摘 要：為了解決接收機自動測試系統中由于系統時延與數據緩沖給測試過程中的時間同步與數據對齊帶來的一系列難題，提高測試系統的精度，本文對傳統的自動測試系統進行了優化。以LabVIEW為平臺開發了獨立于主工控機的數據采集系統，并對數據緩沖問題提出了解決方案。試驗結果表明,該系統較好地解決了時延與數據對齊問題，達到了預期目標。
關鍵詞： 接收機測試; LabVIEW RT; 數據采集
隨著全球經濟的蓬勃發展，導航被廣泛應用在運輸車輛監控、服務示范系統工程、石油探測、航天測試系統等方面,用于接收、跟蹤、變換和測量導航信號的接收設備——導航接收機也被應用在各種服務、追蹤、測試等系統中。
在一些對精度及可靠性要求比較高的系統中，一方面接收機的精度和不確定度評估直接影響了測試驗證的可信度；另一方面隨著使用時間及機械損耗，接收機的精度會受到一定的影響，為此需要對接收機進行定期標校。
一般的接收機自動測試系統[1]大都把原始數據與接收機接收數據進行對比，在此過程中往往忽略了由于操作系統的非實時性帶來的時延以及數據緩沖處理給發送數據與接收數據的對齊造成的誤差。
本文在對接收機自動測試系統的構架進行簡單介紹的基礎上，著重研究如何采用LabVIEW RT 實時系統解決上述問題。
1 測試系統架構
傳統導航接收機自動測試系統[2]如圖1所示。
工控機記錄并通過GPIB總線控制信號源的輸出[3]；通過天線或射頻信號，信號源將產生的信號發送給接收機；接收機接收信號源生成的各類信號并通過429總線將接收的信號傳遞給工控機；工控機最終將接收機接收到的信號與信號源發射信號進行對比，給出接收機誤差補償。
這一方法在理論上成立，在設計和實現的過程中卻會因操作系統的非實時性和接收數據過程中的數據緩沖，給最終數據對比時的時間同步和數據對齊帶來問題，進一步影響系統精度。
為了解決這一問題，本文對傳統接收機自動測試系統進行了優化，如圖2所示。
本系統采用IFR International Ltd.生產的專用航空信號發生器IFR2030作為信號源，Collins的GNLU-930、DME-442以及Honey Well的RNA-34BF作為接收機；通過PCI-GPIB板卡實現工控機與信號源控制單元的通信；此外，新增了Agilent公司的DS07104B型示波器以及E4440A型頻譜分析儀,以實時顯示跟蹤信號的變化情況。
與傳統自動測試系統相比，本系統最大的特色是以LabVIEW為平臺開發了獨立的數據采集系統,其設計方案將在下一節中進行介紹。
2 數據采集
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化編程語言的開發環境。它最大的特點是能夠保證應用程序的實時響應[4]只運行在物理內存中；另一特點是并行特性，多線程數據采集任務的編寫和執行更加容易和有效[5]。
本系統設計過程中,以LabVIEW為開發平臺將數據采集設計為獨立的系統就是考慮到了LabVIEW的以上特性，這些特性使系統在運行過程中由于操作系統的非實時性而帶來的時延大大減少[6]。此外，在傳統的接收機自動測試系統中，工控機承擔了包括信號源控制、數據采集、解析與分析處理，以及數據存儲的任務，這些多線程操作也給工控機的響應時間帶來一定的影響， 本系統中數據采集系統作為一個獨立的單元承擔了數據采集與解析的任務， 降低了主工控機的負荷。
數據采集系統作為中間過程是用戶不可見的，上位機采用TCP/IP協議實現對采集單元的控制及通信。為了使數據采集適應于ETS實時操作系統，采集系統采用了ALTA data公司的CPCI采集卡,系統結構如圖3所示。
數據采集流程[7]分為初始化、讀取數據、結束采集三大步，其示意圖如圖4所示。
