LabVIEW平台下双缓冲高速串口通信系统的设计与实现

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(1. 同济大学电子与信息工程学院，上海 200092，2. 上海宇航系统工程研究所，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平台下双缓冲高速串口通信系统的设计与实现

施培1，吴源兵2，张志明1，余有灵1

(1. 同济大学电子与信息工程学院，上海 200092，2. 上海宇航系统工程研究所，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：采用多线程机制、双缓冲和队列技术，基于LabVIEW平台和高速RS422串口，在高速通信模式下实现数据的实时采集、处理、显示及存储。实际项目应用表明，系统运行稳定，执行效率高，具有良好的可移植性和可扩展性，能较好地完成高速串口通信功能。

关键词：LabVIEW;高速串口通信;多线程技术;双缓冲技术

中图分类号：TP273；TP311

文献标识码：A

文章编号：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.

作者简介：施培(1987-)，男，上海崇明人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统开发与应用。

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

0引言

串口通信是一种使用灵活方便，数据传输可靠的通信方式，在工业控制、数据采集和实时监控中被广泛的应用。高速串口数据采集系统的设计不同于普通串口通信系统，在接收到数据采集终端或者其他设备所发送过来的大量数据的同时，需要对已接收到的数据进行处理并且实时显示，通常情况下也要准确完整地存储数据[1CD*22]。由于数据的传输速度较快，数据量大，如采用传统的单线程编程方式，常常会出现接收数据内容不完整或者不正确的情况。某型地面试验系统中，控制中心机与DSP下位机终端之间采用RS422全双工通信，传输格式采用1位起始位，8位数据位，1位停止位，115200bps的传输速率，DSP终端每隔10 ms上传64字节长度的数据帧。设计要求计算机能完整准确的接收数据并存储到后台数据库中(本地数据库Access)，同时同步显示解析后的动态数据。采用多线程技术则能保证系统的每个环节同步工作，节省大量系统时间完成数据读取、显示及存储。

1基于LabVIEW串口通信程序的开发

1.1　LabVIEW-VISA

LabVIEW是NI(美国国家仪器公司)开发的一种基于图形化编程语言的虚拟开发平台，它采用的图形化G语言使应用程序的开发变得简单方便[1-3]。LabVIEW 软件提供了丰富的串口通信函数，编程时，首先调用串口配置函数完成串口参数设置，包括资源分配，设置波特率、数据位、停止位、校验位等．然后，使用VISA Write函数发送数据，使用VISA Read函数接收数据．串口使用完成后，应用VISA Close函数关闭串口，结束通信[3CD*24]。

1.2　多线程技术

传统测控系统的工作流程是数据采集，分析，显示，存储4个任务在同一线程上按照顺序依次执行，在一个任务运行的同时后面其余的任务就不能同步运行，只能处于等待状态，因此，常常造成数据不能正常处理显示及存储。采用多线程技术，当程序运行时，操作系统为每个独立的线程安排CPU时间，单处理器系统以轮回方式按线程的优先级提供时间片，每个线程在使用完时间片后交出控制权，系统再将CPU时间片分配给下一个线程，相较于单线程编程方式，多线程技术极大的提高了系统的执行速度。

1.3　双缓冲技术

图1　数据接收程序

由于数据采集、处理、显示和存储所需的系统资源和运行时间各不相同，和前三者相比较，存储操作往往耗时更长。在高速大数据量情况下，当前数据记录在存储的过程会被后一条数据记录覆盖，这样会导致数据不能完整正确的存储。借鉴图像显示中的双缓冲技术，在程序中先开辟2个缓冲区，将接收到的数据先存放到一个缓冲区中，当缓冲区达到一定大小时将数据存放到另一个缓冲区中，同时对第1个缓冲区中的数据进行存储操作。一旦第2个缓冲区中的数据记录达到指定的数量后，再将数据存放到第1个缓冲区中，重复使用2个缓冲区进行数据的存放和存储，能够有效地避免上面遇到的问题。双缓冲能起到很好的数据存储缓冲作用，在实际工程中能高效地完成数据存储操作。

