試驗場綜合數據采集系統的設計

(1.公安部第一研究所，北京 100048； 2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041；3.北京市高速交通工具智能診斷與健康管理重點實驗室，北京 100041；4.軌道交通裝備全壽命周期狀態監測與智能管理技術與應用北京市工程實驗室，北京 100041)

0 引言

試驗是復雜裝備研制過程中的重要環節，試驗時產生的數據對復雜裝備的驗證、后續型號的設計研發有重要的意義[1]。為滿足某裝備領域試驗場的數據采集需求，本文設計了一套試驗場綜合數據采集系統。該系統可以滿足外場試驗過程中，參試復雜裝備的試驗數據的采集、存儲及傳輸的需求。

試驗場在對復雜裝備進行數據采集時，涉及到的總線種類繁多，各總線在數據協議及數據傳輸格式上很大差異。試驗場往往采用針對單一復雜裝備的專用的測試系統，針對被測對象的特點，開發數據采集及數據分析處理為一體的試驗測試系統。這導致了試驗場在升級改造過程中出現重復建設的問題。同時，種類繁多的測試系統也給操作人員帶來了負擔，在試驗前測試人員需要完成多個測試系統的調試及連接準備工作，增加了非試驗環節的工作量，無形中導致了試驗資源的巨大浪費。因此，將試驗過程中的數據采集與數據分析分開，建設綜合數據采集系統，只進行數據采集工作，減少各類試驗系統在數據采集過程上的重復建設[2-3]。

試驗場中的參試設備型號眾多，可能涉及到多種總線，本系統可采集的數據包括429總線數據、1553B總線數據、FC總線數據、AFDX總線數據、CAN總線數據、串口數據，以及光學設備捕獲的模擬視頻數據、數字視頻數據[4]。系統具有較高的通用性，可滿足多種復雜裝備的數據采集需求，減少數據采集系統的重復建設；同時該通用系統操作簡捷易于使用，減輕試驗人員操作負擔，提高試驗效率。

本文首先闡述了試驗場綜合數據采集系統的工作原理及整體結構，然后重點敘述了系統軟件的設計和實現方法。

1 系統整體設計

試驗場綜合數據采集系統由多臺移動式數據采集設備和監控計算機組成[5]。試驗場劃分為多個采集區，采集區內被測裝備的數據由移動式數據采集設備完成采集。每個采集區中心設置一個控制機房，在采集區分布多個采集結點，以標準RJ45網線將采集區各個結點接入控制機房，而移動式采集設備通過標準RJ45網口與各個采集結點相連，使移動式數據采集設備與控制機房內的監控計算機建立起數據傳輸通路。

移動式數據采集設備部署數據綜合采集系統軟件，通過采集設備上的總線板卡、視頻采集卡獲取數據，實現總線數據與視頻數據的采集、存儲與網絡發送。

控制機房內的監控計算機部署采集監控軟件，可根據試驗需求，通過網絡從移動數據采集設備獲取相關試驗數據，監控試驗過程的進行。

系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 試驗場綜合數據采集系統拓撲圖

其中，移動式數據采集設備為工控機，工控機內部主板的PCI接口上，可安裝429總線板卡、1553B總線板卡、FC總線板卡、AFDX總線板卡、CAN總線板卡、422串口板卡。模擬視頻采集卡、數字視頻采集卡通過PCI-E接口安裝在移動式數據采集設備的主板上。

2 系統軟件設計

2.1 軟件整體結構

試驗場綜合數據采集系統包括了數據采集軟件和采集監控軟件，其中數據采集軟件安裝在移動式數據采集設備上，而采集監控軟件安裝在控制機房的監控計算機上，兩個軟件通過以太網進行通信。軟件的功能組成如圖2所示。

