多線程技術(shù)在1000MW水輪發(fā)電機(jī)推力軸承試驗上的應(yīng)用

孫 凱，李淑鈺，祖宇聰

（1.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

1 引言

對于大型發(fā)電機(jī)，推力軸承的設(shè)計和制造技術(shù)是非常重要的。進(jìn)行推力軸承試驗是優(yōu)化大型水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，提高其運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵研究工作。

為了能夠準(zhǔn)確可靠的獲得推力軸承試驗的各項數(shù)據(jù)，采用了先進(jìn)的微機(jī)測控系統(tǒng)，使用交互式編程語言LabWindows/CVI作為平臺來進(jìn)行測控軟件的開發(fā)，并在軟件開發(fā)過程中采用了多線程的編程技術(shù)。

2 推力軸承試驗中的測控系統(tǒng)

在1000MW水輪發(fā)電機(jī)推力軸承試驗中，測控系統(tǒng)以先進(jìn)的工業(yè)控制計算機(jī)為核心，其硬件系統(tǒng)由多種傳感器、信號調(diào)理模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊、多功能數(shù)據(jù)采集卡、VXI總線數(shù)采系統(tǒng)、單片機(jī)、巡檢儀等多種硬件系統(tǒng)組成，需要測試的數(shù)據(jù)點包括轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、壓力、位移等多達(dá)254個，為了及時準(zhǔn)確的測得數(shù)據(jù)，硬件系統(tǒng)中采用了多種測試設(shè)備，設(shè)備與計算機(jī)之間采用了不同的通訊方式，這些通訊方式包括計算機(jī)與VXI數(shù)采系統(tǒng)之間的MXI-2、RS-232、無線485、以太網(wǎng)等技術(shù)（見圖1）。

軟件系統(tǒng)以 LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，為了合理利用硬件資源，安全可靠的進(jìn)行測試，軟件系統(tǒng)中多處使用了多線程技術(shù)。

圖1 硬件系統(tǒng)基本組成框圖

3 多線程技術(shù)

多線程技術(shù)是指計算機(jī)的操作系統(tǒng)在同一時間內(nèi)可以允許多個程序同時執(zhí)行的能力，也就是讓CPU同時執(zhí)行多個線程。

3.1 線程

進(jìn)程通常被定義為一個正在運(yùn)行的程序的實例，若要使進(jìn)程完成某項操作，它必須擁有一個在它的環(huán)境中運(yùn)行的線程，線程是進(jìn)程內(nèi)部的可獨立執(zhí)行的單元，負(fù)責(zé)執(zhí)行包含在進(jìn)程的地址空間中的代碼，是操作系統(tǒng)對系統(tǒng)資源的調(diào)度單位。

3.2 CPU如何完成多線程任務(wù)

目前主流的Windows操作系統(tǒng)都是基于多任務(wù)機(jī)制的，即可同時運(yùn)行多個應(yīng)用程序，這需要有多個線程同時執(zhí)行代碼，操作系統(tǒng)會為每一個線程安排一定的CPU時間，稱為時間片，讓每個線程只在自己時間片內(nèi)運(yùn)行，時間片結(jié)束之后中斷該線程的運(yùn)行，啟動另外的線程執(zhí)行，這被稱為線程切換。操作系統(tǒng)通過循環(huán)方式為線程提供時間片，采用時間片輪換的方式來執(zhí)行多個任務(wù)。

多線程技術(shù)的優(yōu)勢在于將任務(wù)分解為多個線程，可以在主線程外產(chǎn)生一個或幾個輔助線程，每個線程獨立的執(zhí)行自己的代碼，用于完成如數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)訪問、數(shù)據(jù)存儲等后臺工作，這些線程可以共享進(jìn)程中的數(shù)據(jù)。

由上述介紹可以知道，對于單個CPU計算機(jī)來說，宏觀上可以實現(xiàn)多線程并行運(yùn)行，進(jìn)而提高CPU的工作效率，對于多CPU的計算機(jī)，可以將不同的任務(wù)分配給不同CPU內(nèi)核來執(zhí)行，從而可以真正達(dá)到多個線程同時運(yùn)行。這種多線程機(jī)制為單個計算機(jī)同時管理多個外圍設(shè)備提供了一種很好的解決方案。

3.3 LabWindows/CVI中多線程程序的實現(xiàn)方式

LabWindows／CVI是美國 NI公司開發(fā)的面向計算機(jī)測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺，它以ANSI C為核心，采用交互式編程方法，提供了大量的功能函數(shù)。

該軟件提供了四種多線程機(jī)制的實現(xiàn)方式：線程池方式、異步定時器方式、Timer控件定時器方式和使用Windows SDK函數(shù)的方式。

（1）線程池方式

線程池可以理解為線程的容器，程序開發(fā)人員可以使用CmtNewThreadPool( )函數(shù)來創(chuàng)建新的線程池，通過調(diào)用線程調(diào)度函數(shù)將需要執(zhí)行的函數(shù)傳遞到線程池，這個被傳遞的函數(shù)稱為線程函數(shù)，線程函數(shù)可以起任何名字，并且函數(shù)原型也沒有限制。

