兩級隊列調(diào)度通信模型設(shè)計及應(yīng)用

胡浩民 張 菁

(上海工程技術(shù)大學電子電氣工程學院，上海 201620)

0 引言

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池(光電陣列)和蓄電池組成了系統(tǒng)的電源單元[1]。對光伏電池和蓄電池的各種參數(shù)(如電壓、電流、溫度等)進行實時采集與檢測，不僅有利于篩選性能優(yōu)良的電池，而且對系統(tǒng)的維護也非常重要。目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已向著并行、高速、大量存儲、實時分析處理、集成化等方向發(fā)展[2]。對于批量電池的實時檢測，如果采用輪詢方式采集數(shù)據(jù)，很難保證采樣周期的一致性。因此，構(gòu)建了一種星型拓撲的以太網(wǎng)采集環(huán)境，并設(shè)計了兩級隊列調(diào)度的數(shù)據(jù)通信模型。通過編程實現(xiàn)相應(yīng)算法，確保數(shù)據(jù)采集的實時性與采樣周期的一致性，這不僅使采集的數(shù)據(jù)有利于分析挖掘，而且該模式可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的信息交換。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，有不少電池巡檢儀和電池參數(shù)監(jiān)測儀提供了電池組實時在線巡回檢測的功能，包括對每節(jié)單體電池或整組電池的電壓、電流、溫度進行自動檢測等[3]。計算機通過RS-232或RS-485接口實現(xiàn)在線監(jiān)測電池狀態(tài)、顯示曲線及生成報表等。這既提高了電池的檢測效率和測試的安全性，又降低了維護人員的測試勞動強度。采用RS-232或RS-485接口雖然可以很容易地實現(xiàn)對外圍儀表設(shè)備的通信，但當通信結(jié)點比較多時，會受到接口數(shù)量的限制(如RS-232只提供點對點通信，RS-485支持多點通信，但一個網(wǎng)段最多連接32個結(jié)點[4])。為了實現(xiàn)對太陽能電池的批量檢測，設(shè)計了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the system

在圖1所示的太陽能電池檢測系統(tǒng)中，主控計算機與“以太網(wǎng)/串口適配器”通過RJ-45接口連接到交換機，形成星形的拓撲結(jié)構(gòu)。結(jié)點之間采用客戶服務(wù)器模式，通過TCP面向連接的可靠數(shù)據(jù)傳送進行通信[5]。數(shù)據(jù)采集采用了分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個電池巡檢儀中的微處理器可實現(xiàn)對單組太陽能電池的檢測，采集的數(shù)據(jù)通過串口傳送到以太網(wǎng)/串口適配器，適配器再將轉(zhuǎn)換后的TCP數(shù)據(jù)報交付以太網(wǎng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只是提供了一種分布式的處理環(huán)境，采用怎樣的通信模型與算法，將會在很大程度上影響數(shù)據(jù)采集的實時性。

2 調(diào)度通信模型設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

通常實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求定時準確，即采樣間隔具有較好的一致性[6]。在圖1所示的電池檢測系統(tǒng)中，主控計算機通過以太網(wǎng)/串口適配器將數(shù)據(jù)采集指令發(fā)送給電池巡檢儀，巡檢儀根據(jù)指令從電池采集電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)/串口適配器再將巡檢儀采集的數(shù)據(jù)返回給主控計算機。當被測電池數(shù)量較多時，如果采用輪詢采集方式，采樣周期的一致性將很難得到保證。這是因為任一采集通道的阻塞都會干擾采樣周期，影響實時性，降低系統(tǒng)的效率。雖然采用多線程并發(fā)方式能隔離采集通道之間的干擾，但如果沒有合理的同步調(diào)度機制，也難以避免這一現(xiàn)象。兩級隊列調(diào)度通信模型描述了如何在確保線程在完成周期性采樣的前提下，實現(xiàn)對臨界資源的互斥與同步，達到實時采樣與可靠歸檔。根據(jù)程序并發(fā)執(zhí)行條件可知，若p1和p2這兩個程序能并發(fā)執(zhí)行，且具有可再現(xiàn)性，需要滿足以下Bernstein條件[7]：

式中：R為“讀集”;W為“寫集”。設(shè)采集線程集合為S={thread1，thread2，…，threadn}，由式(1)可知，對于?ti、?tj(ti∈S，tj∈S，ti≠tj)，如有 R(p1)∩W(p2)∪R(p2)∩W(p1)∪W(p1)∩W(p2)={}，則能使任意數(shù)據(jù)的采集通道均不會因競爭資源而阻塞。若為每個采集線程分配獨立的緩沖隊列存放數(shù)據(jù)，即可滿足上述條件。

采集線程除了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能(入隊操作)之外，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔功能(出隊操作)。設(shè)歸檔數(shù)據(jù)庫所支持的并發(fā)度為p，則當p＜n時，并發(fā)度p成為采集線程集合的臨界資源，推導的Bernstein條件被破壞;當p≥n時，雖不會出現(xiàn)資源競爭而引起的阻塞，但普適性較差。這是因為p是由數(shù)據(jù)庫的性能所決定的，n隨著實際的應(yīng)用而變化，很可能會出現(xiàn)無法滿足這一條件的情況。因此，增加一個歸檔隊列，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔前先進入該緩沖隊列，再由m個歸檔線程完成存數(shù)據(jù)庫操作。因為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)常用基于鎖的并發(fā)控制，獲得一個鎖的開銷遠小于處理數(shù)據(jù)的開銷[8]，所以m可取小于或大于p的值，且與n無關(guān)。

