基于Windows的改進(jìn)型數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

李苗

摘要：目前數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中存在采樣數(shù)據(jù)丟失、延時(shí)、效率低等問題，基于異步I/O調(diào)用、多線程、循環(huán)緩存技術(shù)，本文設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)型數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)軟件程序與數(shù)據(jù)采集卡之間實(shí)時(shí)、高速、無阻塞的數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；循環(huán)緩存機(jī)制；多線程技術(shù)；異步I/O調(diào)用

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2015）31-0005-02

The Improved Data Acquisition and Processing System Based on Windows

LI Miao

（School of Computer Science， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： Based on sampling data in the data acquisition and processing system is lost， delaying and low efficiency， this paper designed a new data acquisition and data process system based on several technologies of asynchronous I/O calls，multi-threading and circulation caching mechanism. It can realize real-time， high-speed and non-blocking data transmission between software programs and data acquisition card.

Key words： Data acquisition；circulation-caching mechanism； Multithreading technology； Asynchronous I/O calls

隨著測量精度要求的提升，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采樣的實(shí)效性、準(zhǔn)確性等要求越來越高，常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件采用數(shù)據(jù)采集卡，軟件由驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序組成。驅(qū)動(dòng)程序是硬件和軟件連接的橋梁，主要是實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用軟件是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集和處理應(yīng)用程序采用異步I/O調(diào)用，使程序與數(shù)據(jù)采集卡之間完成暢通的數(shù)據(jù)交互；不同應(yīng)用程序之間運(yùn)用多線程技術(shù)和循環(huán)緩存技術(shù)，改進(jìn)后的系統(tǒng)能夠提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)高速完整的數(shù)據(jù)集采集，具有開發(fā)周期短、可靠性高、成本低、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于Windows系統(tǒng)的改進(jìn)型數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集卡的軟件系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序通常采用同步I/O調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序和單線程，存在系統(tǒng)阻塞、延時(shí)問題。使用異步I/O調(diào)用可以解決系統(tǒng)阻塞問題，使用多線程技術(shù)配合循環(huán)緩存技術(shù)，不同線程完成不同功能，并對高速連續(xù)信號進(jìn)行采集、顯示、存儲(chǔ)，既可以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，又可以節(jié)約系統(tǒng)資源。

1.1 應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序之間的通信

跨平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序模型WDM中驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間通過異步I/O調(diào)用和事件通知的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過調(diào)用事件程序，WDM與應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在接收I/O請求后，驅(qū)動(dòng)程序檢測事件發(fā)生情況。分為兩種情況：事件發(fā)生并即將與應(yīng)用程序交互，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)通過WDM的調(diào)度例程完成驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)通信；如果沒有事件等待，應(yīng)用程序會(huì)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)來完成I/O的數(shù)據(jù)采集。

1.2 多線程和循環(huán)存儲(chǔ)技術(shù)概述

程序運(yùn)行的基本單元包括進(jìn)程和線程，系統(tǒng)利用該基本單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對應(yīng)用的并發(fā)性。一個(gè)程序至少有一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程。線程是進(jìn)程的一個(gè)實(shí)體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位。OS為每個(gè)線程分配一定的CPU時(shí)間，接下來為每一個(gè)線程以循環(huán)方式提供一定的時(shí)間片，保證幾個(gè)線程運(yùn)行一致。線程不擁有系統(tǒng)資源，只與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他的線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程通過創(chuàng)建和撤銷另一個(gè)線程，并與同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程之間并發(fā)執(zhí)行。從邏輯角度來看，多線程的意義在于一個(gè)應(yīng)用程序中，有多個(gè)執(zhí)行部分可以同時(shí)執(zhí)行，具有系統(tǒng)管理開銷小、線程間切換快、并行程度高、易于通信等優(yōu)勢。

