基于LabVIEW FPGA的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

代華斌，秦占陽 (中國科學(xué)院?西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西?西安?710075)
摘? 要：數(shù)據(jù)傳輸就是依照適當(dāng)?shù)囊?guī)程，經(jīng)過一條或多條鏈路，在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿之間傳送數(shù)據(jù)的過程。也表 示借助信道上的信號(hào)將數(shù)據(jù)從一處送往另一處的操作?；贚abVIEW FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?種，它具有TCP傳輸和UDP傳輸兩種方式，為了保證傳輸過程中不產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失，本文通過重新構(gòu)造數(shù)據(jù)類型 并通過打包與接包的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證了數(shù)據(jù)在高速采樣條件下的連續(xù)性與穩(wěn)定性，為底層FPGA硬件 向上位機(jī)數(shù)據(jù)交換提供了一種嶄新的模式。 

關(guān)鍵詞：FPGA；abview；TCP/IP；UDP；數(shù)據(jù)復(fù)用

0  引言 

西安某汽車電子有限公司生產(chǎn)的XLM油泵支架產(chǎn) 品功能測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)中，有一項(xiàng)針對(duì)高度阻值（TSG）的 功能測(cè)試。該測(cè)試內(nèi)容要求阻值電壓采樣與液位高度進(jìn) 行一一對(duì)應(yīng)。使用傳統(tǒng)的采集方式難以保證采集的可靠 性?；柙撛O(shè)計(jì)要求，本文提出了一種采用LabVIEW FPGA的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該技術(shù)能夠在高速采樣的前提 下確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。

1  數(shù)據(jù)傳輸 

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要用于多機(jī)通信領(lǐng)域，一般在數(shù)據(jù) 交換過程中，為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸而制定的特殊 傳送規(guī)則。其傳輸過程也根據(jù)傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)而不同。 具體而言可分為以下幾種： 

1.1 基帶、頻帶和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸 

①基帶傳輸是指由數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）送出的二 進(jìn)制“1”數(shù)據(jù)傳輸或“0”的電信號(hào)直接送到電路的傳 輸方式?；鶐盘?hào)未經(jīng)調(diào)制，可以經(jīng)過碼形變換（或波 形變換）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后直接傳輸。
②大多數(shù)傳輸信道是帶通型特性，基帶信號(hào)通不 過。采用調(diào)制方法把基帶信號(hào)調(diào)制到信道帶寬范圍內(nèi)進(jìn) 行傳輸，接收端通過解調(diào)方法再還原出基帶信號(hào)的方 式，稱為頻帶傳輸。 

③數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸是利用數(shù)字話路傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的一 種方式。 

1.2 并行傳輸與串行傳輸 

①并行傳輸是構(gòu)成字符的二進(jìn)制代碼在并行信道上 同時(shí)傳輸?shù)姆绞健?nbsp;

②串行傳輸是構(gòu)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?shù)姆绞?。?度雖慢，但只需一條傳輸信道，投資小，易于實(shí)現(xiàn)，是 數(shù)據(jù)傳輸采用的主要傳輸方式。也是目前計(jì)算機(jī)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?shù)姆绞?。?dāng)發(fā)送1個(gè)字 符代碼時(shí)，字符前面要加1個(gè)“起”信號(hào)，長(zhǎng)度為1個(gè)碼 元寬，極性為“0”，即空號(hào)極性；而在發(fā)完1個(gè)字符后 面加1個(gè)“止”信號(hào)，長(zhǎng)度為1，1.5或2個(gè)碼元寬，極性為“1”，即傳號(hào)極性。接收端通過檢測(cè)起、止信號(hào)， 即可區(qū)分出所傳輸?shù)淖址Ｗ址梢赃B續(xù)發(fā)送，也可單 獨(dú)發(fā)送，不發(fā)送字符時(shí)，連續(xù)發(fā)送停止信號(hào)。 

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(hào)，以便正確區(qū)分 每位數(shù)據(jù)信號(hào)。在傳輸中，數(shù)據(jù)要分成組（或稱幀）， 一幀含多個(gè)字符代碼或多個(gè)獨(dú)立碼元。在發(fā)送數(shù)據(jù)前， 在每幀開始必須加上規(guī)定的幀同步碼元序列，接收端檢 測(cè)出該序列標(biāo)志后，確定幀的開始，建立雙方同步。接 收端DCE從接收序列中提取位定時(shí)信號(hào)，從而達(dá)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(shù)據(jù)只能按單一方向發(fā)送和接收；半雙 工傳輸指數(shù)據(jù)可以在2個(gè)方向傳輸?shù)荒芡瑫r(shí)進(jìn)行，即 交替收、發(fā)；全雙工傳輸指數(shù)據(jù)可以在2個(gè)方向同時(shí)傳 輸，即同時(shí)收和發(fā)。一般四線線路為全雙工數(shù)據(jù)傳輸， 二線線路可實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

2  復(fù)用技術(shù) 

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

頻分復(fù)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(hào)。FDM 用于模擬傳輸過程。 

時(shí)分復(fù)用（TDM）：在交互時(shí)間間隔內(nèi)在同一信道 上傳送多路信號(hào)。TDM 廣泛用于數(shù)字傳輸過程。 

碼分復(fù)用（CDM）：每個(gè)信道作為編碼信道實(shí)現(xiàn) 位傳輸（特定脈沖序列）。這種編碼傳輸方式通過傳輸 唯一的時(shí)間系列短脈沖完成，但在較長(zhǎng)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(fù)用。 

