维普资讯 http://www.cqvip.com 蓦孽 嚣 ２００Ｂ年ｇ月 第己７卷第ｇ期 网络化数据采集 与处理系 统设计 刘明波侯孝民 （装备指挥技术学院 北京 １Ｏ１４１６） 摘要：介绍了一种基于Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ技术构建的网络化数据采集与处理系统的设计思路，以及利用Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ建立 该系统的方法。该方法采用ｃ／ｓ模式，把分散的计算机通过网络连接在一起，采用彼此既又协作的工作方式，完成对高 速采样数据的读入和处理，提高了系统工作效率，同时也为利用软件实现高速数据的实时处理提供了一条思路。 关键词：计算机网络；数据采集；数据处理；Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ；ｄａｔａ ｓｏｃｋｅｔ 中图分类号：ＴＭ９３５．３７；ＴＰ３１１．１１ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｎｅｔ Ｌｉｕ Ｍｉｎｇｂｏ Ｈｏｕ Ｘｉａｏｍｉｎ （Ｔｈｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｍａｎｄ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１４１６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｎｅｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄａｔａ ｓｏｃｋｅｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ．Ｗｉｔｈ ｃ／ｓ ｍｏｄｅ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｎｅｃｔｓ ｔｈｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｅｔ ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ．Ｉｔ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ａｉｍ ｏｆ ｒｅａｄｉｎｇ ｉｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄａｔａ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｆｆｉ— ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ａｌｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｕｓｅｆｕｌ ｉｄｅａ ａｂｏｕｔ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ；ｄａｔａ ｓｏｃｋｅｔ ０引 言 超高速数据采集系统的出现，对后续数据处理的速 度和效率提出了很高的要求，目前存在的用软件实现的 （１）硬件：主要完成对输入信号的采样和传输，包括数 据采集设备、具有网络传输功能的计算机（服务端和客户 端），网络设备等，其硬件系统模型如图１所示。 数据实时处理系统基本上都是基于中低速采样率的，很 难做到高速实时处理。随着计算机网络技术、总线技术 和数据库技术的不断发展，加速了虚拟仪器在网络及远 程计算技术方面的发展。虚拟仪器技术借助互联网的强 大功能，将来自测量或控制设备中的数据直接发布到服 务端数据源上，把分散在不同位置的不同设备联系起来 组成一个测试系统，使资源得以共享，进行数据采集、处 理与实时显示等任务的多机联合处理，大幅度提高了数 据采集与处理系统的工作效率，降低对单机设备的性能 要求［ 。 图１ 网络化数据采集与处理系统模型 ｌ 系统组成 网络化数据采集与处理系统主要由硬件与软件两部 分组成。 （２）软件：Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ ＣＶＩ环境下构建的基于Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ技术的网络化数据采集与处理应用软件，包括服务 端软件和客户端软件两种。 作者简介：刘明波（１９８４），男，在读硕士，研究方向为高速数字信号处理与应用。 ６８一一 中国科技核心期刊 维普资讯 http://www.cqvip.com ２ＤＤ８年９月 豳 第２７卷第ｇ期 ２数据采集设备 数据的高速采集是进行后续数据传输和处理的基础。 将采集得到的数据通过高速总线存储到外部存储单元中， 二是完成ＰＣ对整个采集系统的控制。目前可以选用的 接口较多，串行的有串口、ＵＳＢ等，并行的有ＰＣＩ、ＩＳＡ等， 对于高速系统一般采用并行模式，ＩＳＡ总线传输速度每秒 只有数兆，ＰＣＩ总线接口是较好的选择。 本文重点介绍数据采集设备的组成和工作原理。 一个典型的数据采集设备框图如图２所示： ３网络化设计 组建网络化系统主要有两种模式：ｃ／ｓ（客户／服务 器）模式和Ｂ／Ｓ（浏览器／Ｉ］Ｉ￣务器）模式ｌ２］。 （１）Ｃ／Ｓ模式是网络通信中常用的一种模型，通常集 散控制系统多采用这种结构。它一般有一个服务端设备 来采集多路数据，然后将采集到的数据通过网络交由各个 客户机并行处理。这种模式需要做两方面的开发：服务端 数据采集和网络发布程序；客户端数据处理和显示程序。 其拓扑结构如图３所示。 图２数据采集设备典型构成 从图中可看出，一个数据采集设备主要由多路模拟开 关、ＡＤＣ、数据缓存模块、基本数据处理模块、总线接口模 块及ＣＰＵ主控单元构成。 （１）多路模拟开关：完成多路数据采集时的不同通道 输入数据的切换操作，适用于低速采集设备。对于通信、 雷达等采样率很高的领域，由于开关延迟时间的影响，这 种方法并不适合，往往需要安排两个或两个以上的ＡＤＣ 转换器件，采用多通道并行工作的方式实现多路信号的 采集。 （２）高速ＡＤＣ：作为模拟量转化为数字量的核心部 客户机 客户机 图３ ｃ／ｓ模式的拓扑结构 件，起着不可替代的作用。因器件的实现方法的不同，其 工作过程会有所区别。衡量一个ＡＤ器件好坏的主要指 标有以下几个：转换灵敏度，信噪比（ＳＮＲ），有效转换位数 （Ｅ（）Ｒ），孔径误差，无杂散动态（ＳＦＤＲ），非线性误差，互调 失真，总谐波失真等参数。 （３）数据缓存模块：ＡＤＣ是在系统时钟的驱动之下工 作的，从ＡＤＣ送出的数据速率往往和后续数据处理及数 据存人存储器的速率不匹配，因此对于高速数据采集系统 而言，必须要有大容量的数据缓存模块作为数据的缓冲， 后续模块是从缓存而不是ＡＤ的输出读取采样数据。通 （２）Ｂ／Ｓ模式是为了方便用户在ｗｅｂ下发布数据。 通常，用户只需要安装１个浏览器，直接访问服务器就可 以时刻检测到采样数据的各种实时处理结果，拓扑结构如 图４所示。这种模式的数据采集和处理都是在一台客户 机上处理的，客户机只是把处理结果实时发送给服务机， 没有真正做到多机联合处理，所以，该模式并不能显著提 高数据处理速度。 常构成高速缓存的方案主要有３种：ＦＩＦＯ、双口ＲＡＭ和 ＳＲＡＭ。缓存的选取要根据实际情况而定，通常要考虑容 量、电路的复杂度、价格等因素。 （４）基本数据处理模块：根据不同系统的不同任务而 定，一般由一些可以完成高速数据处理的器件构成，比如 高性能ＦＰＧＡ或ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ，对于软件无线电平台，其 客户机 客户机 要完成的任务可能包括下变频，信号的解调及复杂基带处 理等工作。对一般的数据采集系统而言，则是一些数据的 定标、编码、解码、编帧、解帧等工作。 （５）总线接口模块：总线接口主要完成两个任务，一是 中国科技核心期刊 匮 二 图４ Ｂ／Ｓ模式的拓扑结构 ６９— 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００＠年ｇ月 第己７卷第ｇ期 ，ＤＤＥ等技术支持不同应用程序 来传输动态数据，而ＮＩ公司提供 来传输和发布动态数据的，是一 种基于ＴＣＰ／ＩＰ工业标准的网上实时高速数据交换编程 新技术，对底层进行了高度封装，在不同的应用之间传输 图５ Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ Ｓｅｒｖｅｒ通用界面 数据时，不必为不同的数据格式和通信协议编写具体的程 序代码，简化了网上测控数据的编程。所以，本设计采用 基于Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ技术、ｃ／ｓ组网模式构建网络化数据采 集与处理平台。 Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ由Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ和Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ 在Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ中一个典型的Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ方 法建立过程如下＿５。