一种实时数据采集与存储系统的实现方法

　　1  引言

　　随着信息科学的飞速发展，数据采集和存储技术已经是数字信号处理中非常重要的环节，将决定整个系统的性能。它广泛应用于雷达，通信，遥测遥感等领域。它己经成为人们获得外界信息的重要手段。基于总线的数据采集与存储系统，由于可靠且易于实现、经济等优点，得到了广泛的应用。但当数据传输率很高时，保持高速数据存储过程的可靠性、实时性将会成为一个比较棘手的问题。为此一些厂商提供了双总线技术、64位/66MHzPCI总线系统来解决这问题。但这些技术较为昂贵，且忽略了现有的硬件设备。经过实验与探索，我们选用ADLINK公司的PCI-7300A_RevB超高速数字I/O卡，利用现有的单（32位/33MHz）PCI总线的计算机系统构成低成本的硬件平台，并利用自己开发的软件系统，终实现了高速（45Mbytes/sec）持续的数据采集于存储。

　　2  硬件组成及注意事项

　　为了利用现有的硬件设备，降低成本；我们采用ADLINK公司出品的PCI-7300A_RevB超高速数字I/O卡作为数据采集部分。该卡的主要特性如下：

　　·32位数字I/O通道

　　·32位PCI总线

　　·通过触发信号控制数据采集操作的开始。

　　·100针SCSI型连接器

　　·分散/聚拢方式的DMA

　　·传输速率80Mbytes/sec

　　要实现实时高速的数据存储，使用的一般的硬盘是不行的。所以我们选用希捷公司出品的型号为ST3146707LC的SCSI硬盘，该硬盘的容量是146GB,能满足记录大量数据的需要，其转速为10Krpm。相应的SCSI硬盘控制器，选用Adaptec公司出品的型号为Adaptec19160的Ultra160-SCSI硬盘控制器。

　　在搭建硬件平台的过程中有些问题是必须注意的，否则系统不能正常工作。首先，PCI-7300A_RevB卡虽然采用分散/聚拢方式的DMA,但它对CPU资源的占用率是非常高的。经过实验证明，要保证整个数据采集与存储系统正常工作，只能使用奔四1.7G以上的计算机系统。其次，Windows系统允许多个设备共享一个中断请求号（IRQ）。为了保证存储过程的实时性，必须确保SCSI硬盘控制器和PCI-7300A_RevB卡使用不同的IRQ。可以在主板BIOS里把Pnp（即插即用）/PCI设备的IRQ进行手动配置。Windows2000ServicePack2（SP2）及早期版本不支持大于137GB容量的硬盘。须要先安装ServicePack3,再在注册表（HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Atapi\Parameters）里添加一个REG_DWORD类型的参数EnableBigLba,并把值设成0x1。这样146GB的硬盘才能工作正常。

　　3  软件设计

　　软件设计直接决定硬件是否能正常工作，以及能否充分发挥硬件的性能。

　　3.1 PCIS-DASK及双缓冲区模式的工作原理

　　PCIS-DASK是ADLINK公司为自己的产品提供的驱动程序包，提供了专门用于实现高速数据采集的连续多缓冲区操作的一组API函数。通过这组API函数，我们可以按照双缓冲区的原理，非常方便地实现对数据的实时、高速、连续的采集与存储。

　　双缓冲区模式，在工程上称为“乒乓”缓冲区模式。跟常用的单缓冲区模式相比双缓冲区模式的优点是，它可以使用较小容量的内存，不间断地缓冲几乎无限量的数据（输入与输出端需协同工作）。这种缓冲区模式的工作原理是：在内存里开辟两块容量相等的缓冲区（以下将分别它们称为缓冲区和第二缓冲区）作为连续数据输入的缓冲区。工作开始时，数据采集卡首先将数据写入缓冲区中，在数据采集卡开始把数据写入第二缓冲区的同时，用户程序可以根据自身需要取出缓冲区中的数据做特定的处理。当第二缓冲区被写满后，数据采集卡回到缓冲区的起始处，以覆盖旧数据的方式，把新数据写入缓冲区中；与此同时用户程序取出第二缓冲区中的数据。整个数据采集处理过程可以如此不断地循环进行下去。

