基于LXI的數(shù)據(jù)采集管理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉衛(wèi)東，杜霄峰

YE Wei-dong, DU Xiao-feng

（北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是多學(xué)科交叉、融合的產(chǎn)物，及時(shí)將相關(guān)學(xué)科的研究新成果應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集技術(shù)中，研究新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)與方法對(duì)于制造企業(yè)采用先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造自動(dòng)化、全面提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要意義。熟悉數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)的概念、功能和組成情況；利用軟件模塊化思想進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括軟件的分層設(shè)計(jì)，模塊劃分，模塊接口設(shè)計(jì)；對(duì)于底層協(xié)議及相關(guān)通訊與命令接口封裝成IVI驅(qū)動(dòng)，利用DLL接口實(shí)現(xiàn)調(diào)用。從而實(shí)現(xiàn)軟件上層與底層的隔離，便于日后的維護(hù)升級(jí)以及擴(kuò)展其他通訊方式。

系統(tǒng)分為客戶機(jī)端和服務(wù)器端，客戶機(jī)可通過以太網(wǎng)通訊方式對(duì)數(shù)據(jù)采集各通道參數(shù)進(jìn)行配置和通信，服務(wù)器便可按照配置好的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。同時(shí)客戶機(jī)可將服務(wù)器傳輸過來(lái)的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、濾波、時(shí)域頻域轉(zhuǎn)換等處理；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、文件等格式的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)的管理與訪問技術(shù)；通過表格、圖形、以及良好的用戶界面友好性，幫助用戶得以更快、更好、更便捷的查補(bǔ)系統(tǒng)問題。

用戶可以通過在PC機(jī)上安裝應(yīng)用程序，通過軟面板操作將設(shè)置的參數(shù)信息準(zhǔn)確的發(fā)送到儀器。并最終生成C/S模式的安裝程序提供給用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集管理工作。

1 軟件總體方案設(shè)計(jì)

C/S模式也稱C/S架構(gòu)，是軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的一種。用戶在PC機(jī)上操作應(yīng)用程序，通過IVI驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂脩舻恼?qǐng)求交給服務(wù)器端程序進(jìn)行處理，進(jìn)而控制硬件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器模塊的遠(yuǎn)程控。主要內(nèi)容是介紹LXI數(shù)據(jù)采集軟件的工作原理、C/S模式應(yīng)用軟件方案設(shè)計(jì)以及IVI驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)。

本課題中的LXI數(shù)據(jù)采集軟件體系總體結(jié)構(gòu)中包含了客戶端和服務(wù)端的多個(gè)程序，分別完成不同的功能，這些程序共同運(yùn)行和作用才能實(shí)現(xiàn)儀器所有的功能。軟硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 軟硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

C/S模式，不依賴外網(wǎng)環(huán)境，很多工作在提交給服務(wù)器端之前，會(huì)首先在客戶端進(jìn)行處理，使得客戶端計(jì)算機(jī)的處理能力得到充分發(fā)揮，很大程度上減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，提高了儀器工作效率。LXI數(shù)據(jù)采集軟件C/S模式客戶端的設(shè)計(jì)核心就是軟件設(shè)計(jì)，為了增強(qiáng)軟件系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，方便以后軟件的升級(jí)和維護(hù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。

數(shù)據(jù)處理模塊接收從各通道讀取回來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。實(shí)現(xiàn)基本功能有：數(shù)據(jù)工程單位的轉(zhuǎn)換；可根據(jù)項(xiàng)目需求，對(duì)一定階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以對(duì)從下位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)項(xiàng)目當(dāng)中的實(shí)際需要，可以提供相應(yīng)存儲(chǔ)形式的接口，如csv、txt、二進(jìn)制文件形式，或者.NET相對(duì)優(yōu)越的數(shù)據(jù)庫(kù)存取服務(wù)，直接將所需要的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，還可以直接導(dǎo)出下位機(jī)的原始數(shù)據(jù)，供二次開發(fā)使用。

通訊與命令接口模塊包括對(duì)上位機(jī)下位機(jī)通訊協(xié)議的解析，軟件多線程并發(fā)隊(duì)列的設(shè)計(jì)以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的編程通信等功能。

各功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 C/S模式軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 通訊與命令接口模塊設(shè)計(jì)

