可擴展的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

趙立本

中國石化山東分公司，山東 濟南 250014

引言

測控系統(tǒng)在現(xiàn)代生產(chǎn)和生活當中具有重要意義。數(shù)據(jù)采集作為測控系統(tǒng)的重要組成部分，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。在這個微電子技術(shù)和微處理器技術(shù)不斷發(fā)展的今天，大量新的智能儀表不斷涌現(xiàn)，智能儀表和數(shù)據(jù)采集已進入了嶄新的發(fā)展階段?？蓴U展的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)具有高通用性和高移植性，可以通過不同參數(shù)配置實現(xiàn)對不同的數(shù)據(jù)采集模塊（數(shù)據(jù)采集通信協(xié)議）的調(diào)用，從而實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。因工程需求，需要添加新的數(shù)據(jù)采集設(shè)備時，只需要編寫小量數(shù)據(jù)采集模塊的代碼，而不用更改源程序代碼，就可以實現(xiàn)對新添加的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集了?？蓴U展的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)設(shè)計方法的應(yīng)用，將會大大降低項目開發(fā)成本，節(jié)約項目開發(fā)時間，有效避免了程序的二次開發(fā)。

1 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖1 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)是獲取監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理、分析與顯示功能的一套系統(tǒng)。它分為三個層次：物理層、采集層、應(yīng)用層。層次結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集設(shè)備位于物理層，它通過傳感器獲取監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)位于管理層，它對數(shù)據(jù)進行計算處理；可擴展的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)位于監(jiān)控系統(tǒng)的采集層，一方面它接收來自物理層的各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，另一方面又把數(shù)據(jù)傳送給管理層的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計策略

可擴展的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的包括五個模塊，其中參數(shù)配置模塊是一個單獨的模塊，不與其他模塊之間發(fā)生關(guān)系，只是把配置信息寫入配置文件，而數(shù)據(jù)采集模塊，接口初始化模塊，配置信息存儲模塊都是通過主控程序進行調(diào)用的。系統(tǒng)的工作流圖如圖2所示。主控程序作為核心部分調(diào)控各個模塊之間的執(zhí)行順序。它首先通過socket建立一個TCP/IP服務(wù)器監(jiān)聽特定網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)據(jù)，當獲取到數(shù)據(jù)管理程序發(fā)送過來的start命令之后，主控程序首先根據(jù)配置文件信息，對所有與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接的接口進行初始化，然后再建立一個數(shù)據(jù)采集線程，線程里面運行一個Timer，這個Timer按照一定的采樣周期循環(huán)調(diào)用數(shù)據(jù)獲取函數(shù)，獲取數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，然后再建立一個TCP/IP客戶端，把數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理程序。在這個數(shù)據(jù)獲取函數(shù)內(nèi)部通過一個for循環(huán)讀取配置文件中每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備的配置信息，把這個設(shè)備的配置信息保存在配置信息存儲模塊中，然后根據(jù)這個數(shù)據(jù)采集設(shè)備的型號動態(tài)調(diào)用與該數(shù)據(jù)采集設(shè)備相對應(yīng)類，調(diào)用這個類里面的數(shù)據(jù)采集函數(shù)，并傳遞一個參數(shù)，該參數(shù)是配置信息存儲模塊的一個類。

其中數(shù)據(jù)采集模塊中的類是這么規(guī)定的，每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對應(yīng)一個數(shù)據(jù)采集的類，該類放在程序的特定文件當中，當添加新的設(shè)備時，只要按照程序設(shè)計的要求寫上該類，從新編譯一下就可以了。如圖2。

3 接口設(shè)計

外部接口：參數(shù)配置接口：用戶可以根據(jù)配置值界面設(shè)定每個設(shè)備的配置信息。

采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通信接口：

采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過socket相互聯(lián)系，它們可以通過socket協(xié)議去獲取對方的數(shù)據(jù)，只要在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中設(shè)定采集系統(tǒng)的IP地址，以便能向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所在的主機發(fā)送數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是直接通過程序獲取數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的IP地址，返回它采集到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的通信涉及兩個socket，一個作為服務(wù)器接收數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)送過來的解釋命令，一個作為客戶端，周期性的向數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。

它們之間相互通信方式如圖3所示，它們之間的交換的數(shù)據(jù)是一種具有特定數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)。采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)包括：控制命令、采樣周期。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)為從采集設(shè)備采集后經(jīng)過組合的特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)描述如下表所示。

表1 接口數(shù)據(jù)表

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

圖3 采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)接口圖

計算機與采集設(shè)備接口：具有數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要用到的計算機外部接口。

4 數(shù)據(jù)描述

設(shè)備配置文件中的數(shù)據(jù)項如表2所示。模塊內(nèi)部、以及模塊之間的數(shù)據(jù)項在詳細設(shè)計文檔當中會有詳細描述。

表2 數(shù)據(jù)項描述表

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

初始化接口所需參數(shù)信息：struct interface{

commport，stopbit，baudrate，parity，databit，address}；

設(shè)備信息：struct instrument{ Manufacturer,model，id }；

傳感器信息：struct sensor{voultageU，courrentA，powerP，frequencyf }；

其它模塊內(nèi)部設(shè)計到得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在詳細設(shè)計的模塊中有詳細描述。

5 運行設(shè)計

運行模塊組合：參數(shù)配置模塊單獨執(zhí)行，其它模塊在主控程序模塊的調(diào)控下執(zhí)行。

運行控制：主控程序模塊在收到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)送過來的命令之后，調(diào)用各個模塊的函數(shù)，完成參數(shù)配置設(shè)定的功能。

本文作者創(chuàng)新觀點：本文設(shè)計了一種能夠根據(jù)智能儀表的不同進行不同參數(shù)配置實現(xiàn)不用功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有高擴展性和高通用性，將會很好地解決用戶在使用不同類型的數(shù)據(jù)采集設(shè)備時重寫程序的麻煩。

[1]王琳，商周，王學(xué)偉. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用. 電測與儀表，2004，41（8）：4～8

[2]羅光坤，張令彌，王彤. 基于 GPIB 接口的儀器與計算機之間的通訊.儀器儀表學(xué)報，2006，27（6）：634～637

[3]楊會民，田秋成，邢建功等. 基于GPIB 接口的自動測試系統(tǒng).微計算機信息，2005，21（1）：93～94，147

[4]邱健，揚冠玲，何振江.實現(xiàn)波形和數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器技術(shù). 國外電子測量技術(shù)，2002，21（3）：24～27

[5]李瑩，孟軍霞. USB 接口通訊的分析與研究. 焦作大學(xué)學(xué)報，2006，2：67～68。

[6]周娟，陳向華. 在VB中使用Winsock 控件建立基于UDP協(xié)議的應(yīng)用程序. 成都電子機械高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2005，2:17～20

[7]鄧緋，陳印. 使用Winsock控件開發(fā)服務(wù)器/客戶端程序.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報， 2004，14（4）：105～107

[8]Zhongwen Guo, Pengpeng Chen, Yuan Feng, Yongguo Jiang, and Feng Hong“ISDP: Interactive Software Development Platform for Household Appliances Testing Industry” IEEE TRANS. ON INSTRUM. MEAS., JUNE 10, 2009:4-6

[9]S. Frattesi, L. Andrenacci, L. Pasqualini, and L. Starna, “A modern approach