一個(gè)分布式監控系統的軟件設計

摘 要討論了一個(gè)分布式監控系統的軟件設計。給出了系統結構、冗余設計及軟件設計要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 分布式系統 網(wǎng)絡(luò )通信ActiveX自動(dòng)化

１ 系統結構

系統結構見(jiàn)圖1，這是一個(gè)兩級分布式監控系統。在現場(chǎng)級兩臺互為熱備的現場(chǎng)計算機通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與現場(chǎng)設備相連，實(shí)時(shí)采集現場(chǎng)數據并向現場(chǎng)設備傳送監控級發(fā)來(lái)的控制指令，同時(shí)把各種實(shí)時(shí)信息發(fā)送到監控級。在監控級，各監控計算機通過(guò)TCP/IP以太網(wǎng)與各現場(chǎng)計算機相連以獲取現場(chǎng)數據，并提供GUI以便操作人員監視及控制現場(chǎng)設備。

2 冗余設計

對于可靠性要求較高的系統，常常采用冗余設計以提高可靠性。本系統的現場(chǎng)計算機為雙機熱備，監控級計算機也可根據需要進(jìn)行雙機熱備。

雙機熱備必須解決故障識別和狀態(tài)鏡象兩個(gè)問(wèn)題，但為實(shí)現快速切換，應盡量簡(jiǎn)化算法，同時(shí)盡量減少交換信息，因此如果狀態(tài)信息不是很重要，則不必隨主備信息一起傳送?；谏鲜鏊枷?，定義的主備機報文格式見(jiàn)圖2，各字段的含義如下：

（1）信息標識：標識報文類(lèi)型，共定義了三種報文：

a）普通報文：由主備機正常進(jìn)行交互用的報文，稱(chēng)主機發(fā)往備機的報文為請求報文，備機發(fā)往主機的報文為應答報文。

b）切換報文：當主機想轉為備機時(shí)，發(fā)送此報文。該報文是非常必要的，一種情況是當現場(chǎng)計算機與現場(chǎng)設備失去聯(lián)系時(shí)，就需要主動(dòng)進(jìn)行切換。

c）退出報文：當某一臺機器退出時(shí)，應發(fā)送此報文，否則對方將認為該機故障。

（2）主備標志：指示本站是否為主機，“1”表示主機，“0”表示備機。

（3）判決標志：當主備機的主備標志一致，即兩者同時(shí)為主機或同時(shí)為備機時(shí)，應根據判決標志進(jìn)行切換，該標志可以預先設定為一個(gè)值，也可以取IP地址或啟動(dòng)時(shí)間作為判決標志。判決條件可以取大于或小于。

具體實(shí)現方法為：主機定時(shí)向備機發(fā)送請求報文，備機收到后就發(fā)一個(gè)應答報文；同時(shí)另設一定時(shí)器，當收到對方的一個(gè)報文就把該定時(shí)器清0，與此同時(shí)定時(shí)器定時(shí)加１。若定時(shí)器溢出，則表示對方故障，否則表示對方正常。程序包括定時(shí)發(fā)送、故障檢測及接收處理三部分，它們是并行工作的，流程圖見(jiàn)圖3。通過(guò)對發(fā)送定時(shí)器及檢測定時(shí)器定時(shí)間隔及檢測次數的設定，可以決定切換時(shí)間。

3 軟件設計

系統軟件分為現場(chǎng)級與監控級兩部分，其中監控級包括人機接口及監控級自動(dòng)化服務(wù)器兩部分，見(jiàn)圖4。下面討論一下軟件設計中的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.1 數據傳輸方式及通信可靠性

本系統的網(wǎng)絡(luò )操作系統為Windows NT，網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議為T(mén)CP/IP，采用WindowsSocket進(jìn)行通信程序的設計。Windows Socket有流式與數據報兩種。前者為面向連接服務(wù)，后者為無(wú)連接服務(wù)?？紤]到監控系統的數據量較小，而對實(shí)時(shí)性要求較高，因此采用數據報方式。

