一種數(shù)字圖像接收測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李冠林，苗克堅

（西北工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710072）

在航空電子設(shè)備的研制過程中，通常需要對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行全面的測試。設(shè)備測試通過對目標(biāo)設(shè)備發(fā)送激勵信號，接收并記錄目標(biāo)設(shè)備的輸出信號。通過對反饋信號的分析，測試目標(biāo)設(shè)備功能的完整性、邏輯的正確性、整體運(yùn)行性能、以及可靠性和實時性。鑒于對設(shè)備可維護(hù)性的考慮，測試過程通常要求進(jìn)行全程的測試數(shù)據(jù)記錄，以便在檢測到設(shè)備故障時進(jìn)行現(xiàn)場恢復(fù)和故障定位。用于測試的設(shè)備通常采用工業(yè)控制計算機(jī)作為設(shè)備主機(jī)，安裝各種總線通信擴(kuò)展卡、信號采集卡、數(shù)字I/O 卡完成激勵信號的輸出和反饋信息的收集[1]。

論文以測試設(shè)備對目標(biāo)設(shè)備的圖像板進(jìn)行測試為背景，提出了一種基于CPCI 總線，以LVDS 接口卡為數(shù)據(jù)接收卡，通過DMA 驅(qū)動程序快速的提取接口卡的數(shù)據(jù)并提交給用戶程序的設(shè)計方案。該方案符合設(shè)計要求，滿足用戶需求。

1 測試系統(tǒng)需求分析

為滿足目標(biāo)設(shè)備圖像板測試的需求，該測試系統(tǒng)采用CPCI 總線接口的專用測試卡和LVDS 信號傳輸模式，使其傳輸速度高和抗干擾性強(qiáng)[2]。由于目標(biāo)設(shè)備發(fā)送圖像數(shù)據(jù)速率快，設(shè)備需要采用DMA 方式傳輸LVDS 接口卡接收到的數(shù)據(jù)。最后，測試設(shè)備要將接收的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)以圖像的形式在用戶界面上顯示出來，便于判斷圖像板的工作狀態(tài)。

要想完成以上的測試，需要做好以下幾個方面。首先該測試系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)y試設(shè)備進(jìn)行自檢，確保測試設(shè)備工作是正常；其次DMA 驅(qū)動程序能夠正確地接收全部數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；最后測試系統(tǒng)能夠?qū)崟r的顯示圖像。

2 總體設(shè)計

該測試系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，在對目標(biāo)設(shè)備的圖像板進(jìn)行測試時，首先測試系統(tǒng)對目標(biāo)設(shè)備加電；接著目標(biāo)設(shè)備的圖像板開始發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)通過LVDS 接口卡接收圖像數(shù)據(jù)；然后測試系統(tǒng)通過DMA 驅(qū)動程序提取LVDS 接口卡中的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；最后測試系統(tǒng)處理圖像數(shù)據(jù)，同時把圖像顯示到用戶圖像區(qū)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of test system

3 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、LVDS 接口卡、電源板和目標(biāo)設(shè)備組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。工控機(jī)是設(shè)備的核心，包含控制器和機(jī)箱。LVDS 接口卡主要負(fù)責(zé)數(shù)字圖像的接收，其CPCI 總線接口的實現(xiàn)采用PLX 的協(xié)議芯片PCI-9054，該芯片實現(xiàn)CPCI 總線與局部總線的橋接，并提供對DMA 方式傳輸數(shù)據(jù)的支持。電源板主要負(fù)責(zé)為目標(biāo)設(shè)備提供高效、穩(wěn)定的+12 V 電源。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件部分采用分層設(shè)計的思想，從上到下依次為：用戶層、中間層和DMA 驅(qū)動層，具體結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of the software test system

用戶層負(fù)責(zé)數(shù)字圖像的處理和實時顯示，該層使用中間層提供的服務(wù)接口，對底層的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行提??；中間層為用戶層提供服務(wù)，使用戶只能看見中間層提供的服務(wù)而無法看見底層的操作，底層的操作對用戶來講是透明的，同時該層功能的實現(xiàn)需要DMA 驅(qū)動層提供服務(wù)接口；DMA 驅(qū)動層為中間層提供服務(wù)接口，負(fù)責(zé)將圖像板發(fā)送的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)從LVDS 接口卡中提取出來，通知中間層取數(shù)。軟件設(shè)計的流程圖如圖4 所示。

4.1 DMA 驅(qū)動程序模塊

DMA 驅(qū)動程序以WDM 驅(qū)動框架為模版，開發(fā)環(huán)境為Microsoft DDK+VS2008。

4.1.1 WDM 驅(qū)動模型

WDM 驅(qū)動模型層次關(guān)系圖如圖5 所示，圖中左邊是一個設(shè)備對象堆棧，每一層驅(qū)動程序各對應(yīng)一個設(shè)備對象（PDO）。設(shè)備對象是操作系統(tǒng)幫助軟件管理硬件而創(chuàng)建的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖中處于最底層的是物理設(shè)備對象，中間層是功能設(shè)備對象（FDO），在FDO 的上下層可能有一些過濾設(shè)備對象[3]。

在單個硬件的驅(qū)動程序中，不同位置的驅(qū)動程序扮演了不同的角色?？偩€驅(qū)動程序管理計算機(jī)與PDO 代表的設(shè)備連接；功能驅(qū)動程序管理了FDO 代表的設(shè)備；過濾驅(qū)動程序用于監(jiān)視和修改IRP 流。對硬件板卡的每個操作轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的I/O 請求包（IRP）。IRP 通常先被送到設(shè)備堆棧的最頂層驅(qū)動程序，然后逐漸傳到下層的驅(qū)動程序。每一層驅(qū)動程序都根據(jù)IRP 攜帶的內(nèi)容決定如何處理IRP[3-5]。

