基于LabVIEW FPGA的数据传输技术
代华斌，秦占阳 (中国科学院 西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710075)
摘 要：数据传输就是依照适当的规程，经过一条或多条链路，在数据源和数据宿之间传送数据的过程。也表 示借助信道上的信号将数据从一处送往另一处的操作。基于LabVIEW FPGA数据传输技术是基于网络传输的一 种，它具有TCP传输和UDP传输两种方式，为了保证传输过程中不产生数据丢失，本文通过重新构造数据类型 并通过打包与接包的方式进行数据交换，保证了数据在高速采样条件下的连续性与稳定性，为底层FPGA硬件 向上位机数据交换提供了一种崭新的模式。
关键词：FPGA；abview；TCP/IP；UDP；数据复用
0 引言
西安某汽车电子有限公司生产的XLM油泵支架产 品功能测试台设计中，有一项针对高度阻值（TSG）的 功能测试。该测试内容要求阻值电压采样与液位高度进 行一一对应。使用传统的采集方式难以保证采集的可靠 性。基予该设计要求，本文提出了一种采用LabVIEW FPGA的数据传输技术，该技术能够在高速采样的前提 下确保数据传输的稳定性与可靠性。
1 数据传输
数据传输技术主要用于多机通信领域，一般在数据 交换过程中，为保证数据的稳定可靠传输而制定的特殊 传送规则。其传输过程也根据传输的物理介质而不同。 具体而言可分为以下几种：
1.1 基带、频带和数字数据传输
①基带传输是指由数据终端设备（DTE）送出的二 进制“1”数据传输或“0”的电信号直接送到电路的传 输方式。基带信号未经调制，可以经过码形变换（或波 形变换）进行驱动后直接传输。
②大多数传输信道是带通型特性，基带信号通不 过。采用调制方法把基带信号调制到信道带宽范围内进 行传输，接收端通过解调方法再还原出基带信号的方 式，称为频带传输。
③数字数据传输是利用数字话路传输数据信号的一 种方式。
1.2 并行传输与串行传输
①并行传输是构成字符的二进制代码在并行信道上 同时传输的方式。
②串行传输是构成字符的二进制代码在一条信道上 以位（码元）为单位，按时间顺序逐位传输的方式。速 度虽慢，但只需一条传输信道，投资小，易于实现，是 数据传输采用的主要传输方式。也是目前计算机通信采 取的一种主要方式。
1.3 异步传输和同步传输
①异步传输是字符同步传输的方式。当发送1个字 符代码时，字符前面要加1个“起”信号，长度为1个码 元宽，极性为“0”，即空号极性；而在发完1个字符后 面加1个“止”信号，长度为1，1.5或2个码元宽，极性为“1”，即传号极性。接收端通过检测起、止信号， 即可区分出所传输的字符。字符可以连续发送，也可单 独发送，不发送字符时，连续发送停止信号。
②同步传输是位（码元）同步传输方式。该方式必 须在收、发双方建立精确的位定时信号，以便正确区分 每位数据信号。在传输中，数据要分成组（或称帧）， 一帧含多个字符代码或多个独立码元。在发送数据前， 在每帧开始必须加上规定的帧同步码元序列，接收端检 测出该序列标志后，确定帧的开始，建立双方同步。接 收端DCE从接收序列中提取位定时信号，从而达到位 （码元）同步。
1.4 单工、半双工和全双工传输
单工传输指数据只能按单一方向发送和接收；半双 工传输指数据可以在2个方向传输但不能同时进行，即 交替收、发；全双工传输指数据可以在2个方向同时传 输，即同时收和发。一般四线线路为全双工数据传输， 二线线路可实现全双工数据传输。
2 复用技术
复用技术是指一种在传输路径上综合多路信道，然 后恢复原机制或解除终端各信道复用技术的过程，主要 包括以下几种：
频分复用（FDM）：载波带宽被划分为多种不同频 带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号。FDM 用于模拟传输过程。
时分复用（TDM）：在交互时间间隔内在同一信道 上传送多路信号。TDM 广泛用于数字传输过程。
码分复用（CDM）：每个信道作为编码信道实现 位传输（特定脉冲序列）。这种编码传输方式通过传输 唯一的时间系列短脉冲完成，但在较长的位时间中则采 用时间片断替代。每个信道，都有各自的代码，并可以 在同一光纤上进行传输以及异步解除复用。
波分复用（WDM）：在一根光纤上使用不同的 波长同时传送多路光波信号。WDM 用于光纤信道。 WDM 与 FDM 基于相同原理但是它应用于光纤信道上 的光波传输过程。
粗波分复用（CWDM）：WDM 的扩张。每根光纤传送4到8种波长，甚至更多。应用于中型网络系统（区 域或城域网）。