采用數據報方式的另一點(diǎn)考慮是，它可以廣播。在本系統中，現場(chǎng)工控機采用定時(shí)廣播的方式傳輸數據，這種方式有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 解決了主備機之間的數據鏡像問(wèn)題。

2） 不需設置IP地址。這有兩層含義，一方面發(fā)送方不需知道接收方的地址，因為IP廣播地址是個(gè)固定地址；另一方面，各監控計算機也不必知道各現場(chǎng)計算機的IP地址，因為當它收到廣播后，就可以獲得發(fā)送方的IP地址，然后把它存在一張地址表中，以后向該現場(chǎng)計算機發(fā)送指令時(shí)就可以直接從地址表中取出其IP地址。這種處理方法有點(diǎn)類(lèi)似于TCP/IP協(xié)議地址解析中的動(dòng)態(tài)聯(lián)編1。但數據報方式的可靠性不如流式高。對于現場(chǎng)計算機，因為數據定時(shí)廣播，這種可靠性的差別并無(wú)大礙。但對監控計算機而言，它發(fā)出一個(gè)請求，必須知道該請求是否被響應。因此采用了異步確認機制（見(jiàn)圖5），處理過(guò)程為：在發(fā)送端設一張表，當發(fā)送一個(gè)請求時(shí)為該請求分配（或預先分配）一個(gè)標識，然后把該標識隨同請求一起發(fā)出去，同時(shí)啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器；接收端響應該請求后，發(fā)回一個(gè)含有請求標識的應答報文；若接收端收到該應答報文，則刪除表中的請求標識，同時(shí)定時(shí)器停止，否則將發(fā)生超時(shí)，表示請求未被響應。

3.2 系統信息的處理

監控系統中主要包括如下三種數據：

（1）現場(chǎng)數據：包括現場(chǎng)信號測量值、設備運行狀態(tài)、報警信息及其它由現場(chǎng)計算機產(chǎn)生的數據。

（2）控制指令：如控制數字量輸出、模擬量輸出及現場(chǎng)設備等的控制字。

（3）系統信息：主要是一些系統管理信息，如控制權限，監控計算機登錄狀態(tài)等。

這些信息要么由現場(chǎng)計算機采集或產(chǎn)生，要么由監控計算機寫(xiě)入現場(chǎng)計算機，但最終還是要存入現場(chǎng)計算機并向外定時(shí)廣播。前兩種信息由于直接產(chǎn)生于或作用于現場(chǎng)，因此存于各自的現場(chǎng)計算機。但系統信息是全局信息，是所有站共享的信息，這樣存在著(zhù)如下問(wèn)題：當監控計算機寫(xiě)入系統信息（如登錄）時(shí)，應把它發(fā)向哪個(gè)現場(chǎng)計算機呢？如果向所有站廣播，就存在著(zhù)一致性問(wèn)題。正確的做法是：把一臺現場(chǎng)計算機作為系統服務(wù)器，系統信息都寫(xiě)入該服務(wù)器中，然后由它向其它站廣播。那么應選擇哪個(gè)現場(chǎng)計算機，并且使所有站（包括現場(chǎng)級與監控級）都選擇同一個(gè)現場(chǎng)計算機？本系統采取一種動(dòng)態(tài)算法實(shí)現了這種選擇，并且當該現場(chǎng)計算機故障時(shí)自動(dòng)轉移到另外的現場(chǎng)計算機。

具體方法參見(jiàn)圖6：設一張表及一個(gè)定時(shí)器組，當收到一個(gè)站的信息時(shí)就把該站的IP地址存入該表中，同時(shí)把相應的定時(shí)器清0；若定時(shí)器溢出，則將該站的IP地址置為無(wú)效值。當各計算機尋找系統服務(wù)器時(shí)，就順序搜索該表，找到第一個(gè)有效IP地址，就把它作為系統服務(wù)器。