　　3.2 板卡驱动设置及注意的问题

　　对板卡驱动的深刻理解是编写好数据采集于存储程序的前提。在连续数据输入模式下，板卡驱动程序需要在系统内存里开辟一块缓冲区做为二级缓存，用户可以设置该缓冲区的大小。方法是：从菜单开始/程序/PCI-DASK/NuDAQPCIconfigurationUtility打开DASK2000DeviceDriverConfiguration对话框，从CardType组合框中选择Pci7300A_RevB项，在DI栏输入你想要开辟的缓冲区容量，点击OK按钮完成设置。需要注意的是板卡驱动设置的缓冲区（简称驱动缓冲区）容量与用户程序开辟的缓冲区（用户缓冲区）容量存在着一定关系。经过我们多次实验，得出驱动缓冲区容量大约是用户缓冲区的3倍；因此，当驱动缓冲区过小，而用户缓冲区较大时，会出现错误。

　　过小，而用户缓冲区较大时，会出现错误。

　　3.3 VisualC++开发环境的设置

　　为了使用PCIS-DASK提供的实现连续多缓冲区操作的API函数，以及初始化板卡、设置板卡工作方式的API函数；需要VisualC++连接PCI-DASK提供的动态连接库（Pci-dask.lib）。具体方法是：打开工程，从菜单Project/Setting…打开ProjectSetting对话框，切换到Link选项卡，在Object/librarymodules拦中添加Pci-dask.lib,点击OK按钮完成设置。在工程中加入头文件Dask.h.。

　　3.4 多线程的实时数据存储软件设计

　　在要求高速、实时和连续采集和存储的情况下，一方面要求系统不间断地进行数据采集，同时还要进行数据实时地存储，否则将会丢失数据，造成数据不完整。为了解决这个问题，我们在软件实现中，引入了Windows的多任务处理技术（multitasking）。在程序里创建两个工作线程分别完成数据采集和数据存储工作。缓冲方式采用上面所说双缓冲区模式，当数据采集线程（SampleThreadProc）把采集到的数据写入缓冲区时，数据存储线程（StorageThreadProc）把第二缓冲区的数据存入SCSI硬盘；当数据采集线程把数据写入第二缓冲区时，数据存储线程把缓冲区的数据存入SCSI硬盘；如此循环。另外通过实际实验测试Adaptec19160Ultra160-SCSI硬盘控制器，配合希捷公司出品的ST3146707LCSCSI硬盘，持续写入速率能达到80Mbytes/sec。远大于45Mbytes/sec的采集速率。所以当数据采集线程写满其中一个缓冲区之前，数据存储线程已经把另一个缓冲区里的数据存储入SCSI硬盘。所以这种方法能保证数据的实时性、完整性和连续性。其程序流程图如图1。

　　3.5 软件实现

　　由于篇幅所限，下面仅给出程序中的代码：

　　4  性能评估

　　为了验证该系统的性能，我们对其所能达到的采集和存储速率、以及数据正确率进行了测试和分析。

　　在测试中我们使用了自己设计的数据源，它能以任意速率发送32位的线性数字信号。另外编写了一个数据检测程序，可给出存储的数据的正确率和显示数据错误的地方。经过长时间的测试，得到结果是：数据源发送速率为45Mbytes/sec时，存储的数据能达到100%的正确率。当数据源发送速率为50Mbytes/sec时，数据有错误。

　　经分析原因出在数据采集过程，当有很多位发生进位时（如FFFFFFFF→00000000）采集卡不能正确地采样数据。实际上经过特殊处理后，这样的数据还是可以使用的。

　　计算机32位/33MHzPCI总线带宽典型的输出数据吞吐量为100Mbytes/sec,输入数据吞吐量为120Mbytes/sec,而系统中其他的PCI设备也需要占用一定的带宽，并且数据采集和存储过程都要占用PCI总线带宽；因此，45Mbytes/sec（100%正确率）的采集和存储速率已经接近系统和硬件的极限。

　　5  结语

　　本文介绍的实现方法易于实现，且充分挖掘了硬件的性能，可满足对数据采集与实时存储速率要求较高（≤45Mbytes/sec）的应用。由于使用的硬件平台是普通的奔四级PC机，所以开发成本较低。另外文中对实现过程中应注意的问题作了详细说明并给出编程部分，使读者很容易在较短时间内开发出满足自己需要的系统。