基于LabVIEW的海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

靳先聚

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450015）

0 引言

在工程測試中，往往需要對測試信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和存儲，同時(shí)希望在測試結(jié)束后能方便的查看歷史數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代的工程測試信號多為多通道、長時(shí)間、不間斷的海量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)儀器已經(jīng)無法滿足對這些數(shù)據(jù)的處理和存儲要求。因此，如何快速、準(zhǔn)確、可靠地存儲這些海量數(shù)據(jù)是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

虛擬儀器是把計(jì)算機(jī)、模塊化的儀器等硬件與高效靈活的軟件結(jié)合起來，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和工作效率［1～2］。在其模塊化的開發(fā)環(huán)境下，用戶只需擁有常規(guī)硬件設(shè)備，就可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，自主設(shè)計(jì)各種功能的測試系統(tǒng)。LabVIEW（Laboratory VirtualInstrumentEngineer Workbench）是美國國家儀器（National Instruments，簡稱NI）公司推出一種圖形化的即時(shí)可重構(gòu)虛擬儀器軟件。用戶可以根據(jù)自身的特殊需要，構(gòu)建特定的虛擬儀器，降低了對硬件設(shè)備的依賴［3～4］。 另外，LabVIEW也是這一領(lǐng)域應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的軟件。筆者探討了在LabVIEW編程環(huán)境下，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲文件的選擇

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)由信號采集、信號處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)查詢4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)存儲文件的選擇

圖1 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Software structure

LabVIEW環(huán)境支持的可讀寫文件格式主要有文本文件、二進(jìn)制文件和數(shù)據(jù)記錄文件3種［5］。其中，二進(jìn)制文件占用磁盤空間最少，并且文件的存儲格式與數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的格式一致，無需轉(zhuǎn)換，致使讀寫文件的速度更快［6］。因此，二進(jìn)制文件是數(shù)據(jù)存儲最為緊湊和快速的格式，特別適合海量數(shù)據(jù)的存儲和讀取。LabVIEW提供的以二進(jìn)制文件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的文件類型有：Datalog文件、Waveform文件、TDMS文件、TDM文件等。TDMS文件具有讀寫速度快、占用硬盤空間小等優(yōu)點(diǎn)［7～9］，更適合多通道、海量振動數(shù)據(jù)的存儲。所以，本系統(tǒng)采用TDMS文件對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 編制流程圖

程序流程圖是整個(gè)編程過程中的指導(dǎo)性文件，通過它可以了解到其環(huán)節(jié)要實(shí)現(xiàn)什么功能，以及下一個(gè)環(huán)節(jié)程序會轉(zhuǎn)向哪里。本文設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖2所示。

由圖2可知，程序總體分為初始化和執(zhí)行兩部分，這兩部分要按順序執(zhí)行。LabVIEW提供的順序循環(huán)結(jié)構(gòu)只需設(shè)立兩步，就可以達(dá)到這一要求。

圖2 存儲系統(tǒng)程序流程圖Fig.2 Storige system program flow

2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的存儲模塊是完成對數(shù)據(jù)后續(xù)分析的前提和基礎(chǔ)。因此，必須保證存儲的速度和可靠性。采用TDMS的存儲方式保證了存儲的速度。為了保證存儲的可靠性，必須在數(shù)據(jù)存儲的速度小于數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度時(shí)，能緩存數(shù)據(jù)。這就需要選擇合適的編程模式。

LabVIEW為編程者提供的如圖3所示的用于數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式——生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（數(shù)據(jù)）能同時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)存儲這兩個(gè)過程，并且保證它們不會相互影響。生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（數(shù)據(jù)）由循環(huán)結(jié)構(gòu)（While循環(huán)）和隊(duì)列組成。隊(duì)列是一個(gè)先入先出的緩沖區(qū)域。生產(chǎn)者產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)放入隊(duì)列中；消費(fèi)者依次從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)生產(chǎn)過剩而消費(fèi)不足時(shí)，緩沖區(qū)的剩余空間不斷減少，直至耗盡。反之，當(dāng)消費(fèi)能力大于生產(chǎn)能力時(shí)，緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)會逐漸減少，直至緩沖區(qū)中再無數(shù)據(jù)可用。此時(shí)，消費(fèi)者進(jìn)入等待狀態(tài)，直至生產(chǎn)者輸入新數(shù)據(jù)或程序結(jié)束。

為適應(yīng)系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)的存儲要求，將隊(duì)列所能容納的最大數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為“無限”（最大）。因系統(tǒng)設(shè)計(jì)為8通道，要建立8個(gè)隊(duì)列，分別存放各個(gè)通道的數(shù)據(jù)。各隊(duì)列分別以各自的通道名命名。

