實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方法

摘要：PCI-7300A_RevB超高速數(shù)字I/O卡的應(yīng)用，介紹一種大容量、高速、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。并根據(jù)自己的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，指出實(shí)現(xiàn)過(guò)程中應(yīng)該注意的一些問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:高速、實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、PCI-7300A_RevB

1、引言

隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)處理中非常重要的環(huán)節(jié)，將決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。它廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，通信，遙測(cè)遙感等領(lǐng)域。它己經(jīng)成為人們獲得外界信息的重要手段?；诳偩€的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，由于可靠且易于實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率很高時(shí)，保持高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程的可靠性、實(shí)時(shí)性將會(huì)成為一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。為此一些廠商提供了雙總線技術(shù)、64位/66MHzPCI總線系統(tǒng)來(lái)解決這問(wèn)題。但這些技術(shù)較為昂貴，且忽略了現(xiàn)有的硬件設(shè)備。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)與探索，我們選用ADLINK公司的PCI-7300A_RevB超高速數(shù)字I/O卡，利用現(xiàn)有的單（32位/33MHz）PCI總線的計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)構(gòu)成低成本的硬件平臺(tái)，并利用自己開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了高速（45Mbytes/sec）持續(xù)的數(shù)據(jù)采集于存儲(chǔ)。

2、硬件組成及注意事項(xiàng)

為了利用現(xiàn)有的硬件設(shè)備，降低成本；我們采用ADLINK公司出品的PCI-7300A_RevB超高速數(shù)字I/O卡作為數(shù)據(jù)采集部分。該卡的主要特性如下：

32位數(shù)字I/O通道

32位PCI總線

通過(guò)觸發(fā)信號(hào)控制數(shù)據(jù)采集操作的開(kāi)始。

100針SCSI型連接器

分散/聚攏方式的DMA

最高傳輸速率80Mbytes/sec

要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使用的一般的硬盤(pán)是不行的。所以我們選用希捷公司出品的型號(hào)為ST3146707LC的SCSI硬盤(pán)，該硬盤(pán)的容量是146GB，能滿(mǎn)足記錄大量數(shù)據(jù)的需要，其轉(zhuǎn)速為10Krpm。相應(yīng)的SCSI硬盤(pán)控制器，選用Adaptec公司出品的型號(hào)為Adaptec19160的Ultra160-SCSI硬盤(pán)控制器.

在搭建硬件平臺(tái)的過(guò)程中有些問(wèn)題是必須注意的，否則系統(tǒng)不能正常工作。首先，PCI-7300A_RevB卡雖然采用分散/聚攏方式的DMA，但它對(duì)CPU資源的占用率是非常高的。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，要保證整個(gè)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)正常工作，只能使用奔四1.7G以上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其次，Windows系統(tǒng)允許多個(gè)設(shè)備共享一個(gè)中斷請(qǐng)求號(hào)(IRQ)。為了保證存儲(chǔ)過(guò)程的實(shí)時(shí)性，必須確保SCSI硬盤(pán)控制器和PCI-7300A_RevB卡使用不同的IRQ?？梢栽谥靼錌IOS里把Pnp(即插即用) /PCI設(shè)備的IRQ進(jìn)行手動(dòng)配置。最后Windows 2000 Service Pack 2 (SP2) 及早期版本不支持大于137GB容量的硬盤(pán)。須要先安裝Service Pack 3，再在注冊(cè)表（HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesAtapiParameters）里添加一個(gè)REG_DWORD類(lèi)型的參數(shù)EnableBigLba，并把值設(shè)成0x1。這樣146GB的硬盤(pán)才能工作正常。

3、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)直接決定硬件是否能正常工作，以及能否充分發(fā)揮硬件的性能。

3．1PCIS-DASK及雙緩沖區(qū)模式的工作原理

PCIS-DASK是ADLINK公司為自己的產(chǎn)品提供的驅(qū)動(dòng)程序包，提供了專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的連續(xù)多緩沖區(qū)操作的一組API函數(shù)。通過(guò)這組API函數(shù)，我們可以按照雙緩沖區(qū)的原理，非常方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、高速、連續(xù)的采集與存儲(chǔ)。

雙緩沖區(qū)模式，在工程上稱(chēng)為“乒乓” 緩沖區(qū)模式。跟常用的單緩沖區(qū)模式相比雙緩沖區(qū)模式的優(yōu)點(diǎn)是，它可以使用較小容量的內(nèi)存，不間斷地緩沖幾乎無(wú)限量的數(shù)據(jù)（輸入與輸出端需協(xié)同工作）。這種緩沖區(qū)模式的工作原理是：在內(nèi)存里開(kāi)辟兩塊容量相等的緩沖區(qū)（以下將分別它們稱(chēng)為第一緩沖區(qū)和第二緩沖區(qū)）作為連續(xù)數(shù)據(jù)輸入的緩沖區(qū)。工作開(kāi)始時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡首先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入第一緩沖區(qū)中，在數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)始把數(shù)據(jù)寫(xiě)入第二緩沖區(qū)的同時(shí)，用戶(hù)程序可以根據(jù)自身需要取出第一緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)做特定的處理。當(dāng)?shù)诙彌_區(qū)被寫(xiě)滿(mǎn)后，數(shù)據(jù)采集卡回到第一緩沖區(qū)的起始處，以覆蓋舊數(shù)據(jù)的方式，把新數(shù)據(jù)寫(xiě)入第一緩沖區(qū)中；與此同時(shí)用戶(hù)程序取出第二緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。整個(gè)數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程可以如此不斷地循環(huán)進(jìn)行下去。