本節(jié)中主要介紹基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，多線程并發(fā)隊(duì)列設(shè)計(jì)。

2.1 TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸

TCP連接的建立分為三個(gè)階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和斷開連接，即我們通常所說的三次握手。

數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)基于套接字的面向連接的通信連接過程分為以下三個(gè)步驟：

1）建立連接

當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)求，下位機(jī)給出響應(yīng)，雙方即可通信。在上位機(jī)程序中，首要任務(wù)是創(chuàng)建一個(gè)本地套接字對(duì)象：然后連接到的目標(biāo)IP和端口號(hào)。

2）數(shù)據(jù)傳輸

此時(shí)上位機(jī)與下位機(jī)服務(wù)器嘗試連接；連接成功后，就可以接收服務(wù)器發(fā)送的消息了。

3）關(guān)閉連接

在通信完成之后，必須先使用Shutdown方法停止回話，然后關(guān)閉Socket實(shí)例。

圖3 TCP協(xié)議客戶端和服務(wù)器端工作流程圖

2.2 多線程并發(fā)隊(duì)列設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)底層通訊功能時(shí)，為使系統(tǒng)具有高效率實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示無(wú)延時(shí)，程序在設(shè)計(jì)時(shí)將數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理線程分割開來(lái)，使兩個(gè)線程分別執(zhí)行互不影響，相當(dāng)于設(shè)計(jì)模式中的生產(chǎn)者消費(fèi)者問題。這兩個(gè)線程的數(shù)據(jù)共享的公共存儲(chǔ)區(qū)就依靠這個(gè)隊(duì)列。而這樣的方法可能會(huì)引起隊(duì)列并發(fā)訪問。

對(duì)于一個(gè)隊(duì)列來(lái)說，它提供的兩個(gè)最主要的操作就是入隊(duì)和出隊(duì)操作。在多線程的程序當(dāng)中，多個(gè)線程同時(shí)會(huì)對(duì)一個(gè)隊(duì)列進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)操作。為了保證在入隊(duì)和出隊(duì)時(shí)操作著同一個(gè)隊(duì)列節(jié)點(diǎn)，多個(gè)線程并發(fā)進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)操作，這兩種情況下的操作是線程安全的。下面分別對(duì)Monitor方法，Mutex方法以及Semaphore方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

1）Monitor（lock）方法

Monitor 類通過向單個(gè)線程授予對(duì)象鎖來(lái)控制對(duì)對(duì)象的訪問。對(duì)象鎖提供限制訪問代碼塊（通常稱為臨界區(qū)）的能力。當(dāng)一個(gè)線程擁有對(duì)象的鎖時(shí)，其他任何線程都不能獲取該鎖。

首先進(jìn)行初始化操作，建立共享隊(duì)列，入隊(duì)操作和出隊(duì)操作線程。其次啟動(dòng)入隊(duì)線程和出隊(duì)線程，并為線程執(zhí)行函數(shù)涉及共享隊(duì)列部分加上Monitor.Enter()和Monitor.Exit()互斥鎖，直到入隊(duì)出隊(duì)全部完成，查看程序執(zhí)行時(shí)間。

Lock類為簡(jiǎn)化版的Monitor類，封裝了Monitor.Enter()和Monitor.Exit()函數(shù)，性能與Monitor方法一致。

2）Mutex方法

Mutex與Monitor類似，需要注意的是Mutex分兩種：一種是本地Mutex一種是系統(tǒng)級(jí)Mutex，系統(tǒng)級(jí)Mutex可以用來(lái)進(jìn)行跨進(jìn)程間的線程的同步。盡管Mutex比監(jiān)視器更為強(qiáng)大，但是相對(duì)于Monitor類，它所需要的互操作轉(zhuǎn)換更消耗計(jì)算資源。

Mutex與Monitor有一個(gè)很大的區(qū)別：Mutex可以用來(lái)同步屬于不同應(yīng)用程序或者進(jìn)程的線程，而Monitor沒有這個(gè)能力。與Monitor類實(shí)驗(yàn)方法類似，此處不再詳細(xì)說明。

