強實(shí)時(shí)測控系統的軟件設計技術(shù)

技巧及關(guān)鍵技術(shù)
A/D觸發(fā)時(shí)鐘的設置
高效率、高可靠性、高頻率、高準確度的定時(shí)器脈沖觸發(fā)源是實(shí)現穩定可靠高速數據采集的重要前提。在高速采集板卡上一般設計有兩塊Intel8254定時(shí)芯片，且相互橋聯(lián)，即第一塊Intel8254的時(shí)鐘輸入腳接入高精度、高頻率的石英振蕩器，其輸出作為第二塊Intel8254時(shí)鐘的輸入，第二塊Intel8254的輸出才是觸發(fā)A/D的真正脈沖源。在程序設計時(shí)尤其要注意二者的協(xié)聯(lián)及相互間的匹配關(guān)系，這種設計的定時(shí)器1和2的計數值CT1和CT2必須滿(mǎn)足如下關(guān)系式： CT1×CT2＝時(shí)鐘基頻/系統的采樣頻率，同時(shí)CT2最好是CT1的整數倍。通過(guò)Matlab with Simulink平臺的仿真結果以及實(shí)踐證明：比較可靠的方法是將CT1強行設置為2k或4k，再利用上式關(guān)系計算出CT2。同時(shí)兩時(shí)鐘的工作方式最好設置成方式２。
A/D觸發(fā)模式的設置
A/D觸發(fā)模式將直接影響A/D采樣速率和孔徑時(shí)間，A/D觸發(fā)的模式一般有三種：軟件觸發(fā)、定時(shí)器同步觸發(fā)以及外部觸發(fā)。一般而言，軟件觸發(fā)一般適合采樣速度較慢且現場(chǎng)信號變化比較緩慢的場(chǎng)合；外部觸發(fā)適合于多路信號需要同步采樣的場(chǎng)合，其采樣速率由外部觸發(fā)信號的頻率而定；定時(shí)器同步觸發(fā)一般適合采樣速率較快的場(chǎng)合。在編寫(xiě)底層驅動(dòng)程序時(shí)，要根據外部信號的特征和控制系統實(shí)時(shí)性的要求選取合適的A/D觸發(fā)模式。
A/D轉換數據的傳輸方式設置
數據的傳輸方式也同樣影響A/D的采樣速率和孔徑時(shí)間，數據的傳輸方式一般有軟件查詢(xún)(軟件控制)、中斷傳輸、DMA方式以及FIFO方式等四種方式，以常見(jiàn)的A/D轉換基頻10M為例，上述4種方式的數據傳輸速率分別為10-20kS/s、10-30kS/s、200kS/s、330kS/s。通過(guò)比較可知，需高速數據采集的場(chǎng)合應選取FIFO數據傳輸方式為宜。
I/O操作方式的設置
在對高速數據采集板卡的端口進(jìn)行I/O操作時(shí)，針對ISA和PCI總線(xiàn)設備，應特別注意有所區別：
一個(gè)ISA設備驅動(dòng)程序的資源是固定不變的，而一個(gè)PCI設備驅動(dòng)程序的資源是操作系統自動(dòng)分配的，需通過(guò)設備ID號和廠(chǎng)商ID號獲得設備的物理位置、總線(xiàn)號、器件號和功能號，并利用它們尋址PCI配置空間，才能從配置空間獲得中斷號、端口地址等硬件資源。
ISA設備與PCI設備驅動(dòng)程序對中斷處理不同：一個(gè)ISA設備驅動(dòng)程序的中斷模式可以是LevelSensitive，也可以是Latched，而且中斷向量是否與其它設備共享無(wú)關(guān)緊要。但一個(gè)PCI設備驅動(dòng)程序的中斷模式必須是LevelSensitive，而且中斷向量必須是共享的。
通過(guò)Matlab with Simulink平臺的仿真結果來(lái)看：在高速數據采集過(guò)程中，為了縮短A/D的孔徑時(shí)間，提高A/D的轉換效率，應盡量減少對其端口I/O操作的次數。最好的解決辦法是將A/D整個(gè)過(guò)程分解為：包括時(shí)鐘基頻、采樣頻率、掃描通道、通道增益等參數設置等在內的A/D初始化過(guò)程；A/D標志位判別及數據采集過(guò)程；數據轉移及處理過(guò)程等，并將這三個(gè)過(guò)程采用Visual C++將其編譯成DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫)，然后在應用程序中調用，比在Visual C++中直接采用_inp()、_outp()等編成的子函數要更省時(shí)。編寫(xiě)DLL時(shí)，若在VC++環(huán)境中嵌入匯編語(yǔ)言，效果更佳。但要記?。壕幾g后的DLL在Win9X(包括WinME)系統中必須存放在System子目錄下，而在Win2k或XP系統中必須存放在System32子目錄下。
