引言

數(shù)字接口設備是實現(xiàn)標準422串行總線到自定義串行總線轉換的專用通信設備。數(shù)字接口測試系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字接口設備的工作原理，輸出422串行數(shù)據(jù)和自定義串行總線的控制信號（YCK,YZM）給數(shù)字接口設備，并對其輸出的串行數(shù)據(jù)（YDATA）進行采集、存儲、分析和處理，從而達到對被測設備進行檢測的目的。本數(shù)字接口測試系統(tǒng)共提供了八個測試通道，每個通道的422串行總線和自定義串行總線的相關參數(shù)都可由測試人員通過應用軟件進行設置。為方便對數(shù)據(jù)進行分析，同時在軟件上約定了發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為：AA xx 01 23 45 67 89 AB CD EF 01 23… 10，其中幀頭為0xAA，幀尾為0x10，xx為發(fā)送計數(shù)器值，每發(fā)送一次依次加1。應用軟件通過相應的算法對自定義串行總線接收數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，如：已經接收的字節(jié)數(shù)，共接收了多少幀數(shù)據(jù)，共出錯有多少字節(jié)……并將結果在測試界面上動態(tài)顯示，測試人員可以根據(jù)這些實時的測試結果來判斷被測設備是否正常工作，一旦發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)誤碼率太高，即可馬上斷電停止測試，防止被測設備燒壞。

系統(tǒng)實現(xiàn)方案

數(shù)字接口測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。測試設備通過USB2.0總線與操作控制計算機進行連接，每臺測試設備提供了八個通道的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元，其中數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于輸出422異步串行數(shù)據(jù)，其波特率最高可達614.4 kbps，幀長可根據(jù)測試要求進行調整，每幀數(shù)據(jù)最高循環(huán)發(fā)送幀周期為5ms；數(shù)據(jù)接收單元用于產生自定義串行總線的控制信號YZM和YCK，并從YDATA讀回數(shù)據(jù)，YCK和YZM最高分別可達1.6384MHz和25.6kHz。

由于測試過程中傳輸數(shù)據(jù)量大，且需要對采集回來的數(shù)據(jù)做實時分析，因此對數(shù)據(jù)的實時采集和分析采用多線程分別進行處理。應用軟件中主界面線程主要負責完成人機界面操作，同時分別打開數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩個線程來同步協(xié)調工作，為保證數(shù)據(jù)采集和分析過程的連續(xù)和數(shù)據(jù)完整，兩個線程之間通過開辟高速內存緩沖區(qū)和內存映射文件的方式來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流的一、二級緩沖。其中一級緩沖區(qū)實現(xiàn)對USB總線上傳數(shù)據(jù)的緩存，用于實現(xiàn)接收的USB數(shù)據(jù)包按照各個通道進行數(shù)據(jù)分解；二級緩沖則按照通道號將分解輸出的數(shù)據(jù)分別進行暫存，用于數(shù)據(jù)分析線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理。整個方案中，數(shù)據(jù)包的上傳、存儲、數(shù)據(jù)分解、數(shù)據(jù)分析等操作均是在內存中完成，速度快，正確率高，再加上采用新的線程同步方法，既保證了數(shù)據(jù)采集線程高速數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)分析線程的快速響應和實時分析，又保證了整個方案較高的性能和最低的系統(tǒng)開銷。數(shù)據(jù)緩存處理如圖2。

