作者：劉潔群，何楓，吳毅，侯再紅

1 引言

探測(cè)器陣列（Detector Arrays）測(cè)量系統(tǒng)中，為了精確測(cè)量一些光強(qiáng)信號(hào)，通常需要對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行高速、高分辨率采樣，并要求采集圖像實(shí)時(shí)顯示。從硬件要求來(lái)看，采用 的A/D 器件速率在800 MHz 以上，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)也正在不 斷完善和提高，存儲(chǔ)容量越來(lái)越大，在市場(chǎng)上已出現(xiàn)容量達(dá)1T byte 左右的硬盤。已有的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多數(shù)采用基于PCI 總線的結(jié)構(gòu)，但在對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求很高的情況下， 基于PCI 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性不能滿足要求。保證數(shù)據(jù)的可靠性與完整性的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸與實(shí)時(shí)顯示成為設(shè)計(jì)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

目前對(duì)數(shù)據(jù)采集的研究較多，但對(duì)高速數(shù)據(jù)采集的算法相對(duì)較少，也有一些對(duì)高速、高 分辨率數(shù)據(jù)采集的算法，但這些算法大多采取數(shù)據(jù)壓縮法，一般很難保證數(shù)據(jù)的完整性。 為此，本文在算法設(shè)計(jì)中提出了一種既能保證數(shù)據(jù)完整性與可靠性，又能實(shí)現(xiàn)高速大批量數(shù) 據(jù)的實(shí)時(shí)采集算法，從而解決此問(wèn)題。

2 系統(tǒng)描述

在激光大氣傳輸實(shí)驗(yàn)中，光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)由多傳感器探測(cè)陣列構(gòu)成。傳感器探測(cè)陣列共有1024 個(gè)探測(cè)單元。對(duì)于每個(gè)模塊，信號(hào)通過(guò)模擬開關(guān)送入數(shù)據(jù)采集卡，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 在激光大氣傳輸實(shí)驗(yàn)中，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性要求極高。對(duì)數(shù)據(jù)采集軟件的性能及 指標(biāo)要求是：保證100Hz 幀頻下，數(shù)據(jù)采集不丟幀，圖像完整，無(wú)亂碼。

從技術(shù)角度看，目前PCI 總線最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)133MB/s ，相對(duì)較高，但基于PCI 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性不能滿足要求，且100Hz 幀頻在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中已不 算高。為此，實(shí)驗(yàn)中采用一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線——PC104 總線。此 總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104 總線模塊之間總線的連接是通過(guò)上層的針和下層 的孔相互咬和相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。此總線雖滿足了可靠性的要求，然而它 的傳輸速率相對(duì)于PCI 總線卻大打折扣，造成PC104 總線與PC 機(jī)之間的傳輸速率受到限制。

3 數(shù)據(jù)采集算法設(shè)計(jì)

針對(duì)以上情況，本著在實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集具有實(shí)時(shí)性和不可重復(fù)性，如果出現(xiàn)暫時(shí)性溢出， 應(yīng)優(yōu)先保證數(shù)據(jù)的整體完整性的原則。

本數(shù)據(jù)采集軟件在設(shè)計(jì)中提出了緩沖區(qū)半滿存儲(chǔ)算法。此算法和現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的 緩沖區(qū)算法、數(shù)據(jù)壓縮算法相比，其最大優(yōu)勢(shì)在于采到的數(shù)據(jù)不易丟失，更能保證數(shù)據(jù)的完 整性，且大大提高了PC104 總線與PC 機(jī)之間的傳輸速率。

同時(shí)軟件設(shè)計(jì)中使用實(shí)時(shí)多任務(wù)控制方式，并將采集到的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式直接保存 進(jìn)文件。這就不僅達(dá)到存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)傳輸效率高的目的，而且滿足了圖像實(shí)時(shí)傳送的要求。

3.1 緩沖區(qū)半滿存儲(chǔ)算法

所謂緩沖區(qū)半滿存儲(chǔ)算法，就是在數(shù)據(jù)采集進(jìn)程中，設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)HFIFO 緩沖區(qū)指針。 緩沖區(qū)大小設(shè)置為8192 個(gè)字節(jié)。當(dāng)PC104 總線上出現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)，總線板中首先將接收到的數(shù) 據(jù)幀放入HFIFO 緩沖區(qū)。當(dāng)HFIFO 達(dá)到半滿時(shí)，就讀出低位的4096 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，讀出 數(shù)據(jù)的同時(shí)，為HFIFO 騰出了空間，而總線板中接收到的數(shù)據(jù)幀繼續(xù)放入HFIFO 緩沖區(qū)。 具體操作如下：

