基于光传感实时信息的人机交互系统设计

杨洪万

(山东师范大学 信息化工作办公室, 山东 济南 250014)

0 引言

光纤传感技术在通信技术发展中起到了重要作用，在光纤传感技术中，主要将光波作为传感信号，与传统的电磁类传感相比，光纤传感具有明显的优势，由于光纤是绝缘体并且能够通过光波传输信息，这使得光纤传感可以在各种恶劣环境下使用，具有很高的测量速度[1-3]。这些优点使得光纤通信使用范围非常广泛，特别是在远程人机交互系统中，在实际应用中展现出了光纤传感技术的突出优势。

光纤传感技术应用在各个领域进行数据采集时，远程人机交互系统作为辅助，实现远程的交互控制，通过人机交互系统即可实现对数据采集参数的设置及初始化，以及对数据传输的控制，同时也能将采集数据的结果通过交互界面展示出来[4-6]。

目前，比较常见的远程人机交互系统有基于SOC芯片、Qt技术和μC/OSⅢ技术的系统，这些系统在进行光纤数据传输时，受到现场电磁干扰比较严重，数据存在传输异常情况，并且通信质量也受到了影响，其整体应用性能比较差[7-9]。因此，提出光纤高速度数据传输的远程人机交互系统设计，解决上述中存在的问题。

1 光纤高速度数据传输的远程人机交互系统硬件设计

1.1 系统硬件设计

系统硬件主要由两部分构成：VGA显示模块、读写控制模块。系统硬件总体框图,如图1所示。

图1 系统硬件总体框图

图1中，系统硬件设计包括VGA显示模块和读写控制模块，其中VGA显示模块接口协议的显示模式分为SXGA、UXGA和VGA三种，读写控制模块的光纤数据存储空间分为两块，一块是从地址0开始的区域，另一块是地址30′d1000000开始的区域，主要完成DDR数据的读写和DDR数据的读出。

1.2 VGA显示模块设计

VGA是视频图像阵列的缩写，应用于单色和彩色图像显示，在远程人机交互硬件设计上，设计VGA显示模块，通过逐行扫描将数据显示出来。VGA作为标准显示接口，有3排共15个针，能够实现对同步信号、场同步信号和RGB三种颜色信号的处理[10]。其接口协议的显示模式往往通过刷新频率及分辨率的差异区分，主要分为SXGA、UXGA和VGA 3种，每种显示模式按照其时序要求的差别有严格的标准。在系统硬件设计上，选用常见的RGB565，VGA图像显示采样1 024×768像数，调用XILINX的PLL IP产生。VGA的行时序和场时序,如图2所示。

数据显示程序按照VGA的时序，将数据转化为像数，再输出到VGA的红绿蓝数据线上[11]。该模块输入端口分别是v_clk，v_rst和ddr_data[127∶0]，输出端是v_hsync、v_vsync、v_r：RGB、v_g：RGB和v_b：RGB。

1.3 读写控制模块设计

VGA显示模块需要存储器对数据进行缓存和控制器控制数据的读写。在读写控制模块选用FPGA进行开发设计，其核心芯片为xc6slx16，选用Spanrtan-6 LXT高速串行收发器作为辅助，支持多种接口格式，按照数据类型进行独自的处理，实现数据存储的高速读写[12]。对于数据的缓冲，选择型号为MT41J64M16LA-187E的高速DDR DRAM作为缓存芯片，具有4个BANK，其中与FPGA芯片相连的是BANK3，通过配置可以使数据读写速度达到666 Mb/s。

光纤数据经过转换后，通过VGA接口转换成图像显示在人机界面上，在数据传输中，直接对像素进行计数，像素信息转换成RGB信号，实现图像显示。

设计的读写控制模块主要完成DDR数据的读写和DDR数据的读出，受到光纤高速数据传输的要求，其数据读出为Burst方式，一次读出64个相同大小的数据[13]。同时，将光纤数据存储空间分为两块，一块是从地址0开始的区域，另一块是地址30′d1000000开始的区域，当地址0开始的区域作为光纤数据存储的时候，地址30′d1000000的区域作为展示图像的读模块，这样数据读和写被分成了两部分，提高了光纤数据的传输速度。

基于设计的VGA显示模块和读写控制模块即实现了系统人机交互界面的设计，设计软件部分。

2 光纤高速度数据传输的远程人机交互系统软件设计

2.1 系统软件设计

系统的软件部分主要包括数据库用表设计和交互数据传输机制设计。系统软件总体框图如图3所示。

图3 系统软件总体框图

2.2 数据库用表设计

在系统设计中，选用MySQL数据库，根据系统实际内容和功能设计数据库用表，在设计过程中，针对临时存储数据创建临时表，针对数据进行输出和其他操作产生的数据创建中间表，针对长期使用的数据或原始数据，创建基本表进行管理，在基本表中字段是不可再划分的[14]。

在MySQL软件上创建人机交互所使用的数据表，一种是用来存放光纤数据采集参数的参数配置表，另一种是数据存储表，主要存放采集的光纤数据[15]。参数配置表如表1所示。

表1 参数配置表

在人机交互系统中，考虑到需要处理的数据量比较庞大，因此使用二进制数据类型作为数据存储类型。数据存储表的属性分别是时间、数据、数据个数、属性和位置[16]。在系统访问数据库时，采用最通用的ODBC规范访问。