3.3 監控級自動(dòng)化服務(wù)器的設計

監控級軟件主要是為操作人員提供人機界面，但它同時(shí)還要與現場(chǎng)計算機進(jìn)行通信，為把界面設計分離開(kāi)來(lái)，我們采用了MicrosoftActivX自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現了這一設計思想。這樣，界面設計人員可以采用目前流行的各種可視化開(kāi)發(fā)工具集中精力進(jìn)行界面設計，而且可以根據需要設計不同的界面，在我們的系統中就有兩種界面。

自動(dòng)化技術(shù)是Microsoft ActivX組件技術(shù)中的一種，它包括自動(dòng)化服務(wù)器和自動(dòng)化控制器兩種，其中自動(dòng)化控制器是指使用和操縱自動(dòng)化服務(wù)器的應用程序（如VBA），自動(dòng)化技術(shù)通常是指自動(dòng)化服務(wù)器。另一種最為常用的組件技術(shù)是ActiveX控件，但一個(gè)ActiveX控件只能提供一個(gè)lDispatch接口，而一個(gè)自動(dòng)化服務(wù)器可以提供多個(gè)lDispatch接口。通過(guò)lDispatch接口，客戶(hù)程序可以訪(fǎng)問(wèn)該接口的屬性和方法。對于VBA客戶(hù)程序來(lái)說(shuō)，訪(fǎng)問(wèn)lDispatch接口的語(yǔ)法與訪(fǎng)問(wèn)VBA對象的語(yǔ)法是一樣的，因此，對于VBA客戶(hù)程序而言，一個(gè)lDispatch接口就相當于一個(gè)對象。

自動(dòng)化服務(wù)器通常采用層次結構來(lái)組織對象，Microsoft的許多自動(dòng)化服務(wù)器都是這樣組織的，如數據訪(fǎng)問(wèn)對象DAO。本系統的自動(dòng)化服務(wù)器也采用了這樣一種結構，見(jiàn)圖7， 其中Workstation是指監控級各站，Station是指現場(chǎng)級各站，這只是個(gè)示意圖。這種結構一方面體現了對象間的層次及包含關(guān)系，另一方面對象的創(chuàng )建、刪除及組織也比較方便，整個(gè)服務(wù)器只需一個(gè)ProgID來(lái)標識。

客戶(hù)程序創(chuàng )建服務(wù)器的過(guò)程為：首先利用ProgID創(chuàng )建頂層對象（Application），然后利用該頂層對象提供的方法創(chuàng )建各集合并向其中添加元素，對集合的操作類(lèi)似于VBA中的Collection對象，主要有Count()，ltem()，Add()等幾種。應當指出，上面所討論的對象層次結構及集合的概念只是一種設計思想，并非有現成的設計工具，我們采用VC＋＋6.0設計了自己的集合類(lèi)及自動(dòng)化服務(wù)器，客戶(hù)端采用VB6.0

本系統是按照分布式的思想進(jìn)行設計的。分布式的特點(diǎn)就在于各節點(diǎn)是平等的，在數據傳輸方式、冗余設計及系統服務(wù)器的選擇等處理上都體現了這一思想。本文給出的冗余設計，是基于網(wǎng)絡(luò )的一種方法，其實(shí)現不依賴(lài)于操作系統、編程語(yǔ)言，是一種比較通用的方法。組件技術(shù)是軟件發(fā)展的方向，本系統利用自動(dòng)化技術(shù)將界面設計與底層設計分離開(kāi)來(lái)，各自進(jìn)行獨立設計，充分體現了組件技術(shù)的優(yōu)越性。

參考文獻

１ 周明天，汪文勇． TCP/IP網(wǎng)絡(luò )原理與技術(shù)．北京：清華大學(xué)出版社

２ (美)Jerry Anderson． visual C＋＋5 ActiveX編程指南．北京：清華大學(xué)出版社

３ (美)Peter Norton, Rob McGregor．MFC開(kāi)發(fā)windows95/NT4應用程序．北京：清華大學(xué)出版社

（收稿日期：1999-06-16）