无线虚拟仪器系统中高速无线数据通信

2020-09-29王广君谢巧灵

实验技术与管理 2020年2期

王广君，谢巧灵

（1. 中国地质大学（武汉）自动化学院，湖北武汉 430074；2. 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室，湖北武汉 430074；3. 中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北武汉 430074）

虚拟仪器（virtual instruments）是一种集计算机技术、微电子技术、嵌入式技术和数字信号处理技术于一体的新型仪器[1-2]。其系统采用软件控制硬件的工作模式，在仪器工业中占有重要的地位。

随着技术的不断发展，虚拟仪器对数据传输速率提出了更高的要求[3]。以100 kHz 最小频率分辨率、100 帧/s处理速率的频谱分析仪为例，如果要求在8 位1 GHz采样速率AD 的硬件条件下实现，那么根据奈奎斯特采样定理的要求，每帧数据的个数需达到104。每帧数据大小则需达到8×104位。数据传输速率则要求高达8 Mbit/s 以上。若需进一步提高频率分辨率或是显示帧率，数据传输速率还需进一步提高。目前，采用蓝牙[4]、ZigBee[5]进行通信的无线虚拟仪器只能进行低速数据传输。Wi-Fi 通信技术虽然占用空间资源少、数据传输速率高，并在测量仪器的数据传输中有广泛的应用[6]，但是通过Wi-Fi 连接的前端硬件大多采用串口方式[7]，传输速率仍难以满足高速数据传输的要求。

为此，笔者利用µC/OS-II 多任务编程接口，设计了一种结合缓冲池机制和多任务机制的Socket 通信方法，实现无线虚拟仪器的高速无线数据通信。

1 无线虚拟仪器的基本架构

无线虚拟仪器系统主要由数据采集与预处理模块、无线控制模块、Wi-Fi 通信模块、虚拟仪器上位机模块组成，如图1 所示。数据采集与预处理模块由现场可编程逻辑门阵列（FPGA）控制，用于数据的采集与处理，并根据接收的指令将数据通过串行外设接口（SPI）传出；无线控制模块由ARM 处理器控制，用于协调虚拟仪器模块和Wi-Fi 通信模块的数据传输；Wi-Fi 通信模块完成数据链路层和物理层的工作，对封包好的无线数据进行收发；虚拟仪器上位机模块由计算机控制，对接收到的无线数据分别进行存储、分析、显示等处理。无线控制模块和Wi-Fi 通信模块是设计的重点。

图1 系统总体设计框图

2 高速无线数据通信

无线控制模块采用意法半导体公司的STM32F407VET6 作为主控芯片；Wi-Fi 芯片选用Marvell 公司的88W8801 芯片。高速数据传输采用传输控制协议（TCP），通过µC/OS-II 实时操作系统实现。控制软件包含系统任务、网卡任务、TCP/IP 协议栈任务、传输控制任务，借助于µC/OS-II 实时操作系统可裁剪的、抢占式的实时多任务内核，软件部分得以在实时性和小型化之间得以均衡[8]，既能保证4 项任务间的实时切换，又能保证整个系统的高效运转。

控制软件设计包括Wi-Fi 驱动移植和传输控制两部分。

2.1 驱动移植

Wi-Fi 驱动移植分为TCP/IP 协议栈移植、无线网卡驱动移植。

2.1.1 TCP/IP 协议栈移植

选用lwIP 协议栈实现TCP/IP 协议栈移植。lwIP为了适应不同的操作系统，在lwIP 和操作系统之间增加了一个操作系统仿真层[9]。操作系统仿真层为操作系统的定时、进程同步和消息传递提供了一个统一的接口。

将lwIP 移植到µC/OS-II，需要对以下几个文件进行编写：

（1）cc.h：该文件需要定义平台无关的数据类型、临界保护区和编译器特定符号，并调试输出。

（2）perf.h：该文件定义与性能测量相关的内容，但本设计未涉及，故为空。

（3）sys_arch.c：该文件需要为协议栈提供µC/OS-II 多任务相关机制，主要包括消息邮箱机制、同步机制（信号量）、内核任务创建、时间管理机制（延时、获取运行时间）。