數(shù)據(jù)采集

為了實現(xiàn)USB返回數(shù)據(jù)的保存，在內存中構建了一個12k的高速內存緩沖區(qū)，12k的空間以512字節(jié)（一個USB數(shù)據(jù)包的大?。閱挝黄骄殖?4等份。多線程同步中常用信號量來控制訪問某一共享資源的線程數(shù)，結合操作系統(tǒng)中生產者和消費者的思想可采用擴展信號量的方式來完成線程同步。數(shù)據(jù)采集線程操作時，12k高速緩沖區(qū)分別用讀寫兩個信號量作為狀態(tài)指示，對數(shù)據(jù)讀入和輸出進行控制。寫信號量個數(shù)初始化為24個（表示有24個數(shù)據(jù)區(qū)間可寫入），讀信號量個數(shù)初始化為0個（表示有0個空間有數(shù)據(jù)需要讀出），數(shù)據(jù)采集線程等效為生產者，數(shù)據(jù)分析線程等效為消費者。如圖3所示。USB接口每返回一包數(shù)據(jù)，首先判斷寫信號量個數(shù)，為零則線程阻塞等待，不為零則實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入操作，將USB數(shù)據(jù)包內容存入當前生產者指針(pWriteIndex)所指向地址的后512字節(jié)緩沖區(qū)中，完成后生產者指針加512，寫信號量減1，讀信號量加1，這是生產的過程。當線程切換到數(shù)據(jù)分析線程后開始消費（對采集回來的數(shù)據(jù)包分解處理），首先判斷讀信號量個數(shù)，為零（沒有可消費的）則線程阻塞等待，不為零則由消費者指針(pReadIndex)來控制讀取一包數(shù)據(jù)。一包數(shù)據(jù)讀取完畢后消費者指針加512，讀信號量減1，寫信號量加1。由以上分析可知，整個12k的緩沖區(qū)在讀寫兩個信號量的協(xié)調工作下不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析線程的同步，并且通過互鎖機制保證了生產者指針和消費者指針不會指向同一塊內存區(qū)域，使整個系統(tǒng)的可靠性得到顯著提高。

數(shù)據(jù)分析

由于數(shù)字接口測試設備八個通道可同時工作，為了區(qū)別USB總線上傳的數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)分別對應哪一個通道的數(shù)據(jù)，并滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，每個通道以64字節(jié)為單位將測試數(shù)據(jù)送入USB接口的內部緩沖區(qū)，其第一個字節(jié)用于標識隨后63字節(jié)是哪一個通道的數(shù)據(jù)，分別用01，02……07,08進行標識。當USB接口的內部緩沖區(qū)填滿512字節(jié)后即通過USB總線上傳到計算機內存中的高速緩沖區(qū)。所以在數(shù)據(jù)分析時首先需要從USB數(shù)據(jù)包中提取每個通道回傳的測試數(shù)據(jù)，然后與標準格式數(shù)據(jù)進行對比分析。可見若在長時間測試時，數(shù)據(jù)分析線程數(shù)據(jù)處理量大，任務繁重。為保證整個系統(tǒng)的實時性和數(shù)據(jù)分析準確性，測試接收回來的數(shù)據(jù)按照通道號不同分別保存在不同的內存映射文件中。

數(shù)據(jù)分析線程在讀信號量和消費者指針的控制下成功讀取一包數(shù)據(jù)后，根據(jù)通道標示號提取此包中每個通道的數(shù)據(jù)，寫入對應的內存映射文件中，再調用數(shù)據(jù)處理函數(shù)對每個通道數(shù)據(jù)做誤碼分析。誤碼分析的結果可由主界面線程調用顯示。數(shù)據(jù)分解流程如圖4所示。

為了保證測試效率和數(shù)據(jù)處理的正確性，pWriteCounter既用于控制內存映射文件寫入數(shù)據(jù)指針的移動，也用于判斷已接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，作為數(shù)據(jù)處理時讀內存映射文件指針的參考和是否開始對數(shù)據(jù)進行分析的條件。數(shù)據(jù)處理時，并不是內存映射文件中寫入數(shù)據(jù)后就馬上開始分析，而是根據(jù)pWriteCounter確定已接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，直到接收回來大于一個標準幀長度的數(shù)據(jù)后才開始對此幀數(shù)據(jù)的誤碼率分析，這樣既避免了多次分析一幀數(shù)據(jù)，又保證了數(shù)據(jù)分析的正確性，而且減少了數(shù)據(jù)分析線程獨占CPU的時間。從最終實際運行結果來看，此方法有效解決了數(shù)據(jù)實時采集過程中掉數(shù)據(jù)的問題。