圖2 試驗場綜合數據采集系統拓撲圖

2.2 主要功能模塊

數據采集軟件的主要模塊有儀器管理模塊、任務管理模塊、采集控制模、總線數據采集模塊、數據存儲模塊、視頻數據采集模塊、系統管理模塊。

儀器管理模塊包括儀器自動檢測子模塊和儀器配置子模塊。數據采集軟件部署在多臺移動式數據采集設備上，采集設備可根據需要安裝不同的數據采集儀器，儀器自動檢測子模塊可以對采集設備上的已安裝硬件進行掃描，自動檢測目標儀器是否已安裝到位，軟件只對已安裝的儀器進行設置。儀器配置子模塊實現對已安裝的總線板卡、視頻采集卡進行配置，配置好的數據保存在配置文件中。通常情況下，用戶只需在首次使用該采集設備上的儀器進行配置，后續試驗時，軟件可通加載配置文件自動完成相關配置。

任務管理模塊包括任務基本信息管理和任務儀器配置兩個子模塊。用戶可以通過該模塊實現對任務基本信息的管理，包括任務名稱、任務時間、試驗人員等方面的信息。選擇該次任務所需的儀器，設備中已安裝而未選用的儀器將不會在采集過程中啟動，避免與該次任務無關的儀器占用系統資源。

采集控制模塊實現了采集過程的控制，用戶通過該模塊啟動、關閉設備采集功能，控制數據存儲時機，選擇存儲方式。該模塊負責主程序界面的繪制、網絡通信接口的建立，在軟件運行過程中，根據用戶設定的通道及總線數據格式采集數據。同時該模塊負責接收并執行網絡指令。

總線數據采集模塊是數據采集軟件的核心模塊，該模塊通過總線儀器的程序接口實現了設備上總線儀器的操作，包括儀器初始化、儀器配置、儀器數據采集、儀器關閉等操作。該模塊包括429總線數據采集子模塊、1553B總線數據采集子模塊、FC總線數據采集子模塊、CAN總線數據采集子模塊、AFDX總線數據采集子模塊、422串口數據采集子模塊以及時統控制子模塊[6-9]。該模塊可以獲取到總線數據，以及當前數據的時標，此模塊獲取的數據均保存在內存中。

數據存儲模塊將內存中帶有時標的總線數據持久化地存儲，根據需要可以直接將數據存儲到本地數據庫中，也可以將一次試驗任務的數據保存到數據文件中，便于數據的后續處理。

視頻數據采集模塊實現對模擬視頻和數字視頻的采集、保存、顯示、圖像壓縮和網絡發送，包括視頻數據獲取、視頻顯示、視頻數據壓縮、視頻數據發送、視頻文件存儲5個子模塊。該模塊通過模擬視頻采集卡、數字視頻采集卡獲取視頻數據，并將視頻實時顯示在軟件界面中。在獲取數據的同時會開啟新的線程將當前一幀圖像數據進行壓縮，通過網絡發送到采集監控軟件。采集到的視頻數據會保存在移動式數據采集設備的硬盤里，用于后續的試驗分析，采集模塊功能結構如圖3所示。

圖3 總線數據采集模塊功能結構

系統管理模塊包括用戶管理、網絡管理、日志管理和數據管理等子模塊。用戶管理實現對軟件使用者的管理，通過對用戶名與密碼的校驗，保證只有合法用戶才能使用軟件。網絡管理實現對采集軟件與監控軟件之間網絡通信的配置。數據管理實現對總線數據文件、視頻文件存儲位置等參數的配置，監測硬盤空間的大小，根據用戶要求清理指定日期范圍內的總線數據和視頻文件。