3．2板卡驅(qū)動(dòng)設(shè)置及注意的問(wèn)題

對(duì)板卡驅(qū)動(dòng)的深刻理解是編寫(xiě)好數(shù)據(jù)采集于存儲(chǔ)程序的前提。在連續(xù)數(shù)據(jù)輸入模式下，板卡驅(qū)動(dòng)程序需要在系統(tǒng)內(nèi)存里開(kāi)辟一塊緩沖區(qū)做為二級(jí)緩存，用戶(hù)可以設(shè)置該緩沖區(qū)的大小 。方法是：從菜單開(kāi)始/程序/PCI-DASK/NuDAQ PCI configuration Utility 打開(kāi)DASK2000 Device Driver Configuration對(duì)話(huà)框，從Card Type組合框中選擇Pci7300A_RevB項(xiàng),在DI欄輸入你想要開(kāi)辟的緩沖區(qū)容量，點(diǎn)擊OK按鈕完成設(shè)置。需要注意的是板卡驅(qū)動(dòng)設(shè)置的緩沖區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)）容量與用戶(hù)程序開(kāi)辟的緩沖區(qū)（用戶(hù)緩沖區(qū)）容量存在著一定關(guān)系。經(jīng)過(guò)我們多次實(shí)驗(yàn)，得出驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)容量大約是用戶(hù)緩沖區(qū)的3倍；因此，當(dāng)驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)過(guò)小，而用戶(hù)緩沖區(qū)較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

3．3 VisualC++開(kāi)發(fā)環(huán)境的設(shè)置

為了使用PCIS-DASK提供的實(shí)現(xiàn)連續(xù)多緩沖區(qū)操作的API函數(shù)，以及初始化板卡、設(shè)置板卡工作方式的API函數(shù)；需要VisualC++連接PCI-DASK提供的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（Pci-dask.lib）.具體方法是：打開(kāi)工程，從菜單Project/Setting…打開(kāi)Project Setting對(duì)話(huà)框，切換到Link選項(xiàng)卡，在Object/library modules攔中添加Pci-dask.lib，點(diǎn)擊OK按鈕完成設(shè)置。最后在工程中加入頭文件Dask.h.。

3．4多線程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)

在要求高速、實(shí)時(shí)和連續(xù)采集和存儲(chǔ)的情況下，一方面要求系統(tǒng)不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)還要進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)，否則將會(huì)丟失數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)不完整。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谲浖?shí)現(xiàn)中，引入了Windows的多任務(wù)處理技術(shù)（multitasking）。在程序里創(chuàng)建兩個(gè)工作線程分別完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。緩沖方式采用上面所說(shuō)雙緩沖區(qū)模式，當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程（SampleThreadProc）把采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入第一緩沖區(qū)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程（StorageThreadProc）把第二緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存入SCSI硬盤(pán)；當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程把數(shù)據(jù)寫(xiě)入第二緩沖區(qū)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程把第一緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存入SCSI硬盤(pán)；如此循環(huán)。另外通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試Adaptec19160 Ultra160-SCSI硬盤(pán)控制器，配合希捷公司出品的ST3146707LC SCSI硬盤(pán)，持續(xù)寫(xiě)入速率能達(dá)到80Mbytes/sec。遠(yuǎn)大于45 Mbytes/sec的采集速率。所以當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程寫(xiě)滿(mǎn)其中一個(gè)緩沖區(qū)之前，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程已經(jīng)把另一個(gè)緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入SCSI硬盤(pán)。所以這種方法能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、完整性和連續(xù)性。其程序流程圖如圖1。

3．5軟件實(shí)現(xiàn)

由于篇幅所限，下面僅給出程序中核心的代碼。

BOOLEAN BufferID=0;//緩沖區(qū)的ID；1第一緩沖區(qū)，0：第二緩沖區(qū)。

BOOLEAN Stop=0；//停止數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，1：停止，0：繼續(xù)。

U32 Buffer1 [data_size], Buffer2 [data_size];

//開(kāi)辟塊緩沖區(qū)。

FILE *fp；//存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的目錄。

UINT SampleThreadProc (LPVOID pParam)

{BOOLEAN HalfReady=0;//緩沖被寫(xiě)滿(mǎn)標(biāo)志

do {HalfReady=0;

do(DI_AsyncMultiBufferNextReady(card,HalfReady,viewidx))://等待驅(qū)動(dòng)程序報(bào)告緩
//有沖區(qū)被寫(xiě)滿(mǎn)。

}while(!HalfReady);//如果HalfReady!=0，

//明有緩沖區(qū)被寫(xiě)滿(mǎn)。

BufferID = ! BufferID;

AfxBeginThread(StorageThreadProc,NULL);

//啟動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程