在線程結(jié)束時，必須調(diào)用線程注銷函數(shù)來釋放線程池的資源，否則系統(tǒng)資源會逐漸消耗殆盡。

（2）異步定時器方式

此方式適用于等時間間隔執(zhí)行任務(wù)，異步定時器是利用Windows多媒體定時器在指定的時間間隔點調(diào)用線程函數(shù)，此種方式下需要調(diào)用工具庫中的函數(shù)以創(chuàng)建異步定時器，函數(shù)原型如下：

int CVICALLBACK NewAsyncTimer(double

interval，int count， int initialState，void*callbackFunction，void *callbackDat)；異步定時器創(chuàng)建好以后把需要執(zhí)行的線程函數(shù)傳遞給NewAsync Timer函數(shù)，并設(shè)定執(zhí)行的時間間隔。異步定時器的時間間隔精確，可以用來對一些采集設(shè)備進(jìn)行精確的軟件定時。

（3）timer定時器方式

這種多線程實現(xiàn)方式是調(diào)用一個timer定時器，它是 LabWindows/CVI提供的一個控件，能夠等間隔循環(huán)啟動它的回調(diào)函數(shù)，獨立于主線程之外，其執(zhí)行效果與異步定時器接近，但是timer控件執(zhí)行線程的優(yōu)先級低，受主線程的影響嚴(yán)重，不適合做時間間隔要求非常嚴(yán)格的工作，因此這種多線程實現(xiàn)方式常常被程序開發(fā)者忽略。

（4）使用Windows SDK中提供的函數(shù)

Windows SDK提供了進(jìn)行多線程編程的相關(guān)函數(shù)，這些函數(shù)定義在winbase.h文件中，導(dǎo)入庫為kernel.lib文件，在使用的時候需要在源文件中添加windows.h文件，編程時調(diào)用CreateThread函數(shù)可以創(chuàng)建新的線程，函數(shù)SuspendThread和函數(shù)ResumeThread分別用來暫停和繼續(xù)執(zhí)行獨立線程，函數(shù)TeminateThread用來終止獨立的線程。

此方式下，有些函數(shù)在windows SDK和LabWindows/CVI中都有定義，這些函數(shù)使用不當(dāng)會出現(xiàn)編譯錯誤，因此要注意使用正確的頭文件。

3.4 線程的優(yōu)先級

線程的優(yōu)先級會影響線程從CPU獲得時間的長短，系統(tǒng)不會允許優(yōu)先級低的線程先執(zhí)行，因此在程序設(shè)計時，應(yīng)該盡量將不重要的任務(wù)設(shè)成較低的優(yōu)先級。

設(shè)置線程優(yōu)先級的函數(shù)如下：

BOOL SetThreadPriority(HANDLE hThread，int nPriority)

4 多線程技術(shù)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

在1000MW水輪發(fā)電機(jī)推力軸承測控系統(tǒng)中，由計算機(jī)發(fā)送采集指令，送入VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單片機(jī)、巡檢儀等設(shè)備，測量結(jié)果返回到計算機(jī)中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和保存。需要實現(xiàn)的功能有：

（1）系統(tǒng)時間顯示；

（2）VXI數(shù)采系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速、載荷的監(jiān)測；

（3）VXI數(shù)采系統(tǒng)測量溫度數(shù)據(jù)；

（4）數(shù)據(jù)采集卡對位移的測量；

（5）采用無線485通訊對溫度巡檢儀和單片機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制；

（6）RS-232中斷程序，用于位移測試儀；

（7）TCP/IP通訊用于下位機(jī)數(shù)據(jù)顯示。

在測控系統(tǒng)軟件的開發(fā)調(diào)試過程中，采用了多線程的編程方案。本系統(tǒng)中使用了線程池方式來實現(xiàn)多線程的程序開發(fā)。經(jīng)過對系統(tǒng)任務(wù)的分析，考慮了實際應(yīng)用的過程，既要保證得到真實可靠的測試數(shù)據(jù)，又要保證系統(tǒng)的安全，把測控軟件所要完成的功能劃分給不同的線程函數(shù)。在創(chuàng)建好的線程池內(nèi)調(diào)用這些線程函數(shù)。

（1）系統(tǒng)時間顯示線程，在主函數(shù)中創(chuàng)建一個只有一個線程的線程池，在線城池中只放一個線程函數(shù)，循環(huán)進(jìn)行時間調(diào)用與顯示。雖然線程池中只有一個線程，但這是獨立于主函數(shù)進(jìn)程之外的，不影響主函數(shù)的運(yùn)行，不會造成程序失去響應(yīng)的問題。