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

粗波分復(fù)用（CWDM）：WDM 的擴(kuò)張。每根光纖傳送4到8種波長(zhǎng)，甚至更多。應(yīng)用于中型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（區(qū) 域或城域網(wǎng)）。 

密集型波分復(fù)用（DWDM）：WDM 的擴(kuò)展。典型 的 DWDM 系統(tǒng)支持8種或以上波長(zhǎng)。顯現(xiàn)系統(tǒng)支持上 百種波長(zhǎng)。 

在數(shù)據(jù)通信中，復(fù)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(yīng)用。多路復(fù)用技術(shù)就是在 發(fā)送端將多路信號(hào)進(jìn)行組合，然后在一條專用的物理信 道上實(shí)現(xiàn)傳輸，接收端再將復(fù)合信號(hào)分離出來。多路復(fù) 用技術(shù)主要分為兩大類：頻分多路復(fù)用(簡(jiǎn)稱頻分復(fù)用) 和時(shí)分多路復(fù)用(簡(jiǎn)稱時(shí)分復(fù)用)，波分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)復(fù)用 本質(zhì)上也屬于這兩種復(fù)用技術(shù)。另外還有一些其他的復(fù) 用技術(shù)，如碼分復(fù)用、極化波復(fù)用和空分復(fù)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(shù)據(jù)報(bào)的運(yùn)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(shù)據(jù)報(bào)，并組裝成1份待 發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)。UDP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成1份IP數(shù)據(jù)報(bào)的格 式如圖1所示。

UDP不提供可靠性連接：它把應(yīng)用程序傳給IP層的 數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)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(jié)流運(yùn)輸層服務(wù)。如圖2 所示：

TCP向應(yīng)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(jié)流服務(wù)。TCP將用戶數(shù) 據(jù)打包構(gòu)成報(bào)文段；它發(fā)送數(shù)據(jù)后啟動(dòng)1個(gè)定時(shí)器，等 待對(duì)端數(shù)據(jù)確認(rèn)；另一端對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)失 序的數(shù)據(jù)重新排序，丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)；TCP提供端到端的 流量控制，并加以計(jì)算和驗(yàn)證。 

面向連接意味著2個(gè)使用TCP的應(yīng)用(通常是1個(gè)客戶 和1個(gè)服務(wù)器)在彼此交換數(shù)據(jù)之前必須先建立1個(gè)TCP 連接。這一過程與打電話很相似，先撥號(hào)振鈴，等待對(duì) 方摘機(jī)說“喂”，然后才說明是誰。TCP傳輸協(xié)議連接 過程： 

首先建立連接，TCP用3個(gè)報(bào)文段完成連接的建 立。這個(gè)過程也稱為3次握手(three-way handshake)。如 圖3所示。

終止1個(gè)連接要經(jīng)過4次握手。如圖4所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送必須經(jīng)過接收方確認(rèn)，并且有超時(shí)重傳等 保障機(jī)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(shù)據(jù)傳送，除了完成連接、終 止連接外，至少還需要1個(gè)數(shù)據(jù)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)開銷的方式提供傳輸保障。在 GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常情況下，從GPRS DTU→GPRS網(wǎng)絡(luò)→互聯(lián)網(wǎng)→用戶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸 

基于LabVIEW FPGA的數(shù)據(jù)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(gòu)的C-RIO系統(tǒng)與上位 機(jī)通信時(shí)為保證底層數(shù)據(jù)能夠可靠傳輸?shù)莫?dú)特?cái)?shù)據(jù)流 傳輸方式。其技術(shù)特點(diǎn)在于從FPGA底層進(jìn)行數(shù)據(jù)構(gòu) 造，即將一般數(shù)據(jù)類型（如定點(diǎn)型、浮點(diǎn)型）轉(zhuǎn)換成計(jì) 算機(jī)底層可識(shí)別的布爾數(shù)據(jù)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)構(gòu)造，如圖7 所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至RT層，通過數(shù)據(jù)解析的過程將FPGA 的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別并轉(zhuǎn)換至上位機(jī)可傳輸?shù)臄?shù) 據(jù)格式，如圖8所示。

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

當(dāng)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)后，將不同數(shù)據(jù)類型按照包 頭加以解析，并按照構(gòu)造數(shù)據(jù)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)重建。過 程如圖10所示。

5  結(jié)論 

基于LabVIEW FPGA數(shù)據(jù)傳輸方式主要用于高速 數(shù)據(jù)流傳輸?shù)那闆r，這種方式是在TCP/IP基礎(chǔ)上的一 種改進(jìn)傳輸方式。目前已成功應(yīng)用在西安某汽車電子 有限公司所生產(chǎn)的XLM生產(chǎn)線功能測(cè)試臺(tái)改造項(xiàng)目 中。該項(xiàng)目要求在電機(jī)運(yùn)行的過程中對(duì)電阻電壓進(jìn)行 高速可靠采樣并傳輸，采用基于LabVIEW FPGA數(shù)據(jù) 傳輸方式很好地解決了該問題，目前設(shè)備運(yùn)行良好。

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