基于LabVIEW FPGA的數據傳輸技術(shù)

代華斌，秦占陽(yáng) (中國科學(xué)院?西安光學(xué)精密機械研究所，陜西?西安?710075)
摘? 要：數據傳輸就是依照適當的規程，經(jīng)過(guò)一條或多條鏈路，在數據源和數據宿之間傳送數據的過(guò)程。也表 示借助信道上的信號將數據從一處送往另一處的操作?；贚abVIEW FPGA數據傳輸技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò )傳輸的一 種，它具有TCP傳輸和UDP傳輸兩種方式，為了保證傳輸過(guò)程中不產(chǎn)生數據丟失，本文通過(guò)重新構造數據類(lèi)型 并通過(guò)打包與接包的方式進(jìn)行數據交換，保證了數據在高速采樣條件下的連續性與穩定性，為底層FPGA硬件 向上位機數據交換提供了一種嶄新的模式。 

關(guān)鍵詞：FPGA；abview；TCP/IP；UDP；數據復用

0  引言 

西安某汽車(chē)電子有限公司生產(chǎn)的XLM油泵支架產(chǎn) 品功能測試臺設計中，有一項針對高度阻值（TSG）的 功能測試。該測試內容要求阻值電壓采樣與液位高度進(jìn) 行一一對應。使用傳統的采集方式難以保證采集的可靠 性?；柙撛O計要求，本文提出了一種采用LabVIEW FPGA的數據傳輸技術(shù)，該技術(shù)能夠在高速采樣的前提 下確保數據傳輸的穩定性與可靠性。

1  數據傳輸 

數據傳輸技術(shù)主要用于多機通信領(lǐng)域，一般在數據 交換過(guò)程中，為保證數據的穩定可靠傳輸而制定的特殊 傳送規則。其傳輸過(guò)程也根據傳輸的物理介質(zhì)而不同。 具體而言可分為以下幾種： 

1.1 基帶、頻帶和數字數據傳輸 

①基帶傳輸是指由數據終端設備（DTE）送出的二 進(jìn)制“1”數據傳輸或“0”的電信號直接送到電路的傳 輸方式?；鶐盘栁唇?jīng)調制，可以經(jīng)過(guò)碼形變換（或波 形變換）進(jìn)行驅動(dòng)后直接傳輸。
②大多數傳輸信道是帶通型特性，基帶信號通不 過(guò)。采用調制方法把基帶信號調制到信道帶寬范圍內進(jìn) 行傳輸，接收端通過(guò)解調方法再還原出基帶信號的方 式，稱(chēng)為頻帶傳輸。 

③數字數據傳輸是利用數字話(huà)路傳輸數據信號的一 種方式。 

1.2 并行傳輸與串行傳輸 

①并行傳輸是構成字符的二進(jìn)制代碼在并行信道上 同時(shí)傳輸的方式。 

②串行傳輸是構成字符的二進(jìn)制代碼在一條信道上 以位（碼元）為單位，按時(shí)間順序逐位傳輸的方式。速 度雖慢，但只需一條傳輸信道，投資小，易于實(shí)現，是 數據傳輸采用的主要傳輸方式。也是目前計算機通信采 取的一種主要方式。 

1.3 異步傳輸和同步傳輸 

①異步傳輸是字符同步傳輸的方式。當發(fā)送1個(gè)字 符代碼時(shí)，字符前面要加1個(gè)“起”信號，長(cháng)度為1個(gè)碼 元寬，極性為“0”，即空號極性；而在發(fā)完1個(gè)字符后 面加1個(gè)“止”信號，長(cháng)度為1，1.5或2個(gè)碼元寬，極性為“1”，即傳號極性。接收端通過(guò)檢測起、止信號， 即可區分出所傳輸的字符。字符可以連續發(fā)送，也可單 獨發(fā)送，不發(fā)送字符時(shí)，連續發(fā)送停止信號。 