密集型波分复用（DWDM）：WDM 的扩展。典型 的 DWDM 系统支持8种或以上波长。显现系统支持上 百种波长。
在数据通信中，复用技术的使用极大地提高了信道 的传输效率，取得了广泛地应用。多路复用技术就是在 发送端将多路信号进行组合，然后在一条专用的物理信 道上实现传输，接收端再将复合信号分离出来。多路复 用技术主要分为两大类：频分多路复用(简称频分复用) 和时分多路复用(简称时分复用)，波分复用和统计复用 本质上也属于这两种复用技术。另外还有一些其他的复 用技术，如码分复用、极化波复用和空分复用等。
3 基于网络的传输
UDP是简单的面向数据报的运输层协议：进程的每 个输出操作都正好产生1个UDP数据报，并组装成1份待 发送的IP数据报。UDP数据报封装成1份IP数据报的格 式如图1所示。
UDP不提供可靠性连接：它把应用程序传给IP层的 数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。
TCP和UDP都使用相同的网络层(IP)。TCP提供 了一种可靠的面向连接的字节流运输层服务。如图2 所示：
TCP向应用层提供与UDP完全不同的服务。TCP提 供一种面向连接的、可靠的字节流服务。TCP将用户数 据打包构成报文段；它发送数据后启动1个定时器，等 待对端数据确认；另一端对收到的数据进行确认，对失 序的数据重新排序，丢弃重复数据；TCP提供端到端的 流量控制，并加以计算和验证。
面向连接意味着2个使用TCP的应用(通常是1个客户 和1个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立1个TCP 连接。这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对 方摘机说“喂”，然后才说明是谁。TCP传输协议连接 过程：
首先建立连接，TCP用3个报文段完成连接的建 立。这个过程也称为3次握手(three-way handshake)。如 图3所示。
终止1个连接要经过4次握手。如图4所示。
数据发送必须经过接收方确认，并且有超时重传等 保障机制，这是TCP传输有一定保障的根本原因，如图 5所示。
可以看到，完成1次数据传送，除了完成连接、终 止连接外，至少还需要1个数据分组与1个ACK分组。
UDP与TCP提供不同的传输方式与不同的传输质 量，TCP以增加网络开销的方式提供传输保障。在 GPRS网络实际测试，当网络正常情况下，从GPRS DTU→GPRS网络→互联网→用户数据中心这个通路 上，UDP传输有效性>99%，TCP传输有效性≈100%。
4 基于LabVIEW FPGA的数据传输
基于LabVIEW FPGA的数据传输，是基于TCP/IP的 一种改进方式。如图6所示。
这种方式主要用于FPGA架构的C-RIO系统与上位 机通信时为保证底层数据能够可靠传输的独特数据流 传输方式。其技术特点在于从FPGA底层进行数据构 造，即将一般数据类型（如定点型、浮点型）转换成计 算机底层可识别的布尔数据类型进行数据构造，如图7 所示。
当数据传输至RT层，通过数据解析的过程将FPGA 的高速数据流进行数据识别并转换至上位机可传输的数 据格式，如图8所示。
为保证数据的不丢失，RT打包过程采用了重联与 数据残留清空方式，以确保每次重联的过程能够进行 可靠的数据传输。上位机的接收过程如图9所示。
当数据传送至上位机后，将不同数据类型按照包 头加以解析，并按照构造数据类型进行数据重建。过 程如图10所示。
5 结论
基于LabVIEW FPGA数据传输方式主要用于高速 数据流传输的情况，这种方式是在TCP/IP基础上的一 种改进传输方式。目前已成功应用在西安某汽车电子 有限公司所生产的XLM生产线功能测试台改造项目 中。该项目要求在电机运行的过程中对电阻电压进行 高速可靠采样并传输，采用基于LabVIEW FPGA数据 传输方式很好地解决了该问题，目前设备运行良好。
参考文献：
[1] HE Y.Signal acquisition sysstem of engine base on LabVIEW [J].Manufacturing & Automation,2010(9):192-194.
[2] 施伟年,凌海宏. GPRS网络上数据传输协议[J],电力系统通信, 2004(8):61-65.
[3] 张银鸿,李双语.数据传输[J],计算机技术学报,2011(5):7879.
[4] 张峰,李平,等.降采样数据传输过程详解[J]. 航空计算技术,2009,18(2):65-68.
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