首先，將緩沖區(qū)分為以下 5 種狀態(tài)：

狀態(tài) 0 表HFIFO 空

狀態(tài)1 表HFIFO 非空但不到半滿

狀態(tài)2 表HFIFO 達(dá)到或超過(guò)半滿，但未到全滿

狀態(tài)3 表HFIFO 全滿

狀態(tài)4 其他數(shù)值 表未知狀態(tài)，不應(yīng)該出現(xiàn)

其次，對(duì)HFIFO 的狀態(tài)進(jìn)行判斷：

a．當(dāng)數(shù)據(jù)未達(dá)到緩沖區(qū)大小的一半時(shí)（即狀態(tài)0 或狀態(tài)1）：此時(shí)返回，進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集。

b．當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到或超過(guò)緩沖區(qū)大小的一半但未到全滿（即狀態(tài)2）：進(jìn)程將先判斷一下 HFIFO 狀態(tài)，若為半滿，就一次讀出所有的4096 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)；若超過(guò)半滿，但未全滿， 此時(shí)只將低位4096 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)讀出，原高位的數(shù)據(jù)前移，占據(jù)HFIFO 低位。再將讀出的 所有數(shù)據(jù)直接保存到二進(jìn)制文件中。

這里特別提出：由于多傳感器探測(cè)系統(tǒng)采集時(shí)間較長(zhǎng)或不受時(shí)間限制，軟件設(shè)計(jì)中將采 集到的數(shù)據(jù)直接保存進(jìn)文件，這就在存儲(chǔ)工程中節(jié)省了大量的時(shí)間。另外，數(shù)據(jù)保存在二進(jìn) 制文件中，能實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)顯示。

c．當(dāng)HFIFO 全滿（即狀態(tài)3）：此時(shí)數(shù)據(jù)采集進(jìn)程只要讀空HFIFO 或達(dá)到用戶指定的 個(gè)數(shù)就可返回。讀數(shù)時(shí)分兩批，先將低位的4096 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)讀出，保存到二進(jìn)制文件中；再將高位的數(shù)據(jù)全部讀出，即讀空HFIFO，緊接著前面的數(shù)據(jù)寫入文件中。

分兩批讀數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于以下兩方面：1）縮短了一次讀數(shù)的時(shí)間；2）低字節(jié)的數(shù)據(jù)讀完 后，為HFIFO 騰出了空間，以便總線板中接收到的數(shù)據(jù)幀繼續(xù)放入HFIFO 緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)不 易丟失，保證了數(shù)據(jù)的完整性。

d．其他數(shù)值：表未知狀態(tài)，不應(yīng)該出現(xiàn)。在此不再詳述。

3.2 多線程控制

由于測(cè)試系統(tǒng)是由多個(gè)探測(cè)模塊構(gòu)成傳感器探測(cè)陣列。要對(duì)多路參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制， 為了降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)傳送，滿足采集過(guò)程的高速要求和中斷要求。還 要保證幀頻達(dá)到或超過(guò)100Hz，需要數(shù)據(jù)采集控制軟件具有多任務(wù)并行的能力，即設(shè)計(jì)多個(gè) 線程，并且由于完成的任務(wù)不同，各線程的設(shè)計(jì)也不盡相同。軟件共設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集線 程、控制線程、繪圖線程，程序運(yùn)行中最多時(shí)會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)線程并行運(yùn)行的可能。為保證大量 數(shù)據(jù)的完整性以及糾錯(cuò)恢復(fù)功能，數(shù)據(jù)采集線程優(yōu)先級(jí)高于控制線程。軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

如圖 1 所示，HFIFO 緩沖區(qū)在狀態(tài)2 時(shí)進(jìn)入繪圖線程1。

繪圖線程 1：在繪圖時(shí)要求先判斷一下HFIFO 狀態(tài)，若為半滿，就讀前4 幀即低位的 4096 個(gè)像素，然后立刻返回，進(jìn)行繪圖，繪圖時(shí)只繪出第一幀，最后保存數(shù)據(jù)。 HFIFO 緩沖區(qū)在狀態(tài)3 時(shí)進(jìn)入繪圖線程2。