采集監控軟件的主要模塊有視頻監控模塊、遠程控制模塊、系統管理模塊，如圖4所示。

圖4 產品視頻采集模塊功能結構

視頻監控模塊包括視頻數據解壓子模塊、視頻顯示子模塊、視頻文件獲取子模塊。數據采集軟件所采集到的視頻數據，需經過有損壓縮后再發送到采集監控軟件，以保證視頻在控制機房監控計算機上實時顯示，采集任務結束后，再將完整的視頻文件傳輸到控制機房PC機上。視頻數據解壓子模塊，與數據采集軟件建立網絡連接，獲取壓縮后的視頻數據，對該數據進行解壓縮操作，獲得圖像數據。視頻顯示子模塊負責將連續的單幀圖像數據繪制在界面上的圖像顯示控件中，實現視頻顯示功能。在一次采集任務結束時，視頻文件獲取子模塊負責建立視頻文件傳輸連接，通過FTP協議獲取本次采集任務產生的視頻文件，并將視頻文件傳輸到本機硬盤中。

遠程控制模塊包括指令發送子模塊、控制狀態顯示子模塊。操作人員可以通過采集監控軟件對移動式采集設備上的數據采集軟件進行遠程控制，開啟或停止數據采集軟件的視頻數據發送功能。

與數據采集軟件類似，采集監控軟件的系統管理模塊包括用戶管理、網絡管理、日志管理和數據管理等子模塊，實現對軟件使用者的管理，網絡通信的配置以及對總線數據文件、視頻文件存儲的管理。

2.3 系統軟件工作過程

在采集開始前，首先是對軟件進行各項配置。然后管理各個采集板卡進行采集。采集的過程中相關的數據可以保存到數據庫中，也可以以數據文件的形式保存到硬盤上。

軟件的基本工作流程如圖5所示。

圖5 試驗場綜合數據采集系統的工作流程圖

數據采集軟件在開始運行時完成各種參數和配置文件的加載，以保證軟件能夠正常運行。

數據采集軟件的空閑狀態下等待用戶的命令。在這種狀態下，所有的數據均為靜態數據，用戶必須完成被試裝備和移動式數據采集設備間的物理連接、加電和狀態自檢。在所有相關操作完成后，軟件進入試驗數據采集前的就緒狀態。

數據采集啟動后，數據采集軟件實現總線數據與視頻數據的采集、存儲、顯示，在接收到采集監控軟件發送的網絡指令后，通過網絡將視頻數據發往采集監控軟件。

采集過程中，如果執行存儲數據操作，總線數據將保存到數據庫或者數據文件中，視頻文件保存在硬盤上，方便事后進行系統分析。采集監控軟件通過網絡接收到數據采集軟件的數據后實時顯示視頻數據，試驗結束時，將本次試驗采集到的視頻文件通過FTP協議完整地下載到監控計算機上。

采集結束后，軟件執行文件關閉、網絡斷開、設備句柄關閉等檢查工作。如果某些狀態異常，則給用戶信息提示并記錄到日志中。

3 關鍵技術

3.1 視頻傳輸

試驗場目標視頻是指揮決策的重要判斷依據[10-11]。為保證試驗監控效果，數據采集軟件與采集監控軟件的視頻圖像需要同步顯示。由于數據采集軟件安裝在移動式數據采集設備上，而采集監控軟件安裝在控制機房的監控計算機上，兩個軟件通過以太網進行通信，所以數據采集軟件獲取到的視頻圖像需要通過網絡實時傳送到控制機房的控制計算機上。

因此在數據采集軟件的視頻采集線程中執行數據的發送任務，每次采集到一幀數據即進行處理、發送。在網絡發送前對視頻數據進行壓縮處理，8路視頻同時采集時，壓縮傳輸后所需帶寬低于50 MB/s，避免視頻數據量過大導致網絡擁堵問題。

視頻數據幀的壓縮及解壓需要消耗時間的太大，如果采用無損壓縮算法，由于花費時間過長，將導致視頻顯示卡頓。為保證視頻采集、及播放的流暢性，綜合視頻畫面質量、壓縮率、執行效率等方面的考慮，采用JPEG有損壓縮算法對單幀數據進行壓縮，解壓后的圖像失真較小，而且使每幀視頻處理時間低于26 ms，滿足畫面的顯示間隔不超過40 ms的要求。當采集任務結束時，通過FTP協議將完整的視頻文件再傳輸到監控計算機的硬盤上。