軟件多線(xiàn)程的應用
多線(xiàn)程的應用策略
一個(gè)復雜的測控、仿真軟件，往往要求數據采集、圖形界面生成、控制算法實(shí)現、遠程通信、數據管理等過(guò)程并行完成，而Windows又并非是一個(gè)實(shí)時(shí)性很強的操作系統，但其多線(xiàn)程能力為實(shí)現這種并行處理能力提供了很好的解決方案。
實(shí)踐表明，在設計和編寫(xiě)測控多線(xiàn)程程序時(shí)，必須考慮以下幾點(diǎn)：
線(xiàn)程數量不宜過(guò)多，否則線(xiàn)程間的頻繁切換反而會(huì )影響程序的執行效率，從而導致軟件實(shí)時(shí)性的下降，在高速數據采集過(guò)程中，采用2～3線(xiàn)程足以滿(mǎn)足軟件的實(shí)時(shí)性要求。如設定A/D初始化線(xiàn)程、數據采集線(xiàn)程、數據傳輸與處理線(xiàn)程等。
因為同一時(shí)間有多個(gè)線(xiàn)程在執行，公共數據區段內的變量、數據或參數可能會(huì )被其它的線(xiàn)程在線(xiàn)修改，必須合理控制并發(fā)線(xiàn)程。在測控程序設計中，較好的辦法是通過(guò)Semaphore(信號量)對象來(lái)控制線(xiàn)程間的同步，同時(shí)在所有并發(fā)線(xiàn)程中，設置數據采集線(xiàn)程具有最高優(yōu)先級。
不同的外部設備，如PCI總線(xiàn)、ISA總線(xiàn)、串行設備，其I/O操作的速度不同，因此必須合理協(xié)調不同I/O設備間的I/O操作。
一般而言，一個(gè)調入內存并準備執行的程序稱(chēng)為一個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程擁有一個(gè)局部虛擬地址空間和一個(gè)控制點(diǎn)，每個(gè)進(jìn)程可創(chuàng )建多個(gè)并發(fā)線(xiàn)程，并由一個(gè)主線(xiàn)程開(kāi)始，所有線(xiàn)程共享該進(jìn)程里的地址空間、數據和系統資源。Win32、WinNT是一種搶先式多線(xiàn)程調度方式，可以保證優(yōu)先級高的線(xiàn)程首先獲得CPU運行時(shí)間。在高速數據采集系統中，可為每個(gè)線(xiàn)程設定一個(gè)優(yōu)先級，操作系統根據線(xiàn)程的優(yōu)先級讓CPU搶先執行當前最適當的線(xiàn)程。在實(shí)現安全有效的多線(xiàn)程機制的軟件時(shí)，除了要合理設置線(xiàn)程優(yōu)先級外，還要合理控制并發(fā)線(xiàn)程,否則不僅會(huì )造成線(xiàn)程死鎖，還會(huì )導致系統崩潰，最易導致線(xiàn)程死鎖的因素是多線(xiàn)程中公共數據的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程。為了避免此現象發(fā)生，可通過(guò)線(xiàn)程之間的同步來(lái)實(shí)現對公共數據塊進(jìn)行保護。
多線(xiàn)程的應用實(shí)現
各個(gè)線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)程中的公共變量，需要注意的問(wèn)題是如何防止兩個(gè)或兩個(gè)以上的線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)數據，以免破壞數據的完整性。在高速數據采集過(guò)程中，應避免數據采集線(xiàn)程往FIFO緩沖區寫(xiě)數據的同時(shí)，數據轉移線(xiàn)程來(lái)訪(fǎng)問(wèn)FIFO緩存。