（2）轉(zhuǎn)速、載荷的監(jiān)測及溫度數(shù)據(jù)采集線程，創(chuàng)建一個新線程池，放入兩個線程函數(shù)，一個用來測量轉(zhuǎn)速和載荷，另一個用來測量溫度數(shù)據(jù)，由于此任務(wù)分配給VXI數(shù)采系統(tǒng)，該設(shè)備中的選用的模塊不支持并行采集，所以為了完成不同的測量任務(wù)，這里設(shè)置了硬件占用和硬件釋放標(biāo)志。

（3）創(chuàng)建第三個線程池，將PCI數(shù)據(jù)采集卡測量程序、無線485通信程序、RS-232中斷程序、以太網(wǎng)通信程序這四個函數(shù)放在這個線程池中，這四個函數(shù)分別使用不同的設(shè)備，相互之間不會干擾，所以在同一個線程池內(nèi)不會影響程序運(yùn)行。

至此，軟件系統(tǒng)的主要測試任務(wù)被分配到了多個線程中，在主函數(shù)中對這些線程函數(shù)進(jìn)行啟動和終止等控制，并在用戶界面上設(shè)置相應(yīng)的入口。用多線程的編程方案開發(fā)測控系統(tǒng)軟件，提高了系統(tǒng)并行處理問題的能力。

將任務(wù)分配給不同線程后，提高了硬件系統(tǒng)的利用效率，但是也存在風(fēng)險，因為在不同的線程內(nèi)，會出現(xiàn)兩個線程同時訪問數(shù)據(jù)的情況，甚至?xí)霈F(xiàn)數(shù)據(jù)訪問時被改寫的問題，因此必須保護(hù)全局變量、靜態(tài)局部變量和動態(tài)分配的變量，否則可能會造成邏輯錯誤。LabWindows/CVI通用庫提供了三種不同的機(jī)制來保護(hù)數(shù)據(jù)：線程鎖，線程變量和線程隊列。本系統(tǒng)軟件采用了線程隊列機(jī)制，線程隊列函數(shù)允許線程之間安全地傳遞數(shù)據(jù)，保證讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)線程不會彼此阻塞。

另外需要注意的是，在線程函數(shù)執(zhí)行完成后要釋放其所占用的硬件資源，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束前要關(guān)閉線程池，否則會導(dǎo)致操作系統(tǒng)資源消耗過大。

5 應(yīng)用該技術(shù)后的系統(tǒng)測試結(jié)果

使用多線程技術(shù)開發(fā)的測控系統(tǒng)軟件在白鶴灘1000MW 水輪發(fā)電機(jī)推力軸承試驗中成功地完成了塑料瓦、鎢金瓦的試驗，為百萬千瓦機(jī)組推力軸承研究提供了大量真實可靠的數(shù)據(jù)，圓滿地完成了對各種工況的控制和大量的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

在以往的單線程測控系統(tǒng)中，所有的測控任務(wù)都是按順序執(zhí)行的，在數(shù)據(jù)采集的時候，每一項功能都需要一定的執(zhí)行時間，這樣完成所有項目的采集需要的時間比較長，當(dāng)某一任務(wù)無法完成時，測控軟件會不停的等待，造成軟件無法結(jié)束的問題。另外，在試驗過程中，順序執(zhí)行的任務(wù)結(jié)束前，軟件無法響應(yīng)操作者的任何指令，這是嚴(yán)重的安全隱患。推力軸承試驗測控系統(tǒng)中使用了多線程的編程技術(shù)以后，解決了上述問題，溫度采集、壓力采集、油膜厚度采集等都是相互獨立的，互不干涉，軟件可以隨時對操作者的指令做出響應(yīng)，從而保證了試驗臺的安全運(yùn)行。

通過使用多線程的編程方案，測控軟件的程序結(jié)構(gòu)更加合理，由于多個線程同時執(zhí)行，大大縮短了程序的執(zhí)行時間，多臺設(shè)備同時運(yùn)行，一個測試循環(huán)時間由5分鐘縮短到了3分鐘，充分利用了硬件資源，提高了試驗的效率。

6 結(jié)束語

采用多線程技術(shù)進(jìn)行測控軟件開發(fā)，能夠提高CPU的工作效率，充分利用系統(tǒng)資源，進(jìn)而提高了程序的實時性，增強(qiáng)了CPU對外圍設(shè)備的控制能力，使測控系統(tǒng)軟件的工作效率大大提高。目前，多核心處理器逐漸普及，從而使得測控軟件能夠真正做到多線程同時執(zhí)行，該技術(shù)也日趨成熟。多線程技術(shù)的應(yīng)用，不僅縮短了測控軟件的開發(fā)周期，也大大提高了系統(tǒng)的可靠性，為科學(xué)試驗提供大量真實可靠的數(shù)據(jù)。

[1]（美）Jeffrey Richter .Windows核心編程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[2]宋宇峰.LabWindows/CVI逐步深入與開發(fā)實例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[3]白鵬.虛擬儀器編程語言 LabWindows/CVI教程.北京: 電子工業(yè)出版社, 2001.