在初始化分支中要分別對板卡及采集通道進行初始化設置，確立板卡ID號、發送和接收通道編號、總線速率；在讀取通道數據分支中調用獲取緩存中數據函數，獲得接收機數據；在結束采集分支中按照初始化的逆序退出相應的數據采集函數，配置要停止工作的通道編號，調用函數關閉通道[8]， 最后再關閉板卡。設計如圖5所示。
為了不斷接收來自接收機的數據，并對采集到的數據進行解析和顯示，在程序編寫過程中采用了一個While循環[9]，如圖6所示。
對于數據解析部分[10]，需要根據數據Label，對每個參數單獨地進行封裝，然后在主程序中進行調用。
工控機與數據采集單元間的通信采用網絡TCP協議[11]。通信模塊程序框圖如圖7所示，上部分循環實現向數據采集系統發命令字的功能，下部分循環接收數據采集系統解析后的數據,并顯示在工控機面板上。
3 數據緩沖方案
除了系統時延之外，另一個影響系統性能的因素是數據處理與緩沖。
在很多數據采集過程中，對數據的處理是一個順序過程，即對某一數據包依次進行數據采集、數據解析、數據打包或存儲等過程后再進入下一次的采集。這樣在數據及數據處理量較小的情況下是可行的，但當數據達到一定的閾值，在每一步上耗費的時間將顯著提高，這時就會出現后續處理流程長時間空閑等待前續流程，或者前續流程長時間空閑等待后續流程處理完畢以進入下一個采集過程。這種處理方式容易帶來數據丟失或波形失真等問題，更難以保證實時性的要求。
鑒于以上缺陷，本系統對數據采集流程進行了優化，改進的數據采集流程如圖8所示。
改進后，各個流程既相對獨立，又能夠通過緩存實現模塊間的交互，使數據處理量在時間維中均勻分布。同時減少了系統在數據量很大卻存在進程循環等待這一問題，極大地提高了數據采集系統的性能。
對于數據采集系統內部模塊間的交互需要考慮到進程間同步、數據緩存等問題。對于數據采集模塊與數據解析處理模塊，數據采集系統采用了主從設計模式來實現。主／從設計模式主要用來解決兩個或多于兩個的同時發生的并且擁有不同運行速率的線程間通信間題。其示意圖如圖9所示。
數據采集模塊作為主循環,數據處理模塊作為從循環，它們引用相同的通知器句柄。從循環在程序運行之初處于等待通知器狀態，只有當從循環收到主循環完成采集通知才開始進行數據處理，處理完成后將進入下一次等待通知狀態。
數據解析處理模塊與網絡發送模塊間的交互采用生產者消費者設計模式。與主從設計模式不同,生產者/消費者設計模式采用了隊列的數據存儲方式(FIFO)。網絡發送模塊設置了一個數據存儲隊列，從數據解析處理模塊發送來的數據按照先進先出的方式被存入這一隊列。程序運行時，數據解析處理模塊與網絡發送模塊同時運行，前者只負責將數據處理后寫入到緩存隊列，后者只負責將隊列中的數據讀取出來并進行下一步操作。
這樣的處理過程緩和了在數據量過大時的種種矛盾，在實際處理過程中也達到了預期目標。然而,仍有一些問題需要進一步考慮，主從模式在數據采集速率大于數據處理速率的情況下，容易造成數據的丟失；生產者/消費者模式能夠很好地克服上述問題，但是當網絡發送速率低于數據處理速率時，隊列將會溢出，在LabVIEW中數據發送將被強行停止。因此合理設計各模塊間的關系,匹配模塊間處理率是系統精益求精的一個設計方向。
4 實驗
為了測試對數據采集單元進行優化后的系統性能，除了常規的測試，還進行了一次對比試驗：將信號源設定為正弦信號，分別記錄下傳統自動測試系統與本系統的接收數據，將它們繪制在同一幅圖像中。實驗結果顯示，與未經優化的系統相比，本系統能更好地進行時間同步與數據對齊。同時,采用LabVIEW RT圖形化開發環境，應用模塊化設計方式，把流程中的各個部分模塊化，也有利于程序的修改和維護。本設計系統達到了優化接收機自動測試系統的預期目標。
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