多線程技術(shù)在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

吳曉鵬

【摘要】數(shù)據(jù)采集在工業(yè)系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的位置，這是因?yàn)闊o論是控制系統(tǒng)還是計(jì)算機(jī)，都需要對(duì)外界采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。采集數(shù)據(jù)一般使用數(shù)據(jù)采集卡，相應(yīng)的軟件系統(tǒng)可以分成兩個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用的是單線程，但是實(shí)時(shí)性并不理想。本論文介紹了基于多線程和異步IO調(diào)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性都得到了很大的提高。

【關(guān)鍵詞】多線程；采集

1.引言

數(shù)據(jù)采集在工業(yè)系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的位置，這是因?yàn)闊o論是控制系統(tǒng)還是計(jì)算機(jī)，都需要對(duì)外界采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。采集數(shù)據(jù)一般使用數(shù)據(jù)采集卡，相應(yīng)的軟件系統(tǒng)可以分成兩個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序。在數(shù)據(jù)采集卡誕生時(shí)，采集數(shù)據(jù)多采用的是單線程及同步I/O調(diào)用的方式。這種方式并不適用于大量快速的數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)檐浖到y(tǒng)在調(diào)用了驅(qū)動(dòng)函數(shù)之后，一直循環(huán)采樣數(shù)據(jù)直至其傳輸完成[1]。

多線程以及異步I/O調(diào)用很好地解決了以上的難題：多線程能夠保證數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的處理在不同的線程進(jìn)行，這樣就能夠使得軟件占用很小的系統(tǒng)資源，同時(shí)又具有很好的實(shí)時(shí)性；異步I/O調(diào)用技術(shù)可以使得應(yīng)用程序只在調(diào)用時(shí)才使用驅(qū)動(dòng)函數(shù)，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(shù)和對(duì)于I/O的異步調(diào)用，提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2.數(shù)據(jù)采集卡技術(shù)的改進(jìn)

2.1 驅(qū)動(dòng)程序和采集卡的通信

windows系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序一般是工作于內(nèi)核模式，而用戶界面等是應(yīng)用于用戶模式。在顯示數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的過程中，程序需要調(diào)用API和驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底層的采集數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的API有很多，本論文主要用到的是ReadFile（）函數(shù)。該函數(shù)同時(shí)支持對(duì)于IO端口的異步調(diào)用和同步調(diào)用[2]。

2.2 調(diào)用程序時(shí)同步和異步的區(qū)別

數(shù)據(jù)采集過程中，對(duì)于IO的調(diào)用有兩種方式：同步IO和異步IO調(diào)用。這兩種調(diào)用方式具有很多不同，最主要的區(qū)別在于異步IO不會(huì)因?yàn)榘l(fā)出了IO請(qǐng)求就阻塞進(jìn)程，而是繼續(xù)執(zhí)行其它進(jìn)程，在本質(zhì)上相當(dāng)于是一個(gè)“中斷”。異步調(diào)用的系統(tǒng)資源占用之所以比同步調(diào)用低，就是因?yàn)槠淠軌蚴沟脙?nèi)核處理IO時(shí)可以同時(shí)處理其它任務(wù)。這樣即使是大量數(shù)據(jù)的傳輸和對(duì)于大量數(shù)據(jù)的處理，都能夠取得很好的效果。函數(shù)CreatFile（）決定是否發(fā)起異步IO請(qǐng)求。

2.3 驅(qū)動(dòng)程序WDM

所謂WDM，使得用戶能夠靈活地使用驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)應(yīng)用程序。它具有跨平臺(tái)的應(yīng)用特性，本論文的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)通過調(diào)用WDM來開發(fā)。應(yīng)用程序通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)于某些特定時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而和應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一般來說，WDM模式中有兩種數(shù)據(jù)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(diào)用系統(tǒng)事件進(jìn)程，WDM能夠和應(yīng)用程序交互數(shù)據(jù)等。WDM可以接收應(yīng)用程序所創(chuàng)建的事件，進(jìn)而在特定時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

2.3.2 異步IO方式

在接收IO的請(qǐng)求后，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)檢測(cè)特定事件是否已經(jīng)發(fā)生。

（1）沒有事件等待，應(yīng)用程序則會(huì)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)來查看IO的數(shù)據(jù)采集等情況。

（2）事件發(fā)生并準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序進(jìn)行交互，那么驅(qū)動(dòng)程序會(huì)通過WDM的調(diào)度例程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通信[4]。

3.多線程技術(shù)的應(yīng)用

3.1 串行數(shù)據(jù)處理

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串行處理，即數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取和保存處理等工作是串行實(shí)現(xiàn)的，這種方法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但是缺點(diǎn)也是顯而易見的：效率低，實(shí)時(shí)性差。

3.2 多線程數(shù)據(jù)處理

眾所周知，windows系統(tǒng)是多任務(wù)的，即同一個(gè)進(jìn)程可以包含許多線程。這樣就為應(yīng)用程序的開發(fā)提供了無數(shù)種可能性，使得程序開發(fā)人員能夠靈活地開發(fā)應(yīng)用程序。多線程對(duì)于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性具有重要的作用。程序開發(fā)人員很容易調(diào)用系統(tǒng)的多線程接口函數(shù)進(jìn)行開發(fā)[5]。

4.高速數(shù)據(jù)采集卡軟件設(shè)計(jì)

衡量數(shù)據(jù)采集卡的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：數(shù)據(jù)采集速率以及數(shù)據(jù)傳輸速率。當(dāng)然，數(shù)據(jù)的處理和分析能力也很重要[6]。本論文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件是基于多線程和異步調(diào)用的方式，主要可以分為兩個(gè)子線程：數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。

5.結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集在工業(yè)系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的位置，這是因?yàn)闊o論是控制系統(tǒng)還是計(jì)算機(jī)，都需要對(duì)外界采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。采集數(shù)據(jù)一般使用數(shù)據(jù)采集卡，相應(yīng)的軟件系統(tǒng)可以分成兩個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用的是單線程，但是實(shí)時(shí)性并不理想。本論文介紹了基于多線程和異步IO調(diào)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性都得到了很大的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]潘愛民，王國(guó)印.V isualC++技術(shù)內(nèi)幕[M].北京：清華大學(xué)出版社（第4版），2001.

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[3]邢瑞川，安世奇，疏學(xué)明.多線程技術(shù)在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào).2001，20（2）：157-160.

[4]李光春，黃建國(guó)，王志剛.多線程技術(shù)在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].技術(shù)平臺(tái)，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(shù)的數(shù)據(jù)采集卡軟件設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2008（08）.

[6]普措才仁，孫旸.基于LabWindows/CVI多線程技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（05）.