②同步傳輸是位（碼元）同步傳輸方式。該方式必 須在收、發(fā)雙方建立精確的位定時(shí)信號，以便正確區分 每位數據信號。在傳輸中，數據要分成組（或稱(chēng)幀）， 一幀含多個(gè)字符代碼或多個(gè)獨立碼元。在發(fā)送數據前， 在每幀開(kāi)始必須加上規定的幀同步碼元序列，接收端檢 測出該序列標志后，確定幀的開(kāi)始，建立雙方同步。接 收端DCE從接收序列中提取位定時(shí)信號，從而達到位 （碼元）同步。 

1.4 單工、半雙工和全雙工傳輸 

單工傳輸指數據只能按單一方向發(fā)送和接收；半雙 工傳輸指數據可以在2個(gè)方向傳輸但不能同時(shí)進(jìn)行，即 交替收、發(fā)；全雙工傳輸指數據可以在2個(gè)方向同時(shí)傳 輸，即同時(shí)收和發(fā)。一般四線(xiàn)線(xiàn)路為全雙工數據傳輸， 二線(xiàn)線(xiàn)路可實(shí)現全雙工數據傳輸。

2  復用技術(shù) 

復用技術(shù)是指一種在傳輸路徑上綜合多路信道，然 后恢復原機制或解除終端各信道復用技術(shù)的過(guò)程，主要 包括以下幾種： 

頻分復用（FDM）：載波帶寬被劃分為多種不同頻 帶的子信道，每個(gè)子信道可以并行傳送一路信號。FDM 用于模擬傳輸過(guò)程。 

時(shí)分復用（TDM）：在交互時(shí)間間隔內在同一信道 上傳送多路信號。TDM 廣泛用于數字傳輸過(guò)程。 

碼分復用（CDM）：每個(gè)信道作為編碼信道實(shí)現 位傳輸（特定脈沖序列）。這種編碼傳輸方式通過(guò)傳輸 唯一的時(shí)間系列短脈沖完成，但在較長(cháng)的位時(shí)間中則采 用時(shí)間片斷替代。每個(gè)信道，都有各自的代碼，并可以 在同一光纖上進(jìn)行傳輸以及異步解除復用。 

波分復用（WDM）：在一根光纖上使用不同的 波長(cháng)同時(shí)傳送多路光波信號。WDM 用于光纖信道。 WDM 與 FDM 基于相同原理但是它應用于光纖信道上 的光波傳輸過(guò)程。 

粗波分復用（CWDM）：WDM 的擴張。每根光纖傳送4到8種波長(cháng)，甚至更多。應用于中型網(wǎng)絡(luò )系統（區 域或城域網(wǎng)）。 

密集型波分復用（DWDM）：WDM 的擴展。典型 的 DWDM 系統支持8種或以上波長(cháng)。顯現系統支持上 百種波長(cháng)。 

在數據通信中，復用技術(shù)的使用極大地提高了信道 的傳輸效率，取得了廣泛地應用。多路復用技術(shù)就是在 發(fā)送端將多路信號進(jìn)行組合，然后在一條專(zhuān)用的物理信 道上實(shí)現傳輸，接收端再將復合信號分離出來(lái)。多路復 用技術(shù)主要分為兩大類(lèi)：頻分多路復用(簡(jiǎn)稱(chēng)頻分復用) 和時(shí)分多路復用(簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)分復用)，波分復用和統計復用 本質(zhì)上也屬于這兩種復用技術(shù)。另外還有一些其他的復 用技術(shù)，如碼分復用、極化波復用和空分復用等。

3  基于網(wǎng)絡(luò )的傳輸 

基于網(wǎng)絡(luò )的傳輸一般分為TCP/IP傳輸與UDP傳輸 兩種。 

UDP是簡(jiǎn)單的面向數據報的運輸層協(xié)議：進(jìn)程的每 個(gè)輸出操作都正好產(chǎn)生1個(gè)UDP數據報，并組裝成1份待 發(fā)送的IP數據報。UDP數據報封裝成1份IP數據報的格 式如圖1所示。

UDP不提供可靠性連接：它把應用程序傳給IP層的 數據發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達目的地。 