］： 服务端：打开预定连接，设置网络共享数据源，同时安 装回调函数。回调函数中Ｄａｔａ Ｕｐｄａｔｅｄ消息发生表明网 络上数据源数据发生变化，此时，服务端程序要及时的读 取数据来更新本地数据，Ｓｔａｔｕｓ Ｕｐｄａｔｅｄ消息发生表明有 Ｓｅｒｖｅｒ两部分组成。Ｄａｔａ ｏｃｋｅｔＳ ＡＰＩ是一个和协议、编程 语言、操作系统无关的应用程序接口，能够把测量数据转 化为适合在网络上传输的数据流，它包括４个基本动作： ｏｐｅｎ，ｒｅａｄ，ｗｒｉｔｅ，ｄｏｓｅ，可以从以下５个地方获取数据： （１）Ｄａｔａ ｉｔｅｍｓ ｏｎ ＨＴＴＰ ｓｅｒｖｅｒｓ； 客户端用户与本地连接的状态发生变化（连接或断开）。 客户端：连接到服务器上的共享数据源，同时安装回 调函数。回调函数功能与服务端相似。 （２）Ｄａｔａ ｉｔｅｍｓ ｏｎ ＦＴＰ ｓｅｒｖｅｒｓ； （３）Ｌｏｃａｌ ｆｉｌｅｓ； （４）Ｄａｔａ ｉｔｅｍｓ ｏｎ ＯＬＥ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ； （１）服务器程序设计在编写ＳＥＲＶＥＲ端程序时，既 要考虑到软件与采集系统硬件的通信，又要实现ｃ／ｓ模 型的服务器端的连接，运行ＳＥＲＶＥＲ程序的主控机既要 进行实时数据采集又要实时地完成数据传输的任务。本 设计中ＳＥＲＶＥＲ端的程序流程图如图６所示。 （５）Ｄａｔａ ｉｔｅｍｓ ｏｎ ＤＳＴＰ ｓｅｒｖｅｒｓ。 Ｄａｔａ ｏｃｋｅｔ通过ＵＲＬ（ＵｎｉＳｆｏｒｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｌｏｃａｔｏｒ） 来定位数据源和目标。ＵＲＬ的不同前缀表示了不同的数 据类型：ｆｉｌｅ为本地文件，ｈｔｔｐ为超文本传输协议，ｄｓｔｐ说 明来自Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ服务器的实时数据，ｆｔｐ为文件传输协 议，ｏｐｃ表示访问的资源是ＯＰＣ。以下是几个符合规定 的ＵＲＩ ： 连接到本地服务器 ｄｓｔｐ：／／ｍｙｔｅｓｔｍａｃｈｉｎｅ／ｗａｖｅｌ； ｈｔｔｐ ｆ｜ ．ｎａｔｉｎｓｔ．ｃｏｍ／ｄａｔａｓｏｃｋｅｔ； ｌ数据 ｉ侦听ｌ Ｄａｔａ ｏｃＳｋｅｔ包括了ＤＳ Ｓｅｒｖｅｒ Ｍａｎａｇｅｒ、ＤＳ Ｓｅｒｖｅｒ和 ＤＳ函数库这几个工程软件。ＤＳ Ｓｅｒｖｅｒ Ｍａｎａｇｅｒ是一个 运行的小程序，主要功能是设置ＤＳ Ｓｅｒｖｅｒ可连接的 识别申请者优先级 客户程序的最大数目和可创建的数据项的最大数目，创建 用户组和用户，设置用户创建数据项和读写数据项的权 限。ＤＳ Ｓｅｒｖｅｒ也是～个运行的小程序，可以把现场 ｌ ｛『 是否请求数据处理任务ｌ Ｎ Ｙ Ｉ 数据高速传给远端客户。用Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ Ｓｅｒｖｅｒ发布数据 需要３个部分：发布者（ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ）、服务器（Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ —一发送采集数据，进行数据共享ｌ ｌ ｌ Ｓｅｒｖｅｒ）、接收者（ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ）。发布者通过Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ 送“终止”标志，并等待全部接收完成标志 ＡＰＩ把数据写入Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ Ｓｅｒｖｅｒ，接收者通过Ｄａｔａ ｏｃｋｅｔＳ ＡＰＩ从Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ Ｓｅｒｖｅｒ读出数据。发布者和接 收者之间具有时效性，接收者只能读到信息运行后发布者 发来的数据，此数据可以被多次读到。其通用界面如图５ 所示。Ｉ ａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ中的ＤＳ函数库包含有Ｒｅａｄ和 Ｗｒｉｔｅ等函数，Ｒｅａｄ函数用于从网上下载数据，而Ｗｒｉｔｅ 关闭Ｄａｔａｓｏｃｋｅｔ连接ｌＩ ｝函数用于在网上发布数据，数据可以是单个或数组形式的 字符串、逻辑（布尔）量和数值量等多种类型 ］。 