4.1.2 DMA 驅(qū)動層

圖4 軟件設(shè)計數(shù)據(jù)流圖Fig.4 Flow chart of the software design

圖5 WDM 設(shè)備對象和驅(qū)動程序的層次關(guān)系圖Fig.5 Level diagram of the WDM device object and driver

Windows 操作系統(tǒng)提供了適配器對象來描述設(shè)備上的DMA 特征，并用它來控制訪問共享資源，如系統(tǒng)DMA 通道和映射寄存器。驅(qū)動程序要控制DMA，需要先創(chuàng)建一個適配器對象，適配器對象中有一個指針，指向一個DmaOperations的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含了所有需要的DMA 相關(guān)的函數(shù)，如函數(shù)AllocateCommonBuffer 等。

DMA 驅(qū)動程序首先從操作系統(tǒng)中獲取相關(guān)的硬件資源，包括LVDS 接口卡映射的內(nèi)存地址和DMA 相關(guān)中斷資源；然后在函數(shù)StartDevice 中調(diào)用函數(shù)IoGetDmaAdapter 獲取適配 器 對 象pDmaAdapterObject，通 過pDmaAdapterObject-＞DmaOperations-＞AllocateCommonBuffer 函數(shù)申請公共的DMA數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)；當(dāng)中斷發(fā)生時，驅(qū)動程序判斷中斷源，如果是DMA 中斷，調(diào)用函數(shù)Dma_Transfer 啟動DMA 傳輸LVDS接口卡中的圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)DMA 傳輸圖像數(shù)據(jù)結(jié)束中斷產(chǎn)生后，驅(qū)動程序?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)放在本層的循環(huán)緩沖區(qū)中，通知中間層到緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)。

在啟動DMA 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，需要設(shè)定DMA 數(shù)據(jù)的傳輸方向、傳輸起始地址、傳輸長度和傳輸通道等相關(guān)信息，最后打開DMA 通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。以下是Dma_Transfer 函數(shù)的核心代碼。

4.2 中間層

中間層提供的接口函數(shù)有：打開設(shè)備接口函數(shù)OpenDeviceDMA、關(guān)閉設(shè)備接口函數(shù)CloseDeviceDMA、使能中斷接口函數(shù)EnableInterruptDMA、中斷回調(diào)例程掛接接口函數(shù)ConnectIntDMA、中斷例程卸載接口函數(shù)DisConnectIntDMA、接收DMA 數(shù)據(jù)接口函數(shù)RevLVDSData和相關(guān)的對LVDS 接口卡寄存器操作的接口函數(shù)。

4.3 用戶層

用戶層軟件是在VS2008 環(huán)境下編寫的基于MFC 框架的應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)從中間層提取圖像數(shù)據(jù)，并將其處理保存，在界面上實時顯示圖像。

用戶層首先將中斷回調(diào)函數(shù)掛接到中間層，當(dāng)驅(qū)動層有DMA 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束中斷產(chǎn)生，驅(qū)動層將通知中間層，中間層接到通知后，提取驅(qū)動層的圖像數(shù)據(jù)存放到其循環(huán)存儲區(qū)。中間層調(diào)用中斷回調(diào)函數(shù)，通知用戶層，用戶層接到通知后，從中間層將圖像數(shù)據(jù)提取出來，并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和實時顯示。

由于用戶層還要處理其它事務(wù)，往往會使提取圖像數(shù)據(jù)的速率與DMA 傳輸數(shù)據(jù)的速率不匹配，在驅(qū)動層和中間層都申請一塊循環(huán)緩沖隊列來存儲DMA 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這樣就不會出現(xiàn)由于用戶層還未完全取走圖像數(shù)據(jù)，DMA 傳輸過來的數(shù)據(jù)就把未及時取走的數(shù)據(jù)覆蓋掉的問題。待用戶層提取數(shù)據(jù)完成后，直接調(diào)用圖像數(shù)據(jù)解析函數(shù)，根據(jù)圖像板數(shù)據(jù)格式，將圖像數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)幀中解析出來，然后調(diào)用Invalidate（）函數(shù)使圖像客戶顯示區(qū)失效，對圖像進(jìn)行重繪。為了消除重繪過程中產(chǎn)生的閃屏問題，采用了雙緩沖機(jī)制來繪制圖像[6]。在圖像繪制結(jié)束后，將圖像數(shù)據(jù)保存到固定的文件中。若測試不合格，該測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查找故障原因。

5 實驗應(yīng)用

測試系統(tǒng)測試目標(biāo)設(shè)備圖像板的過程為：打開測試軟件圖像板測試模塊，給目標(biāo)設(shè)備上電。等待大約3 s 的時間，界面上會出現(xiàn)特定的圖像。程序的部分操作界面如圖6 所示，該測試系統(tǒng)對顯示的圖像進(jìn)行判定以檢驗圖像板工作是否正常。

圖6 測試系統(tǒng)部分界面Fig.6 Interface chart of testing system

6 結(jié)束語

測試系統(tǒng)采用裝有LVDS 接口卡的CPCI 工控機(jī)作為硬件平臺，軟件采用分層的設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，便于二次開發(fā)。該測試系統(tǒng)采用了友好的界面設(shè)計，目前已經(jīng)交付用戶使用。實際應(yīng)用情況表明，該測試系統(tǒng)提高了測試效率，具有人機(jī)交互界面友好、簡單、測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高的特點，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

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