Visual C++中使用同步類(lèi)來(lái)解決操作系統的并行性引起的數據不安全問(wèn)題。MFC支持的七個(gè)多線(xiàn)程的同步類(lèi)可以分成兩大類(lèi)：同步對象(CsyncObject、Csemaphore、Cmutex、CcriticalSection和Cevent)和同步訪(fǎng)問(wèn)對象(CmultiLock和CsingleLock)。臨界區(Critical section)是保證在某一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)數據的方法。使用它的過(guò)程中，需要給各個(gè)線(xiàn)程提供一個(gè)共享的臨界區對象，無(wú)論哪個(gè)線(xiàn)程占有臨界區對象，都可以訪(fǎng)問(wèn)受到保護的數據，此時(shí)其它線(xiàn)程需要等待，直到該線(xiàn)程釋放臨界區對象為止。臨界區被釋放后，另外的線(xiàn)程可以強占這個(gè)臨界區，以便訪(fǎng)問(wèn)共享的數據。臨界區對應著(zhù)一個(gè)CriticalSection對象，當線(xiàn)程需要訪(fǎng)問(wèn)保護數據時(shí)，調用臨界區對象的Lock()成員函數；當對保護數據的操作完成之后，調用臨界區對象的Unlock()成員函數釋放對臨界區對象的擁有權，以使另一個(gè)線(xiàn)程可以?shī)Z取臨界區對象并訪(fǎng)問(wèn)受保護的數據。信號量(Semaphore)和互斥(Mutexe)的用法很相似，不同的是，它可以同一時(shí)刻允許多個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)資源，這正是高速數據采集所需的對并發(fā)線(xiàn)程控制的方法。創(chuàng )建一個(gè)信號量需要用Csemaphore類(lèi)聲明一個(gè)對象，一旦創(chuàng )建了一個(gè)信號量對象，就可以用它來(lái)對資源訪(fǎng)問(wèn)?？梢韵葎?chuàng )建一個(gè)CsingleLock或CmltiLock對象，然后用該對象的Lock()函數減少這個(gè)信號量的計數值，Unlock()反之。
在多線(xiàn)程程序運行過(guò)程中，必須要有一個(gè)主線(xiàn)程。其實(shí)，線(xiàn)程有用戶(hù)界面線(xiàn)程和工作線(xiàn)程(又稱(chēng)為后臺線(xiàn)程)之分。前者通常用來(lái)處理用戶(hù)的輸入并響應各種事件和消息，應用程序的主執行線(xiàn)程CWinAPP對象就是一個(gè)用戶(hù)界面線(xiàn)程，當應用程序啟動(dòng)時(shí)，它自動(dòng)創(chuàng )建和啟動(dòng)。同樣，它的終止也意味著(zhù)該程序的結束，進(jìn)程終止。工作線(xiàn)程用來(lái)執行程序的后臺處理任務(wù)，在高速數據采集過(guò)程中，A/D初始化線(xiàn)程、數據采集線(xiàn)程、數據轉移與處理線(xiàn)程就是后臺線(xiàn)程，和用戶(hù)界面線(xiàn)程的區別是，它不用從CwinThread類(lèi)派生來(lái)創(chuàng )建。一個(gè)進(jìn)程中的所有線(xiàn)程共享它們父進(jìn)程的變量，但同時(shí)每個(gè)線(xiàn)程可以擁有自己的變量。
在本設計中，將控制策略管理線(xiàn)程作為主線(xiàn)程，其屬性設置成CWinAPP，數據采集線(xiàn)程在所有并發(fā)線(xiàn)程中具有最高的優(yōu)先級，數據采集線(xiàn)程不間斷地將采集的數據存放到公共的FIFO數據緩沖區，以便數據處理線(xiàn)程調用，控制策略管理線(xiàn)程具有最高優(yōu)先級的主線(xiàn)程，可以隨時(shí)喚醒或掛起后臺線(xiàn)程。同時(shí)，所有后臺線(xiàn)程只能有數據采集線(xiàn)程喚醒，控制策略管理線(xiàn)程則無(wú)權干涉，程序通過(guò)CEvent對象來(lái)溝通各線(xiàn)程間發(fā)生的事件，通過(guò)獲得Csemaphore的使用權來(lái)存取公共數據FIFO緩沖區的數據。

結語(yǔ)
影響測控及仿真軟件實(shí)時(shí)性既有硬件的因素，也有軟件的因素，二者相互依存，相互制約。一個(gè)良好的軟件設計不僅可以提高硬件的性能，還可彌補其性能設計上的不足。軟件設計時(shí)，要考慮其綜合因素，如A/D觸發(fā)方式、數據轉換方式的選擇、多線(xiàn)程的應用及其相互間的協(xié)同工作關(guān)系，大容量數據存儲與高速數據存取間矛盾、高速數據采集與高速數據存取間的矛盾等等?！?/P>

參考文獻：
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作者簡(jiǎn)介：
吳道虎，博士，主要研究生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、現場(chǎng)總線(xiàn)應用等