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　　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。基于總線的數(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，該硬盤的容量是146GB,能滿足記錄大量數(shù)據(jù)的需要，其轉(zhuǎn)速為10Krpm。相應(yīng)的SCSI硬盤控制器，選用Adaptec公司出品的型號(hào)為Adaptec19160的Ultra160-SCSI硬盤控制器。

　　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硬盤控制器和PCI-7300A_RevB卡使用不同的IRQ。可以在主板BIOS里把Pnp(即插即用)/PCI設(shè)備的IRQ進(jìn)行手動(dòng)配置。最后Windows2000ServicePack2(SP2)及早期版本不支持大于137GB容量的硬盤。須要先安裝ServicePack3,再在注冊(cè)表(HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesAtapiParameters)里添加一個(gè)REG_DWORD類型的參數(shù)EnableBigLba,并把值設(shè)成0x1。這樣146GB的硬盤才能工作正常。

　　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。

　　3.1 PCIS-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，提供了專門用于實(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)存里開辟兩塊容量相等的緩沖區(qū)(以下將分別它們稱為第一緩沖區(qū)和第二緩沖區(qū))作為連續(xù)數(shù)據(jù)輸入的緩沖區(qū)。工作開始時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡首先將數(shù)據(jù)寫入第一緩沖區(qū)中，在數(shù)據(jù)采集卡開始把數(shù)據(jù)寫入第二緩沖區(qū)的同時(shí)，用戶程序可以根據(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)被寫滿后，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)寫入第一緩沖區(qū)中;與此同時(shí)用戶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)存里開辟一塊緩沖區(qū)做為二級(jí)緩存，用戶可以設(shè)置該緩沖區(qū)的大小。方法是：從菜單開始/程序/PCI-DASK/NuDAQPCIconfigurationUtility打開DASK2000DeviceDriverConfiguration對(duì)話框，從CardType組合框中選擇Pci7300A_RevB項(xiàng)，在DI欄輸入你想要開辟的緩沖區(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)稱驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū))容量與用戶程序開辟的緩沖區(qū)(用戶緩沖區(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，而用戶緩沖區(qū)較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　過(guò)小，而用戶緩沖區(qū)較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　3.3 VisualC++開發(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：打開工程，從菜單Project/Setting…打開ProjectSetting對(duì)話框，切換到Link選項(xiàng)卡，在Object/librarymodules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;當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程把數(shù)據(jù)寫入第二緩沖區(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;如此循環(huán)。另外通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試Adaptec19160Ultra160-SCSI硬盤控制器，配合希捷公司出品的ST3146707LCSCSI硬盤，持續(xù)寫入速率能達(dá)到80Mbytes/sec。遠(yuǎn)大于45Mbytes/sec的采集速率。所以當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程寫滿其中一個(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。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。

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　　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：

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　　4 性能評(píng)估

　　為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的性能，我們對(duì)其所能達(dá)到的采集和存儲(chǔ)速率、以及數(shù)據(jù)正確率進(jìn)行了測(cè)試和分析。

　　在測(cè)試中我們使用了自己設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源，它能以任意速率發(fā)送32位的線性數(shù)字信號(hào)。另外編寫了一個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)程序，可給出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的正確率和顯示數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的地方。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，得到結(jié)果是：數(shù)據(jù)源發(fā)送速率為45Mbytes/sec時(shí)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能達(dá)到100%的正確率。當(dāng)數(shù)據(jù)源發(fā)送速率為50Mbytes/sec時(shí)，數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤。

　　經(jīng)分析原因出在數(shù)據(jù)采集過(guò)程，當(dāng)有很多位發(fā)生進(jìn)位時(shí)(如FFFFFFFF→00000000)采集卡不能正確地采樣數(shù)據(jù)。實(shí)際上經(jīng)過(guò)特殊處理后，這樣的數(shù)據(jù)還是可以使用的。

　　計(jì)算機(jī)32位/33MHzPCI總線帶寬典型的輸出數(shù)據(jù)吞吐量為100Mbytes/sec,輸入數(shù)據(jù)吞吐量為120Mbytes/sec,而系統(tǒng)中其他的PCI設(shè)備也需要占用一定的帶寬，并且數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)過(guò)程都要占用PCI總線帶寬;因此，45Mbytes/sec(100%正確率)的采集和存儲(chǔ)速率已經(jīng)接近系統(tǒng)和硬件的極限。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的實(shí)現(xiàn)方法易于實(shí)現(xiàn)，且充分挖掘了硬件的性能，可滿足對(duì)數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)存儲(chǔ)速率要求較高(≤45Mbytes/sec)的應(yīng)用。由于使用的硬件平臺(tái)是普通的奔四級(jí)PC機(jī)，所以開發(fā)成本較低。另外文中對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題作了詳細(xì)說(shuō)明并給出核心編程部分，使讀者很容易在較短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出滿足自己需要的系統(tǒng)。