多線程技術在數據采集中的應用

吳曉鵬

【摘要】數據采集在工業系統中占據十分重要的位置，這是因為無論是控制系統還是計算機，都需要對外界采集的數據進行分析和處理。采集數據一般使用數據采集卡，相應的軟件系統可以分成兩個部分：驅動程序以及應用程序。傳統的數據采集采用的是單線程，但是實時性并不理想。本論文介紹了基于多線程和異步IO調用的數據采集系統，經驗證，數據的實時性和可靠性都得到了很大的提高。

【關鍵詞】多線程；采集

1.引言

數據采集在工業系統中占據十分重要的位置，這是因為無論是控制系統還是計算機，都需要對外界采集的數據進行分析和處理。采集數據一般使用數據采集卡，相應的軟件系統可以分成兩個部分：驅動程序以及應用程序。在數據采集卡誕生時，采集數據多采用的是單線程及同步I/O調用的方式。這種方式并不適用于大量快速的數據傳輸，因為軟件系統在調用了驅動函數之后，一直循環采樣數據直至其傳輸完成[1]。

多線程以及異步I/O調用很好地解決了以上的難題：多線程能夠保證數據的采集以及數據的處理在不同的線程進行，這樣就能夠使得軟件占用很小的系統資源，同時又具有很好的實時性；異步I/O調用技術可以使得應用程序只在調用時才使用驅動函數，這樣就避免了阻塞的情況。本論文主要介紹如何通過使用多線程技術和對于I/O的異步調用，提高數據采集的實時性和準確性。

2.數據采集卡技術的改進

2.1 驅動程序和采集卡的通信

windows系統中，數據采集卡的驅動程序一般是工作于內核模式，而用戶界面等是應用于用戶模式。在顯示數據和處理數據的過程中，程序需要調用API和驅動程序進行通信，進而實現底層的采集數據交互。數據傳輸有關的API有很多，本論文主要用到的是ReadFile（）函數。該函數同時支持對于IO端口的異步調用和同步調用[2]。

2.2 調用程序時同步和異步的區別

數據采集過程中，對于IO的調用有兩種方式：同步IO和異步IO調用。這兩種調用方式具有很多不同，最主要的區別在于異步IO不會因為發出了IO請求就阻塞進程，而是繼續執行其它進程，在本質上相當于是一個“中斷”。異步調用的系統資源占用之所以比同步調用低，就是因為其能夠使得內核處理IO時可以同時處理其它任務。這樣即使是大量數據的傳輸和對于大量數據的處理，都能夠取得很好的效果。函數CreatFile（）決定是否發起異步IO請求。

2.3 驅動程序WDM

所謂WDM，使得用戶能夠靈活地使用驅動程序開發應用程序。它具有跨平臺的應用特性，本論文的數據采集卡驅動通過調用WDM來開發。應用程序通過調用驅動程序，對于某些特定時間進行檢測，進而和應用程序進行數據交互。一般來說，WDM模式中有兩種數據交換方式：事件通知以及異步IO通知[3]。

2.3.1 事件通知

通過調用系統事件進程，WDM能夠和應用程序交互數據等。WDM可以接收應用程序所創建的事件，進而在特定時刻發送數據信息。

2.3.2 異步IO方式

在接收IO的請求后，驅動程序會檢測特定事件是否已經發生。

（1）沒有事件等待，應用程序則會調用系統函數來查看IO的數據采集等情況。

（2）事件發生并準備將數據與應用程序進行交互，那么驅動程序會通過WDM的調度例程進行驅動程序和應用程序的數據通信[4]。

3.多線程技術的應用

3.1 串行數據處理

傳統的數據采集方式是對數據進行串行處理，即數據點的獲取和保存處理等工作是串行實現的，這種方法雖然容易實現，但是缺點也是顯而易見的：效率低，實時性差。

3.2 多線程數據處理

眾所周知，windows系統是多任務的，即同一個進程可以包含許多線程。這樣就為應用程序的開發提供了無數種可能性，使得程序開發人員能夠靈活地開發應用程序。多線程對于提高系統的穩定性和實時性具有重要的作用。程序開發人員很容易調用系統的多線程接口函數進行開發[5]。

4.高速數據采集卡軟件設計

衡量數據采集卡的標準有兩個：數據采集速率以及數據傳輸速率。當然，數據的處理和分析能力也很重要[6]。本論文設計的數據采集系統的軟件是基于多線程和異步調用的方式，主要可以分為兩個子線程：數據處理和數據傳輸。

5.結束語

數據采集在工業系統中占據十分重要的位置，這是因為無論是控制系統還是計算機，都需要對外界采集的數據進行分析和處理。采集數據一般使用數據采集卡，相應的軟件系統可以分成兩個部分：驅動程序以及應用程序。傳統的數據采集采用的是單線程，但是實時性并不理想。本論文介紹了基于多線程和異步IO調用的數據采集系統，經驗證，數據的實時性和可靠性都得到了很大的提高。

參考文獻

[1]潘愛民，王國印.V isualC++技術內幕[M].北京：清華大學出版社（第4版），2001.

[2]史惠康.Visual C+ +5.0實用編程技術[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[3]邢瑞川，安世奇，疏學明.多線程技術在數據采集中的應用[J].包頭鋼鐵學院學報.2001，20（2）：157-160.

[4]李光春，黃建國，王志剛.多線程技術在數據采集中的應用[J].技術平臺，2009，7：85-87.

[5]李竹青，徐建南，王志剛，田書林.基于異步I/O與多線程技術的數據采集卡軟件設計[J].測控技術，2008（08）.

[6]普措才仁，孫旸.基于LabWindows/CVI多線程技術數據采集系統的構建[J].甘肅聯合大學學報（自然科學版），2007（05）.