數(shù)據(jù)經分解寫入對應通道內存映射文件后，還需要實時地將每個通道接收回來的測試數(shù)據(jù)和標準數(shù)據(jù)進行對比分析，并以誤碼率形式進行顯示，測試人員根據(jù)實時變化的誤碼率即可監(jiān)測數(shù)字接口設備是否工作正常。數(shù)據(jù)分析處理流程如圖5所示。在實際使用中，數(shù)字接口設備可能出現(xiàn)的故障現(xiàn)象較多，采集接收回來的數(shù)據(jù)量相當大且數(shù)據(jù)出錯情況各不相同，不能誤判或漏掉任何一種情況，通過反復測試得出以下對固定格式數(shù)據(jù)處理的方法：

①從每個通道的內存映射文件中逐個字節(jié)掃描幀頭0xAA，一旦檢測到幀頭0xAA，進入第②步。

②首先判斷此幀數(shù)據(jù)的幀尾位置是否為0x10，以及幀尾的前一個數(shù)據(jù)和對應的標準數(shù)據(jù)(標準數(shù)據(jù)幀尾的前一個數(shù))是否相同，若同時滿足這兩個條件，說明此幀數(shù)據(jù)為標準幀(此幀數(shù)據(jù)長度和發(fā)送的標準幀幀長度相等)，若不滿足進行第④步操作。

③判斷此幀為標準幀后，從此幀數(shù)據(jù)和標準數(shù)據(jù)的第二位開始到幀尾一一進行對比判斷（跳過第0個幀頭數(shù)據(jù)和第1個計數(shù)器數(shù)據(jù)），不相等則記錄出錯，每發(fā)現(xiàn)一處錯誤字節(jié)，錯誤字節(jié)數(shù)加1。進入第⑥步。

④從幀頭到幀長度數(shù)據(jù)范圍內查找是否出現(xiàn)0xAA，出現(xiàn)0xAA，首先用第②步操作判斷此0xAA是否為下一幀數(shù)據(jù)的幀頭，若是下一幀數(shù)據(jù)幀頭，記錄幀頭前一個字節(jié)為此幀幀尾位置，說明此幀數(shù)據(jù)有掉數(shù)據(jù)現(xiàn)象，否則為錯誤數(shù)據(jù)，調用非標準幀處理。

⑤從此幀數(shù)據(jù)和標準數(shù)據(jù)的第二位開始到確定的該幀長度范圍內數(shù)據(jù)進行一一對比判斷 (跳過第0個幀頭數(shù)據(jù)和第1個計數(shù)器數(shù)據(jù))，不相等則記錄出錯，并判斷為錯誤一個字節(jié)。

⑥檢查該幀中計數(shù)器數(shù)據(jù)與前后幀的計數(shù)器數(shù)據(jù)是否連續(xù)，如果連續(xù)則沒有幀出錯，否則有掉幀現(xiàn)象出現(xiàn)，需要根據(jù)前后計數(shù)器數(shù)據(jù)確定掉幀的長度，并轉化為對應錯誤字節(jié)數(shù)。

同時接上兩個被測設備驗證整個系統(tǒng)的性能，即使每個通道均選擇工作在最高波特率614.4 kbps和最高循環(huán)發(fā)送幀周期5ms下，仍能保證數(shù)據(jù)采集實時高速、數(shù)據(jù)質量穩(wěn)定且誤碼率低。

結束語

實時測試與結果顯示如圖6所示。該技術已經成功應用于某數(shù)字接口設備的檢測與維修系統(tǒng)，取得了良好的效果。經大量測試驗證，此種多線程、內存映射文件和兩級緩沖的方法在高速實時數(shù)據(jù)采集和分析中效果很好。根據(jù)生產者和消費者的思想建立的讀寫信號量有效地實現(xiàn)了采集和分析線程間的同步，內存映射文件的大小在開始測試前申請為100M，當需要更長時間測試時還可以動態(tài)申請開辟新的內存空間，既保證了系統(tǒng)的實時性要求，又有效節(jié)約了系統(tǒng)內存資源。