Windows是一種多任務(wù)的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通常Windows系統(tǒng)中線程切換時(shí)間需要20ms，因此數(shù)據(jù)處理和顯示會(huì)對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集造成一定的時(shí)延，造成數(shù)據(jù)丟失。多線程可以更好的開發(fā)并行性和提高系統(tǒng)性能，是一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢，為減少系統(tǒng)工作過程中數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和顯示對高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生的時(shí)延作用，采用多線程技術(shù)可以有效地減少Windows等待時(shí)間，提高程序執(zhí)行效率。

本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及存儲(chǔ)放在多個(gè)線程中，這幾個(gè)While循環(huán)是并行運(yùn)行的，從而保證每個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集程序不受其他線程的影響；在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)中引用了循環(huán)緩存技術(shù)，保證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)采集線程將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)處理線程將內(nèi)存緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取處理，并加以分析和顯示。采集的數(shù)據(jù)積累到一定的量后，自動(dòng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并掛起。通過事件消息機(jī)制同步數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)線程，以全局?jǐn)?shù)據(jù)對象的方式完成資源共享、最終達(dá)到高速、連續(xù)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和處理。

2 改進(jìn)型的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

所有線程可以訪問內(nèi)存堆棧、串口、文件等各種系統(tǒng)資源，基于Windows操作系統(tǒng)的事件對象可以使程序管理同一個(gè)或不同進(jìn)程中的線程之間所共享的數(shù)據(jù)與資源訪問。在線程訪問資源之前，需要等待該資源對應(yīng)的事件的發(fā)生。通過函數(shù)庫中的CreateEvent（） 函數(shù)建立事件對象，這樣就可以直接控制事件對象的狀態(tài)。創(chuàng)建SetEvent（）函數(shù)可以將事件狀態(tài)由未知改為已通知狀態(tài)；創(chuàng)建和調(diào)用ResetEvent（） 函數(shù)，可以將該事件重置為未通知狀態(tài)。Win32 API提供了一組能使線程阻塞其自身執(zhí)行的等待函數(shù)（如WaitForSingleObject（）），在函數(shù)未返回時(shí)，線程將處于等待狀態(tài)，此時(shí)線程只消耗很少的CPU時(shí)間。通過調(diào)用等待函數(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)線程同步，而且可以提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，具體的系統(tǒng)程序運(yùn)行情況圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集主程序框圖

通過循環(huán)存儲(chǔ)方式，合理分配存儲(chǔ)空間，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每次只占據(jù)緩存區(qū)的一部分，當(dāng)達(dá)到緩存區(qū)底部時(shí)，轉(zhuǎn)向緩存區(qū)頂部再次填充同一緩存區(qū)，并依次讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集數(shù)據(jù)。在存儲(chǔ)過程中，合理分配存儲(chǔ)空間的大小和存儲(chǔ)速率，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序從緩沖區(qū)的特定位置讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)新采集的數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)的另一位置，這樣可以保證一個(gè)線程能夠正常讀取數(shù)據(jù)，另一線程又可以完成數(shù)據(jù)更新，保證讀取的數(shù)據(jù)不會(huì)被更新的數(shù)據(jù)覆蓋，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)亂，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理的并行性。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1） 高速數(shù)據(jù)采集卡與應(yīng)用程序之間，通過異步I/O調(diào)用的方式可以有效地解決采集系統(tǒng)阻塞問題；（2） 多線程和循環(huán)緩存技術(shù)的運(yùn)用，可以節(jié)約系統(tǒng)資源，提高了采集與處理的效率。

若數(shù)據(jù)采集卡每次采樣后，連續(xù)傳輸10KB的數(shù)據(jù)，其傳輸時(shí)間約為130μs，數(shù)據(jù)處理時(shí)間約為160μs。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，工作流程是先讀數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而改進(jìn)后的數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，使用異步I/O調(diào)用、多線程、循環(huán)緩存技術(shù)，第二次數(shù)據(jù)處理與第一次數(shù)據(jù)處理是并行同步進(jìn)行的，執(zhí)行效率可以大幅度提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)后的數(shù)據(jù)處理性能得到大幅度提升，隨著數(shù)據(jù)量的增加，數(shù)據(jù)執(zhí)行效率較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)得到大幅度提升。

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