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实时高速数据采集与存储系统的一种实现方法

供稿:工控网 2007/5/29 9:19:00

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随着信息科学的飞速发展,数据采集和存储技术已经是数字信号处理中非常重要的环节,将决定整个系统的性能。它广泛应用于雷达,通信,遥测遥感等领域。它己经成为人们获得外界信息的重要手段。基于总线的数据采集与存储系统,由于可靠且易于实现、经济等优点,得到了广泛的应用。但当数据传输率很高时,保持高速数据存储过程的可靠性、实时性将会成为一个比较棘手的问题。 1、引言 为此一些厂商提供了双总线技术、64位/66MHzPCI总线系统来解决这问题。但这些技术较为昂贵,且忽略了现有的硬件设备。经过实验与探索,我们选用ADLINK公司的PCI-7300A_RevB超高速数字I/O卡,利用现有的单(32位/33MHz)PCI总线的计算机系统构成低成本的硬件平台,并利用自己开发的软件系统,最终实现了高速(45Mbytes/sec)持续的数据采集于存储。 2、硬件组成及注意事项 为了利用现有的硬件设备,降低成本;我们采用ADLINK公司出品的PCI-7300A_RevB超高速数字I/O卡作为数据采集部分。该卡的主要特性如下: ·32位数字I/O通道 ·32位PCI总线 ·通过触发信号控制数据采集操作的开始。 ·100针SCSI型连接器 ·分散/聚拢方式的DMA ·最高传输速率80Mbytes/sec 要实现实时高速的数据存储,使用的一般的硬盘是不行的。所以我们选用希捷公司出品的型号为ST3146707LC的SCSI硬盘,该硬盘的容量是146GB,能满足记录大量数据的需要,其转速为10Krpm。相应的SCSI硬盘控制器,选用Adaptec公司出品的型号为Adaptec19160的Ultra160-SCSI硬盘控制器。 在搭建硬件平台的过程中有些问题是必须注意的,否则系统不能正常工作。首先,PCI-7300A_RevB卡虽然采用分散/聚拢方式的DMA,但它对CPU资源的占用率是非常高的。经过实验证明,要保证整个数据采集与存储系统正常工作,只能使用奔四1.7G以上的计算机系统。其次,Windows系统允许多个设备共享一个中断请求号(IRQ)。为了保证存储过程的实时性,必须确保SCSI硬盘控制器和PCI-7300A_RevB卡使用不同的IRQ。可以在主板BIOS里把Pnp(即插即用) /PCI设备的IRQ进行手动配置。最后Windows 2000 Service Pack 2 (SP2) 及早期版本不支持大于137GB容量的硬盘。须要先安装Service Pack 3,再在注册表(HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Atapi\Parameters)里添加一个REG_DWORD类型的参数EnableBigLba,并把值设成0x1。这样146GB的硬盘才能工作正常。 3、软件设计 软件设计直接决定硬件是否能正常工作,以及能否充分发挥硬件的性能。 3.1 PCIS-DASK及双缓冲区模式的工作原理 PCIS-DASK是ADLINK公司为自己的产品提供的驱动程序包,提供了专门用于实现高速数据采集的连续多缓冲区操作的一组API函数。通过这组API函数,我们可以按照双缓冲区的原理,非常方便地实现对数据的实时、高速、连续的采集与存储。 双缓冲区模式,在工程上称为“乒乓” 缓冲区模式。跟常用的单缓冲区模式相比双缓冲区模式的优点是,它可以使用较小容量的内存,不间断地缓冲几乎无限量的数据(输入与输出端需协同工作)。这种缓冲区模式的工作原理是:在内存里开辟两块容量相等的缓冲区(以下将分别它们称为第一缓冲区和第二缓冲区)作为连续数据输入的缓冲区。工作开始时,数据采集卡首先将数据写入第一缓冲区中,在数据采集卡开始把数据写入第二缓冲区的同时,用户程序可以根据自身需要取出第一缓冲区中的数据做特定的处理。