3）Semaphore方法

信號(hào)量的特性如下：信號(hào)量是一個(gè)非負(fù)整數(shù)（表示可以利用的資源數(shù)，這里是指的是可用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中BLOCK的數(shù)量），所有通過它的線程（接收線程和存儲(chǔ)線程）都會(huì)將該整數(shù)減1（通過它當(dāng)然是為了使用資源），當(dāng)該整數(shù)值為零時(shí)，所有試圖通過它的線程都將處于等待狀態(tài)。在信號(hào)量上我們定義兩種操作：Unsignal 和 Signal（釋放）。 當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用Unsignal操作時(shí)，它要么通過然后將信號(hào)量減1(還有相應(yīng)的資源)，要么一直等下去(相應(yīng)的資源已經(jīng)沒有)，直到信號(hào)量大于1或超時(shí)。Signal實(shí)際上是在信號(hào)量上執(zhí)行加操作，相當(dāng)于提醒別的新的線程已經(jīng)可以使用被釋放的資源。

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)（隊(duì)列）

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

入隊(duì)信號(hào)量表示現(xiàn)在數(shù)據(jù)隊(duì)列中已經(jīng)存放滿數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊的數(shù)量，出隊(duì)信號(hào)量表示現(xiàn)在數(shù)據(jù)隊(duì)列中空數(shù)據(jù)塊的數(shù)量，初始化出隊(duì)信號(hào)量為0。入隊(duì)信號(hào)量初始化為n，初始化兩者最大允許的并發(fā)數(shù)為n。初始化當(dāng)前入隊(duì)和出隊(duì)線程正在處理的數(shù)據(jù)塊的編號(hào)為0。分別啟動(dòng)入隊(duì)線程和出隊(duì)線程。

當(dāng)入隊(duì)信號(hào)量計(jì)數(shù)器大于0時(shí)按照In_Index編號(hào)選定一個(gè)可用數(shù)據(jù)塊對(duì)象，直到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)內(nèi)容達(dá)到上限，將出隊(duì)信號(hào)量加1，同時(shí)入隊(duì)信號(hào)量減1，In_Index加1。若未達(dá)到上限，都不執(zhí)行，繼續(xù)填充數(shù)。當(dāng)入隊(duì)計(jì)數(shù)器等于0時(shí)入隊(duì)線程阻塞，In_Index達(dá)到數(shù)據(jù)塊最大時(shí)，返回0繼續(xù)重復(fù)之前過程。

當(dāng)入隊(duì)信號(hào)量計(jì)數(shù)器大于0時(shí)按照Out_Index編號(hào)選定一個(gè)可用數(shù)據(jù)塊對(duì)象，直到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)內(nèi)容全部取出，將出隊(duì)信號(hào)量加1，同時(shí)入隊(duì)信號(hào)量減1，Out_Index加1。若未達(dá)到上限，都不執(zhí)行，繼續(xù)填充數(shù)。當(dāng)出隊(duì)計(jì)數(shù)器等于0時(shí)出隊(duì)線程阻塞，Out_Index達(dá)到數(shù)據(jù)塊最大時(shí)，返回0繼續(xù)重復(fù)之前過程。

基于Semaphore（信號(hào)量）的方法流程圖如圖5所示。

圖5 Semaphore方法流程圖

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 三種并發(fā)隊(duì)列訪問方法效率對(duì)比

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出采用方法三中信號(hào)量的方式效率最高，故本軟件采用此方法，可以有效的提高隊(duì)列的出隊(duì)效率，為軟件圖形的實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)打下良好的基礎(chǔ)。

3 軟件界面設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件上方菜單選項(xiàng)有“設(shè)備”和“系統(tǒng)設(shè)置”。其中，“設(shè)備”選項(xiàng)下的內(nèi)容主要用于對(duì)設(shè)備的完全控制，而“系統(tǒng)設(shè)置”選項(xiàng)下的內(nèi)容主要用于實(shí)現(xiàn)軟件開機(jī)自啟動(dòng)、設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)連接配置；狀態(tài)欄實(shí)時(shí)顯示軟件工作狀態(tài)，以及當(dāng)前時(shí)刻接收和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量；功能區(qū)主要包括通道掃描表設(shè)置，采樣速率設(shè)置，采集方式設(shè)置。

