls，Beijing 100076,China;2.Beijing Research Institute of Special Machinery, Beijing 100143,China)

Remote data transmission is an important research content of the servo remote test system. In test process of the servo system,It has a lot of burst data and higher real-time property.In the past,the test system used a data transmission mode based on Ethernet TCP/IP protocol.This kind of transmission has a higher latency resulting in the real-time monitoring of the actual product action seriously out of line,and can not complete the tsst task.In order to solve the above problems,It analyzes the Ethernet data transmission delay and studies a high speed optical fiber transmission technology. The technology is applied to the servo remote test system and solves the problem of high delay of Ethernet data transmission.

data transmission; real-time; optical fiber transmission

2017-05-14；

2017-07-24。

盛文巍(1986 -)，男，山東蓬萊人，碩士，工程師，主要從事測控軟件設計與開發方向的研究。

1671-4598(2017)11-0047-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.012

TP273

A