由于各通道所實(shí)現(xiàn)功能完全相同，下面以通道1為例，對系統(tǒng)程序進(jìn)行詳細(xì)介紹。通道1的數(shù)據(jù)存儲程序框圖如圖4所示。將仿真信號放在生產(chǎn)者循環(huán)中。為了方便程序的調(diào)試，利用輸入控件實(shí)現(xiàn)對信號頻率、幅值和相位的即時(shí)輸入。在消費(fèi)者循環(huán)中，從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)，并存儲、處理和顯示。由于通道多、數(shù)據(jù)量大，此處只存儲原始數(shù)據(jù)、均方根值和報(bào)警信息（報(bào)警序號、報(bào)警通道名和報(bào)警時(shí)間）。

圖3 生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（數(shù)據(jù)）Fig.3 Producer/consumer design pattern(data)

圖4 通道1的數(shù)據(jù)存儲程序框圖Fig.4 Data storage program of channel 1

程序運(yùn)行過程中，先用“TDMS打開”函數(shù)新建或打開一個(gè)TDMS文件，再用“TDMS設(shè)置屬性”函數(shù)為TDMS文件設(shè)置測試時(shí)間屬性，并記錄測試的開始時(shí)間。然后，以通道名（例如通道1）命名TDMS的“組名”，以“原始數(shù)據(jù)”和“均方根值”命名TDMS的“通道名”。同時(shí)，利用“平均直流—均方根”函數(shù)獲得波形數(shù)據(jù)的均方根值，并將其與預(yù)設(shè)報(bào)警值進(jìn)行比較。如果均方根值大于或等于報(bào)警值，將報(bào)警通道的通道名稱和報(bào)警時(shí)間寫入TDMS文件中的報(bào)警組中，并為報(bào)警指示燈賦值為“真”，用于提示用戶該通道已經(jīng)報(bào)警。如果均方根值小于報(bào)警值，不作數(shù)據(jù)存儲處理，并保持指示燈為上一次判定時(shí)的值。這就可以確保指示燈在第一次報(bào)警后仍然能保持報(bào)警狀態(tài)。最后，用“TDMS關(guān)閉”函數(shù)關(guān)閉TDMS文件，用“簡易錯(cuò)誤處理器”函數(shù)處理數(shù)據(jù)存儲過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并發(fā)送相關(guān)的錯(cuò)誤信息。

為了減少程序編寫的工作量，簡化程序結(jié)構(gòu)，各通道存儲程序均以通道1存儲程序子VI形式存在于主程序中。為了能通過人機(jī)交互的方式控制數(shù)據(jù)存儲的開始和結(jié)束，需要采用事件結(jié)構(gòu)對用戶的操作進(jìn)行響應(yīng)。在數(shù)據(jù)存儲程序中，若使用包含While循環(huán)的生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（數(shù)據(jù)），將數(shù)據(jù)存儲程序直接放在事件結(jié)構(gòu)內(nèi)，將會出現(xiàn)前面板死鎖現(xiàn)象。本系統(tǒng)采用LabVIEW的另一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式——生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（事件），其程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（事件）Fig.5 Producer/consumer design pattern(event)

在本程序中，將數(shù)據(jù)存儲程序中需要響應(yīng)的事件（開始采集事件和退出程序事件）分別通過生產(chǎn)者循環(huán)中事件結(jié)構(gòu)對應(yīng)的分支放入到隊(duì)列中，通過隊(duì)列傳輸?shù)较M(fèi)者循環(huán)中，再通過條件結(jié)構(gòu)判斷對應(yīng)的事件分支，執(zhí)行對應(yīng)的程序代碼。停止采集則是通過生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式 （數(shù)據(jù)）中生產(chǎn)者中的 “停止采集”按鈕以及消費(fèi)者循環(huán)中“停止采集”按鈕的局部變量來實(shí)現(xiàn)。這樣，能同時(shí)停止數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和存儲。

系統(tǒng)程序的其他功能模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)此處不再做詳細(xì)介紹。穩(wěn)定高效的后臺程序配以人性化的人機(jī)界面（如圖6所示）即成為一完備的測試系統(tǒng)。

3 結(jié)語

在LabVIEW提供的軟件平臺上開發(fā)的多通道海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)彌補(bǔ)了工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)測試儀器在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的諸多不足。它在大宗數(shù)據(jù)存儲方面，展現(xiàn)出了高效、準(zhǔn)確的存取性能。這說明，虛擬測試系統(tǒng)是未來工程實(shí)際的發(fā)展方向。

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 System main interface

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