2高速串口通信程序实现

2.1　总体设计方案

根据多线程的机制，将数据采集、分析显示、双缓冲、存储分配到4个While循环中，并行的执行。每个While循环采用状态机制，循环之间借助队列函数实现“生产者-消费者”架构进行数据的共享。VISA读取函数每隔10 ms读取一次串口缓冲区，将下位机数据终端发送的数据读取出来，再将数据传输给后面的数据分析显示循环和数据存储循环，数据接收循环程序如图1所示。

当使用多线程技术的同时，必须考虑程序的停止机制，即如何来确保4个不同功能While循环的同步停止，以便能安全退出整个上位机程序。当读串口循环接收到64个字节的数据后，将其通过队列函数传递到数据分析循环，按下停止按钮将读串口循环停止，连接在While循环内的释放队列引用函数将前面定义的Data队列取消，在数据处理循环中的出队列函数，将无法检测到Data队列的引用，从而产生报错。利用此错误可停止数据处理While循环，即通过1对队列函数(入队列和出队列)来控制2个While循环的停止。系统中其余3个While循环(数据显示、数据处理、数据存储)均通过此机制实现循环的停止。数据显示循环和数据存储循环的后台程序流程如图2所示。

图2　数据显示和存储程序流程

2.2　双缓冲的实现

在缓冲处理循环的Initialize状态中，首先利用初始化数组函数开辟缓冲区A和缓冲区B(50行64列的二维数组)，并且初始化数组指针为0。程序进入Buffer状态后，当上位机每隔10 ms接收到一帧64个字节的数据后，利用数组替换子集函数将数据写入到缓冲区A中，第1条数据替换到缓冲区A的第1行(组数指针初始化为0)，同时数组指针自动加1，即第2条数据存放到第2行，当存放到第50条时(数组指针为49)，标志缓冲区A放满，切换到缓冲区B，将后续数据存放到缓冲区B中，操作与缓冲区A相同。同时对缓冲区A中的数据进行存储操作，借助队列函数将其传输到存储循环中进行存储。这样就实现接收数据的同时又在存储数据。当缓冲区B存满时，再将数据存放到缓冲区A中，同时对缓冲区B中的数据进行存储操作。如此依次进行存放和存储操作，接收双缓冲机制流程如图3所示。

图3　双缓冲流程

3测试结果

实际工程项目应用中，上位机电脑配置为：Intel Celeron 1.5 GHz主频，4 G内存，500 G硬盘，Windows XP操作系统，本地数据库采用Access2007。下位机DSP数据终端以10 ms间隔，115200bps速率持续向上位计算机发送64个字节的数据帧，利用前述技术方案在LabVIEW环境下编程，上位机能够实时接收数据、显示数据和存储数据，并且在接收和处理数据时没有发生缓冲区溢出现象。根据实验测试数据，可以计算得到平均存储一条数据记录的时间t=4.08 ms。

4结束语

结合实际项目，实现基于双缓冲的高速串口通信程序，能可靠地接收数据终端所发送的数据，完整准确地进行显示和存储，能够达到预先提出的设计指标。进一步的研究方向是提高数据传输的速率(如发送时间间隔减小或者增大发送数据长度)，以达到更好的技术性能，并引入高性能数据库管理系统(如SQL Sever或Oracle等来提高程序的整体性能)。

参考文献：

[1]李江全. LabVIEW虚拟仪器从入门到测控应用130例. 北京：电子工业出版社，2013.

[2]苏岳龙，李贻斌，宋锐. 基于VC++6.0的高速串口通信数据采集系统.微计算机信息，2005，21(5)：147-148.

[3]Bitter R，Mohiuddin T. LabVIEW advanced programming techniques. Boston：CRC Press，2001.

[4]赵奇峰，闵涛，杨黔龙，等. 基于LabVIEW串口数据采集系统设计. 计算机技术与发展，2011，21(11)：224-226.

[5]徐华中，黄丽萍. 基于LabVIEW和DSP串口的多通道电机参数采集系统.电子测量技术，2011，34(4)：66-69.