繪圖線程 2：讀分兩次讀滿8 幀即8192 個(gè)像素，然后立刻返回，進(jìn)行繪圖，繪圖時(shí)也 只繪出第一幀，最后保存數(shù)據(jù)。繪圖線程如圖2 所示。

4 數(shù)據(jù)采集算法實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用 Micro 公司的Microsoft Visual C# 2005，該平臺(tái)具有界面友好、功 能強(qiáng)大、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，完全面向?qū)ο蟮?a target="_blank">編程和消息處理。在典型的Microsoft Visual C# 2005 多線程程序中，使用主線程創(chuàng)建、顯示并運(yùn)行用戶界面，在次線程中運(yùn)行其它的對(duì)時(shí) 間要求很高的操作（如DAQ）。Microsoft Visual C# 2005 平臺(tái)提供了兩種在 Windows 的次線 程中運(yùn)行代碼的高級(jí)機(jī)制，分別是線程池（thread pools）和異步定時(shí)器（asynchronous timers）。

線程池適用于需要連續(xù)地執(zhí)行多次或在循環(huán)中執(zhí)行的任務(wù)，而異步定時(shí)器適用于在固定 時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行的任務(wù)。由于試驗(yàn)中參數(shù)的采集和總線數(shù)據(jù)的收發(fā)是首要的任務(wù)，需要連續(xù) 地執(zhí)行。因此，編程時(shí)采用線程池技術(shù)，在程序的主線程（數(shù)據(jù)采集線程）中創(chuàng)建線程池，控制線程、繪圖線程都在線程池創(chuàng)建的次線程中運(yùn)行。

具體程序中設(shè)置了數(shù)據(jù)采集線程函數(shù) DataThread（），獲得狀態(tài)函數(shù)GetHFifoStatus（）。在獲 取HFIFO 狀態(tài)中，用了4 個(gè)“Case： break;”語(yǔ)句來(lái)判斷狀態(tài)，從而進(jìn)行循環(huán)。 當(dāng)進(jìn)入狀態(tài) 2 和3 時(shí)，事件返回后便進(jìn)入繪圖線程，軟件只設(shè)置GatherData（）為繪圖線 程函數(shù)。線程空閑時(shí)則進(jìn)行圖象的播放，數(shù)據(jù)優(yōu)先保存，SaveData（）為數(shù)據(jù)保存函數(shù)。

SaveData（）函數(shù)中將采集到的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式直接保存到路徑為：e.FileName 的文件中。 程序設(shè)計(jì)時(shí)采用直接指針方式，提高了傳輸數(shù)據(jù)的效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本軟件采用 Microsoft Visual C# 2005 開發(fā)平臺(tái)，具有友好的用戶界面，操作簡(jiǎn)單方便， 易于維護(hù)。該算法編程簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、易于硬件實(shí)現(xiàn)，而且穩(wěn)定性高；在使用過(guò)程中體現(xiàn) 了極強(qiáng)的實(shí)用性，滿足了探測(cè)器陣列信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的要求。

實(shí)驗(yàn)證明：程序終端的顯示窗口能實(shí)時(shí)顯示采集到的激光光斑信息，能自動(dòng)將其實(shí)時(shí)存 儲(chǔ)到特定的文件夾內(nèi)；并能隨時(shí)回放上一次采集到的光信號(hào)的圖像信息。如圖3 所示： 實(shí)驗(yàn)中，本軟件采集精度超過(guò) 50KHz，保證了所采數(shù)據(jù)的完整性與安全性，同時(shí)也驗(yàn)證了 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無(wú)誤傳輸及傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與高效性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：開創(chuàng)性的提出了緩沖區(qū)半滿存儲(chǔ)算法。將其與實(shí)時(shí)多任務(wù)控制方式相結(jié)合， 解決了實(shí)驗(yàn)中總線與計(jì)算機(jī)之間高速傳輸?shù)拿埽箶?shù)據(jù)采集具有可靠性、完整性、實(shí)時(shí)性 與高效性。

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