由于歸檔隊列是臨界資源，因此，緩沖隊列與歸檔隊列之間的數(shù)據(jù)調(diào)度由“隊列線程”完成，否則會出現(xiàn)采集線程競爭歸檔隊列而引起的阻塞。此外，當緩沖隊列空時，隊列線程會阻塞，所以隊列線程個數(shù)需要n個，否則會引起其他緩沖隊列的溢出和采集線程的阻塞。兩級隊列調(diào)度通信模型如圖2所示。

圖2 兩級隊列調(diào)度通信模型Fig.2 Two-stage queue scheduling communication model

由以上模型可知，在緩沖隊列不滿的條件下，采集線程可以獲得最大程度的并發(fā)，數(shù)據(jù)采集周期的一致性可以得到有效保證。隊列線程與采集線程分別操作的是out和in指向的存儲空間，因此對并發(fā)不產(chǎn)生影響，只有在隊列空和隊列滿的狀態(tài)下需要同步。隊列線程之間競爭的是歸檔隊列尾指針，雖然需要同步，但臨界區(qū)很小，所以對并發(fā)影響不大。需要指出的是，歸檔線程應(yīng)帶一個數(shù)據(jù)項的內(nèi)部存儲區(qū)，當某一線程獲得隊列頭時，將隊列頭指針指向的數(shù)據(jù)項復制到自身的存儲區(qū)，然后立即釋放隊列頭臨界資源，再進行寫數(shù)據(jù)庫操作。試驗表明，這有利于提高歸檔速度。

2.2 算法描述

信號量提供了一種方便有效的進程同步處理機制，但由于大量的同步操作分散在每個要訪問臨界資源的進程中，不僅給系統(tǒng)的管理帶來麻煩，還會由于使用不當而導致一些難以檢測的時序錯誤[9]。而管程定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和能為并發(fā)進程所執(zhí)行在該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的一組操作，這組操作能同步進程和改變管程中的數(shù)據(jù)。鑒于這一特征，定義了類似管程功能的兩個類(CMonitorQ1和CMonitorQ2)來實現(xiàn)三種線程對兩級隊列的同步與互斥。設(shè)緩沖隊列為一級隊列，歸檔隊列為二級隊列，模型對應(yīng)的算法描述如下。

每路數(shù)據(jù)采集通道均需要一個CMonitorQ1對象。該對象用于采集線程(調(diào)用putQ1Data)和隊列線程(調(diào)用getQ1Data)對一級緩沖隊列buffer的同步操作。由于兩類線程各只有一個，且操作的分別是隊列頭和隊列尾，因此在隊列空或滿時同步即可。另外，getQ1Data在對緩沖隊列空信號量進行V操作之前必須將數(shù)據(jù)存入臨時空間，而不能只保存下標，否則就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)被覆蓋的可能。

第二級隊列的同步與互斥操作由CMonitorQ2對象實現(xiàn)。該對象只需要一個，隊列線程調(diào)用putQ2Data，歸檔線程調(diào)用getQ2Data。由于有多個線程競爭隊列頭與隊列尾，所以引入兩個互斥量mutexHead和mutexRear，用于互斥操作。為防止死鎖的出現(xiàn)，以下的P、V操作次序不能交換。同樣地，getQ2Data中對queueEmpty的V操作之前，歸檔線程需要把數(shù)據(jù)復制到自身的臨時空間。

以上列出了兩個類的主要成員與方法，其中對信號量和互斥量的P操作可用WaitForSingleObject實現(xiàn);V操作則分別用ReleaseSemaphore和ReleaseSemaphore完成[10]。因為所有的同步與互斥操作全部集中到CMonitorQ1和CMonitorQ2對象，所以有效地控制了三類線程的復雜度。以隊列線程的Execute方法為例，描述如下。

在以上算法中，getQ1Data()在一級緩沖隊列空時阻塞;putQ2Data()在二級歸檔隊列滿時阻塞。雖然二級歸檔隊列是多個歸檔線程競爭的臨界資源，但因為臨界區(qū)很小，且有一級緩沖隊列為采集線程服務(wù)，所以系統(tǒng)的實時性與采集周期可以得到有效保證。

3 應(yīng)用實例

兩級隊列調(diào)度通信模型已應(yīng)用于太陽能電池的巡檢。這一系統(tǒng)可對太陽能電池進行批量檢測與監(jiān)控，掌握電池組的運行狀態(tài)，實時檢測記錄并顯示各單體電池或電池組電壓、電流、電池溫度等參數(shù)，以及時發(fā)現(xiàn)劣質(zhì)電池，保證系統(tǒng)正常可靠、無故障運行。采集的數(shù)據(jù)在歸檔的同時，還可以實時、直觀地用趨勢圖顯示。采集周期一致的歸檔數(shù)據(jù)為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、處理與挖掘提供了有利條件。

4 結(jié)束語

兩級隊列調(diào)度通信模型是在批量電池巡檢中，為防止局部模塊異常對數(shù)據(jù)采集周期一致性的影響而提出的。該模型通過三類線程調(diào)度和兩級緩沖隊列隔離的方法，有效地確保了局部采集模塊的阻塞不會成為采樣實時性的瓶頸。實踐表明，該模型有效實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的實時性、采樣間隔的一致性、歸檔過程的可靠性以及歸檔模塊對不同數(shù)據(jù)庫并發(fā)功能的支持。

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