3.2 軟件工作流程

1）新建設(shè)備

打開菜單中的新建設(shè)備選項(xiàng)，輸入設(shè)備ID及名稱，配置好需要連接的下位機(jī)采集器的IP及端口號(hào)。

2）通道配置

“通道配置”界面會(huì)以表單形式呈現(xiàn)給用戶，讓其進(jìn)行各采集通道獨(dú)立的參數(shù)配置。根據(jù)傳感器類型，分為兩頁(yè)，即“微應(yīng)變”和“電壓輸入”。對(duì)于同一個(gè)通道，每次僅有一個(gè)類型的配置頁(yè)生效，比如用戶在“微應(yīng)變”頁(yè)啟用并配置了通道1，那么在“電壓輸入”頁(yè)將自動(dòng)禁用通道1的配置，反之同理。如圖6所示。

圖6 采集軟件圖形實(shí)時(shí)顯示界面

3）采集配置

“采集配置”界面可以讓用戶進(jìn)行采集方式的配置。根據(jù)類別不同，主要分為“隨機(jī)采樣配置”、“定時(shí)采樣配置”、“觸發(fā)采樣配置”，并且以配置頁(yè)的形式呈現(xiàn)給用戶。

完成以上基本設(shè)置操作后，軟件可以開啟采集，實(shí)時(shí)波形顯示效果如圖7所示，界面中間區(qū)域就是實(shí)時(shí)曲線顯示區(qū)，可以觀察采集儀傳送上來(lái)的采集數(shù)據(jù)曲線。圖形顯示區(qū)的右側(cè)為當(dāng)前顯示的通道圖例，如果想要取消哪一個(gè)通道曲線的顯示，可以去掉相應(yīng)通道前的勾選。如果想要放大圖形顯示，在圖形顯示區(qū)想要放大的位置，可完成對(duì)該區(qū)域的顯示放大。

圖7 采集軟件圖形實(shí)時(shí)顯示界面

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證軟件是否正常工作，實(shí)驗(yàn)中開啟了十個(gè)通道的微應(yīng)變隨機(jī)采集，采樣速率設(shè)備120，每個(gè)通道每秒中產(chǎn)生120個(gè)數(shù)據(jù)包。每256個(gè)數(shù)據(jù)包合成一個(gè)文件存儲(chǔ)在相應(yīng)路徑下。相應(yīng)二進(jìn)制文件。

對(duì)于用戶不需要保存原始數(shù)據(jù)，只要求在數(shù)據(jù)庫(kù)中看到采集數(shù)據(jù)，我們可以通過ADO.NET的SqlBulkCopy方法可將內(nèi)存中大量數(shù)據(jù)快速上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性以及可靠性。數(shù)據(jù)庫(kù)中查看到的結(jié)果如圖8所示。

圖8 采集數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)

4 結(jié)論

本文在深入研究了LXI相關(guān)協(xié)議及用戶的需求后設(shè)計(jì)了基于LXI的C/S模式數(shù)據(jù)采集管理軟件以及IVI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與采集器的通信，對(duì)采集器進(jìn)行采集配置與命令控制，完成數(shù)據(jù)從采集到存儲(chǔ)為二進(jìn)制文件或數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)表中，并且可以實(shí)時(shí)波形顯示等功能，解決了多線程并發(fā)隊(duì)列的高效訪問問題，達(dá)到了預(yù)期目的，取得了良好效果。

[1] 于勁松,李行善.下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2005,13(1)∶1-3.

[2] LI Yue-qin，LI Jin-ping.Arbitrary Waveform Generator based on LabVIEW[A].IEEE[C].2009,103-06.

[3] LXI Consortium.LXI Standard Revision 1.4[Z].October, 2013 Edition.

[4] 田韜,張悠慧,汪東升.基于C/S架構(gòu)的可擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2008,29(7)∶1804-1807.

[5] 胡友民,杜潤(rùn)生,楊叔子.制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2002,24(3)∶23-27.

[6] Stevens W R,范建華,胥光輝,等.TCP/IP詳解卷1∶協(xié)議[J]. 2000.

[7] Michael M M, Scott M L. Simple, fast, and practical nonblocking and blocking concurrent queue algorithms[A].Proceedings of the fifteenth annual ACM symposium on Principles of distributed computing.ACM[C],1996∶267-275.