3.2 遠程控制指令

以XML格式的配置文件實現指令格式的配置。數據采集軟件在接收到指令后，首先進行幀頭、幀尾及長度檢查，然后計算校驗和，與指令配置文件中的格式進行比對，如果不符合通信協議規定格式，則對該條指令不進行處理，同時將該指令記錄到錯誤日志中。

3.3 多線程管理

主要的線程包括界面主線程、網絡指令處理線程、總線數據采集線程、模擬視頻采集線程、數字視頻采集線程，主線程只負責界面工作，避免軟件運行過程中出現用戶操作無法響應的問題。

3.4 儀器自動檢測

試驗場中有多臺移動式數據采集設備，每臺設備可根據試驗采集對象的不同安裝所需板卡。針對這種情況，數據采集軟件設計有儀器自動檢測功能，通過掃描操作系統的硬件列表，獲取到設備中已安裝的儀器，針對已安裝的儀器進行后續操作。該設計減少了用戶配置儀器的工作量，也避免了用戶對未安裝的儀器進行操作而導致的錯誤。

3.5 擴展性設計

系統中所用到的總線板卡儀器出自不同的生產廠商，其提供的API接口也各不相同，為提高系統可擴展性和軟件的易維護性，便于擴展不同廠商的板卡，將總線板卡操作過程抽象出共同的操作步驟，包括板卡初始化， 板卡配置，板卡啟動，開始采集數據，結束采集數據，據此設計出總線儀器通用接口類，將板卡API進一步地封裝，當添加新的儀器時，可以減少軟件主體代碼的改動。

4 系統實現

本文提出的系統設計方法已經用于某實驗過程中目標區視頻圖像和數字信息的高精度實時采集，并完成實驗全景的錄像。系統的目標是：滿足實現外場試驗過程中，參試復雜裝備的實驗數據的采集與上傳的需求。實驗數據包括多種總線數據(422串口、429總線、1553B總線、FC總線、AFDX總線、CAN總線)、模擬視頻數據、數字視頻數據等幾類。采集端系統配置界面和任務配置界面分別如圖6和圖7所示。

圖6 采集端系統配置界面

圖7 任務配置界面

數據綜合采集系統軟件包含兩個軟件：數據采集軟件和數據瀏覽軟件，相關聯的軟件為指控中心軟件。本系統軟件部署在移動采集設備以及控制機房PC機，分別部署有試驗數據庫。

數據綜合采集系統軟件根據采集區的硬件配置不同，采集所有相關的總線和視頻數據，保存到移動數據庫中，同時通過網絡發布給指控中心。試驗過程中，數據瀏覽軟件通過網絡實時獲取總線和視頻數據，實時顯示視頻數據，并將其存入本地數據庫中。

在實際試驗過程中，該系統可以高效地完成多種總線數據及視頻數據的采集任務。針對某航空光電設備的數據采集，單臺采集設備即可滿足被測對象3種數據的采集需求，減少試驗儀器的數量，將試驗前后試驗環境的準備時間縮短了一半，提高了試驗效率。采集端視頻顯示界面如圖8所示。

圖8 采集端視頻顯示界面

5 結論

本文設計的試驗場綜合數據采集系統由移動式數據采集設備、監控計算機組成，適用于多種航空總線數據及視頻數據的采集。數據采集軟件運行在移動式數據采集設備上，控制采集設備上的總線板卡與視頻采集卡，實現總線數據與視頻數據的采集、存儲與網絡發送。采集監控軟件運行在控制機房的監控計算機上，通過網絡獲取采集設備所采集到的視頻數據，并實時顯示，便于機房內的試驗人員對試驗過程進行監控。該系統的設計思路是將試驗過程中的數據采集與數據分析分開，只進行數據采集工作，獲取到的試驗數據可以提供給不同的試驗數據處理與分析系統，減少各類試驗系統在數據采集過程上的重復開發。