当第二缓冲区被写满后,数据采集卡回到第一缓冲区的起始处,以覆盖旧数据的方式,把新数据写入第一缓冲区中;与此同时用户程序取出第二缓冲区中的数据。整个数据采集处理过程可以如此不断地循环进行下去。 3.2 板卡驱动设置及注意的问题 对板卡驱动的深刻理解是编写好数据采集于存储程序的前提。在连续数据输入模式下,板卡驱动程序需要在系统内存里开辟一块缓冲区做为二级缓存,用户可以设置该缓冲区的大小 。方法是:从菜单开始/程序/PCI-DASK/NuDAQ PCI configuration Utility 打开DASK2000 Device Driver Configuration对话框,从Card Type组合框中选择Pci7300A_RevB项,在DI栏输入你想要开辟的缓冲区容量,点击OK按钮完成设置。需要注意的是板卡驱动设置的缓冲区(简称驱动缓冲区)容量与用户程序开辟的缓冲区(用户缓冲区)容量存在着一定关系。经过我们多次实验,得出驱动缓冲区容量大约是用户缓冲区的3倍;因此,当驱动缓冲区过小,而用户缓冲区较大时,会出现错误。
3.3 VisualC++开发环境的设置 为了使用PCIS-DASK提供的实现连续多缓冲区操作的API函数,以及初始化板卡、设置板卡工作方式的API函数;需要VisualC++连接PCI-DASK提供的动态连接库(Pci-dask.lib).具体方法是:打开工程,从菜单Project/Setting…打开Project Setting对话框,切换到Link选项卡,在Object/library modules拦中添加Pci-dask.lib,点击OK按钮完成设置。最后在工程中加入头文件Dask.h.。 3.4 多线程的实时数据存储软件设计 在要求高速、实时和连续采集和存储的情况下,一方面要求系统不间断地进行数据采集,同时还要进行数据实时地存储,否则将会丢失数据,造成数据不完整。为了解决这个问题,我们在软件实现中,引入了Windows的多任务处理技术(multitasking)。在程序里创建两个工作线程分别完成数据采集和数据存储工作。缓冲方式采用上面所说双缓冲区模式,当数据采集线程(SampleThreadProc)把采集到的数据写入第一缓冲区时,数据存储线程(StorageThreadProc)把第二缓冲区的数据存入SCSI硬盘;当数据采集线程把数据写入第二缓冲区时,数据存储线程把第一缓冲区的数据存入SCSI硬盘;如此循环。另外通过实际实验测试Adaptec19160 Ultra160-SCSI硬盘控制器,配合希捷公司出品的ST3146707LC SCSI硬盘,持续写入速率能达到80Mbytes/sec。远大于45 Mbytes/sec的采集速率。所以当数据采集线程写满其中一个缓冲区之前,数据存储线程已经把
另一个缓冲区里的数据存储入SCSI硬盘。所以这种方法能保证数据的实时性、完整性和连续性。其程序流程图如图1。



3.5 软件实现 由于篇幅所限,下面仅给出程序中核心的代码。 BOOLEAN BufferID=0;//缓冲区的ID;1第一缓冲区,0:第二缓冲区。 BOOLEAN Stop=0;//停止数据采集与存储,1:停止,0:继续。 U32 Buffer1 [data_size], Buffer2 [data_size]; //开辟块缓冲区。 FILE *fp;//存储数据的目录。 UINT SampleThreadProc (LPVOID pParam) {BOOLEAN HalfReady=0;//缓冲被写满标志 do {HalfReady=0; do(DI_AsyncMultiBufferNextReady (card,&HalfReady,&viewidx))://等待驱动程序报告缓
//有冲区被写满。 }while(!HalfReady);//如果HalfReady!=0, //明有缓冲区被写满。 BufferID = ! BufferID; AfxBeginThread(StorageThreadProc,NULL); //启动数据存储线程
信息来源于:汽车电子网

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