（4）sys_arch.h：该文件与sys_arch.c 配套使用，除需要对sys_arch.c 中函数进行声明外，还需定义消息邮箱的参数。

2.1.2 无线网卡驱动移植

无线网卡驱动移植涉及大量的寄存器操作。为了编写的方便，通过移植Linux 下的驱动实现无线网卡驱动程序的编写。这一过程主要是修改Linux 驱动以适应µC/OS-II 的要求，具体工作如下：

（1）为了节省空间，对无线网卡驱动中不常用的缓冲区（如事件缓冲区、扫描得到的信标信息缓冲区等）进行了缩减；

（2）将驱动程序里的时间管理代码替换为µC/OS-II 的形式；

（3）将驱动程序里的信号量代码替换为µC/OS-II的形式；

（4）网卡采用安全数字输入输出（secure digital input and output，SDIO）接口，所以需编写SDIO 驱动；

（5）Linux 中使用sk_buff 结构体管理TCP/IP 中的数据[10]，而lwIP 使用pbuf 结构体来管理[11]，所以需编写sk_buffer.c 文件完成两者之间的转换。

2.2 传输控制

传输控制部分借助µC/OS-II 实时操作系统的多任务实现。数据的接收和发送之间公用一个缓冲池，利用直接内存存取（DMA）传输数据时不占用CPU 时间的特点[12]，再结合缓冲池机制和多任务机制，即可有效提升数据传输速率。

通过SPI 接收数据的速率较快，在STM32F407上可达42 MHz，而通过TCP 发送数据的速率因为要处理协议栈相关内容则相对较慢。为了协调高速与低速接口，常采用缓冲池的方法。大多数嵌入式系统通常采用静态内存块池的方法[13]，将系统空余的内存统一管理，生成一系列的大小固定的内存块池，在实际操作中对这一整个内存块进行操作。高速无线数据通信方案中的缓冲池也采用类似的结构。

缓冲池由N 个相同大小的缓冲区组成，每个缓冲区包含缓冲区编号、状态位和数据字段3 部分，如图2所示。缓冲区编号具有唯一性，用来标识当前缓冲区在缓冲池中的位置；状态位为0 表示对应数据字段为空，状态位为1 表示对应数据字段为满。操作系统每次传输完成后，记录下上一次读写操作完成的缓冲池编号。数据的接收从上一次操作的缓冲池开始，依次向下检索接下来的缓冲区，满足条件即进行对应的读写操作。

图2 缓冲池设计框图

无线数据传输流程如图3 和4 所示。

图3 数据接收任务

图4 数据发送任务

接收数据时，依次检索缓冲池，当检测到缓冲区为空时，通过SPI 发送DMA 请求。当数据接收完成时，将其存入缓冲区，并更新缓冲池状态。

发送数据时，依次检索缓冲池，当检测到缓冲区为满时，通过Wi-Fi 接口将缓冲区的数据发送至上位机，并更新缓冲池状态。

在操作SPI 或Wi-Fi 收发数据时，采用了DMA技术。此时，数据传输只占用数据总线而不占用CPU。利用这一特性，在此时切换至另一任务进行数据处理，可以有效提高CPU 的利用率，从而提高数据传输速率。

3 测试结果

利用由数据采集与预处理模块、无线控制模块、Wi-Fi 通信模块搭建的测试平台（如图5 所示）进行了数据传输测试，考察数据传输的正确性、稳定性和传输速率。测试情况通过Wireshark 抓包得到。

图5 测试平台实物图

3.1 传输正确性测试

对于无线数据传输而言，传输正确是最基本的要求。测试时，发送内容在0～255 之间循环递增的数据包，上位机进行接收并统计。表1 是数据正确性测试结果。数据传输中虽有少量丢包，但TCP 丢包后的重传确保了数据传输的正确性。

表1 传输正确性测试

3.2 稳定性测试

因为采用多任务和公用缓冲池的设计为系统引入了竞争冒险，所以进行数据传输稳定性测试尤为重要。测试时，由数据采集与预处理模块产生测试数据，无线控制模块控制Wi-Fi 通信模块进行数据转发，上位机进行接收并统计。稳定性测试时间为3 600 s，在测试过程中，数据传输速率稳定在16.0 Mbit/s，如图6 所示。