Ｉ ａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ为用户提供了灵活的开发手段和 丰富的Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ函数库，摒除了较为复杂的ＴＣＰ／ＩＰ 图６ Ｓｅｒｖｅｒ端程序流程图 （２）客户端程序编写在编写ＣＬＩＥＮＴ端程序时，不 必考虑与采集硬件的交互，因为这个程序运行在ＣＬＩＥＮＴ 低层编程，克服了传输速率较慢的缺点，大大简化了 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网上测控数据交换的编程。 上，此程序只负责处理由ＳＥＲＶＥＲ发送来的数据，即完成 数据处理，进行波形显示、频率特性显示、特征参数提取等 中国科技核心期刊 ７０— 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００＠年ｇ月 第２７卷第ｇ期 任务。本设计中ＣＬＩＥＮＴ端程序流程图如图７所示。 应用天地 处理设备提出了非常高的要求。以往的实时系统大部分 是基于硬件系统构建的，而基于网络体系结构构建的网络 化数据采集和处理系统，通过互联网络，将数据采集、传 输、存储和实时处理等任务分配给不同的微机进行多机并 行工作，极大地提高了各个处理任务运行的效率，使得利 用软件对数据进行实时处理的想法得以实现。 图８网络化数据采集与处理系统用户界面 参考文献 Ｅ１］李水芳等．利用Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ技术实现网络化虚拟仪 器Ｉ－ｊ］．现代电子技术，２００３（１９）． ［２］段红．基于Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的网络化虚拟仪器设 计［Ｊ］．机电工程，２００３，２０（５）：４１—４３． ［３］谭洁明等．虚拟仪器的两种远程测控技术［Ｊ］．仪器仪 表学报，２００１（Ｓ２）：１２９． ［４］Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｒ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍａｎｕａｌ 图７ Ｃｌｉｅｎｔ端程序流程图 ［ｚ］．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，１９９８． Ｅｓｌ戚玉华，吴学智，顿新平．高速网络数据流分类系统 ［Ｊ］．电子测量技术，２００６，２９（５）：１４８—１５０． 本设计客户端软件的运行界面如图８所示。 ［６］陈敏，李旺．计算机网络中的故障定位技术研究ＥＪ］． 国外电子测量技术，２００７，２６（７）：８－１１． ［７］王建萍，费跃农．嵌入式高速数据采集系统的实时性 ４结束语 超高速数据采集处理系统的出现，给后续的数据实时 研究［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２００６，２０（６）：７２—７５． ［２］熊兴中，汪学刚．基于ＵＳＢ２．０及ＳＤＲＡＭ的大容量 存储卡设计［Ｊ］．现代电子技术，２００５（１０）：３２—３４． ［３］钱峰ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２单片机原理、编程及应用［Ｍ］．北 ．（上接第５４页） 当日术 口 筵古｛置 本文设计的ＵＳＢ２．０数据传输系统，上下行数据传输 采取了不同的接口方式，满足了ＤＳＰ调试系统数据传输 的应用需求。经实践检验，该系统电路简单、工作稳定、运 行可靠，同时具有ＵＳＢ设备使用方便、传输速率高等特 点，具有较高的实用价值。 参考文献 ［１］张实华，伍乾永．一种基于ＪＴＡＧ的嵌入式ＤＳＰ可调 试系统的设计ＥＪ］．微电子学，２００７（１）：１２２—１２８。 京：北京航空航天大学出版社，２００６． ［４］王震洲，刘教民，李海彬，崔泷．基于ＵＳＢ２．０的开关 电量参数测试系统设计ｌ－Ｊ］．电测与仪表，２００７（１ｏ）： ｌ６一ｌ８・ Ｅ５］刘吉名，裴东兴．基于ＣＹ７Ｃ６８０１３的ＵＳＢ２．０数据传 ・ 输模块设计［Ｊ］．电子测量技术，２００８（３）：９４—９６． ，［６］单秋云李醒飞，王盼．ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ Ｉ／Ｏ资源配置 与ＵＳＢ Ｎ｛￣ＥＪ］．电子工程师・２００７（１２）：３Ｏ一３３． 中国科技核心期刊