TCP和UDP都使用相同的網(wǎng)絡(luò )層(IP)。TCP提供 了一種可靠的面向連接的字節流運輸層服務(wù)。如圖2 所示：

TCP向應用層提供與UDP完全不同的服務(wù)。TCP提 供一種面向連接的、可靠的字節流服務(wù)。TCP將用戶(hù)數 據打包構成報文段；它發(fā)送數據后啟動(dòng)1個(gè)定時(shí)器，等 待對端數據確認；另一端對收到的數據進(jìn)行確認，對失 序的數據重新排序，丟棄重復數據；TCP提供端到端的 流量控制，并加以計算和驗證。 

面向連接意味著(zhù)2個(gè)使用TCP的應用(通常是1個(gè)客戶(hù) 和1個(gè)服務(wù)器)在彼此交換數據之前必須先建立1個(gè)TCP 連接。這一過(guò)程與打電話(huà)很相似，先撥號振鈴，等待對 方摘機說(shuō)“喂”，然后才說(shuō)明是誰(shuí)。TCP傳輸協(xié)議連接 過(guò)程： 

首先建立連接，TCP用3個(gè)報文段完成連接的建 立。這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)為3次握手(three-way handshake)。如 圖3所示。

終止1個(gè)連接要經(jīng)過(guò)4次握手。如圖4所示。

數據發(fā)送必須經(jīng)過(guò)接收方確認，并且有超時(shí)重傳等 保障機制，這是TCP傳輸有一定保障的根本原因，如圖 5所示。

可以看到，完成1次數據傳送，除了完成連接、終 止連接外，至少還需要1個(gè)數據分組與1個(gè)ACK分組。 

UDP與TCP提供不同的傳輸方式與不同的傳輸質(zhì) 量，TCP以增加網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)的方式提供傳輸保障。在 GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)際測試，當網(wǎng)絡(luò )正常情況下，從GPRS DTU→GPRS網(wǎng)絡(luò )→互聯(lián)網(wǎng)→用戶(hù)數據中心這個(gè)通路 上，UDP傳輸有效性>99%，TCP傳輸有效性≈100%。

4  基于LabVIEW FPGA的數據傳輸 

基于LabVIEW FPGA的數據傳輸，是基于TCP/IP的 一種改進(jìn)方式。如圖6所示。

這種方式主要用于FPGA架構的C-RIO系統與上位 機通信時(shí)為保證底層數據能夠可靠傳輸的獨特數據流 傳輸方式。其技術(shù)特點(diǎn)在于從FPGA底層進(jìn)行數據構 造，即將一般數據類(lèi)型（如定點(diǎn)型、浮點(diǎn)型）轉換成計 算機底層可識別的布爾數據類(lèi)型進(jìn)行數據構造，如圖7 所示。

當數據傳輸至RT層，通過(guò)數據解析的過(guò)程將FPGA 的高速數據流進(jìn)行數據識別并轉換至上位機可傳輸的數 據格式，如圖8所示。

為保證數據的不丟失，RT打包過(guò)程采用了重聯(lián)與 數據殘留清空方式，以確保每次重聯(lián)的過(guò)程能夠進(jìn)行 可靠的數據傳輸。上位機的接收過(guò)程如圖9所示。 

當數據傳送至上位機后，將不同數據類(lèi)型按照包 頭加以解析，并按照構造數據類(lèi)型進(jìn)行數據重建。過(guò) 程如圖10所示。

5  結論 

基于LabVIEW FPGA數據傳輸方式主要用于高速 數據流傳輸的情況，這種方式是在TCP/IP基礎上的一 種改進(jìn)傳輸方式。目前已成功應用在西安某汽車(chē)電子 有限公司所生產(chǎn)的XLM生產(chǎn)線(xiàn)功能測試臺改造項目 中。該項目要求在電機運行的過(guò)程中對電阻電壓進(jìn)行 高速可靠采樣并傳輸，采用基于LabVIEW FPGA數據 傳輸方式很好地解決了該問(wèn)題，目前設備運行良好。

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