2.3 交互数据传输机制设计

远程人机交互系统的本质是将光纤数据显示在交互界面上，用户通过人机交互达到控制数据变化的目的。数据传输需要依赖接收方与发送方的通信[17-18]。在系统软件设计部分，主要针对多方通信的情况，采用MODBUS-TCP协议，规定每个控制器的设备地址，发送方和接收方采用RS485进行通信控制，在TCP/IP协议层中，数据链路层具有数据帧的校验性能，因此在MODBUS-TCP协议的数据帧格式当中省略校验。在MODBUS-TCP协议的支持下，采用主动数据传输机制作为系统的通信机制[19-20]，该传输机制定义了基于数据帧的传输方式，实现了从发送端到接收端的数据复制粘贴。在进行远程数据传输时，该传输机制被触发，从而实现远程传感与人机交互系统实时同步动作，此时用户可通过人机界面操作光纤数据，对于远程数据，通过远程帧来实现同步数据的传输，从而达到减少实时性传输消耗的目的。

将以上软件设计与硬件设计结合在一起，完成光纤高速度数据传输的远程人机交互系统的设计。

3 光纤高速度数据传输的远程人机交互系统性能测试

3.1 测试环境搭建

在远程人机交互系统性能测试中，搭建的测试环境中包含了完整的状态机逻辑、时钟产生逻辑、数据传输模拟逻辑和复位逻辑等。其中，时钟产生逻辑用于产生系统测试中所需要的时钟。测试环境搭建完成后，使用ModelSIM仿真软件仿真出系统运行的状态机，考虑到设计的远程人机交互系统中使用了FPGA硬件，在使用ModelSIM时，采用ISE自身的仿真库编译工具进行编译。仿真库编译导向图,如图4所示。

图4 仿真库编译导向

在仿真编译时，分别设置好软件参数，等待库编译完成即可。仿真环境搭建完毕后即可建立相关工程对系统进行功能测试。

3.2 Wireshark抓包测试

对于远程人机交互系统的实际性能，很难从硬件描述语言上来描述其水平，为了验证设计的远程人机交互系统的可靠性，使用Wireshark抓包工具抓取传输的数据与原始数据对比，分析在传输中数据是否有损失。在进行上述测试的同时，引用传统的基于SOC芯片的远程人机交互系统、基于Qt的远程人机交互系统和基于μC/OSⅢ技术的远程人机交互系统，将其在相同的测试条件下进行远程数据传输，根据测试结果分析各个系统的实际性能。

通过网线将计算机与开发板连接在一起，使用网络调试助手发送数据，打开Wireshark开始抓包。待网络调试助手完成计算机与开发板之间的光纤数据的传输后，采用回环结构将接收到的数据发回到计算机，将抓包数据与返回的数据相对比判断系统数据传输性能。测试过程中，开发板IP地址为192.168.1.102，计算机的IP地址为192.168.1.101，端口号为8081。

在测试完成后，整理测试结果，具体内容如图5所示。对比观察图5中结果，可以知道如下信息。

(1) 图5(a)中显示，数据发送计数与接收计数并不相同，并且在数据显示区域，接收的数据与发送的数据不一致，接收的数据不仅缺少数据，而且存在重复数据；

(a) VGA行时序

(a) 基于SOC芯片的人机交互系统

(2) 图5(b)中结果同样发送数据与接收数据的计数不相等，只是在接收数据中没有出现重复数据；

(b) VGA场时序

(b) 基于Qt的人机交互系统

(3) 图5(c)中显示，接收数据与发送数据计数相等，但是在接收数据区域中数据接收的顺序与发送数据并不一致，数据顺序被打乱；

(c) 基于μC/OSⅢ技术的人机交互系统

(4) 图5(d)中显示，发送数据与接收数据计数相等，并且接收数据与发送数据内容一致。

(d) 光纤高速度数据传输的远程人机交互系统

综上所述，提出的光纤高速度数据传输的远程人机交互系统数据传输更可靠。

3.3 信噪比测试及分析

基于抓包结果计算出不同远程人机交互系统在通信过程中的信噪比，信噪比是通信信号与噪声的比值，信噪比越大，通信质量越好，反之，通信质量越差。信噪比计算式如式(1)—式(3)。

Pj=E[x2(t)]

(1)

(2)

(3)

式中，SNR表示信噪比;Pj表示信号交流功率;Pn表示噪声功率;x(t)表示随机信号;E表示直流分量;u表示量化区间。

计算结果如表2所示。

表2 不同人机交互系统的信噪比测试结果

表中RBM表示分辨率带宽，在测试前设置不同的分辨率带宽测试不同的人机交互系统。从表中数据可以看出，随着分辨率带宽的增加，人机交互系统的信噪比呈倍数增加；纵向对比各个系统的信噪比可知，提出的远程人机交互系统信噪比更高，传统的人机交互系统信噪比比较低。结合Wireshark抓包测试结果可知，设计的光纤高速度数据传输的远程人机交互系统数据传输可靠，通信质量高，其整体应用性能远高于传统的远程人机交互系统。

4 总结

本文就光纤高速度数据传输的远程人机交互系统进行了研究，根据光纤高速度数据传输的特点，设计了具有针对性的远程人机交互系统，取得了一些成果。并在系统设计完成后，设计了多项对比测试，测试结果证明了提出的远程人机交互系统的可靠性和高应用性。但是由于时间仓促、水平有限，设计的系统尚有进步的空间，如光纤数据的自动转换问题，这一问题在后续研究中将作为研究重点进行分析与解决。