實時高速數據采集與存儲系統的一種實現方法

摘要：PCI-7300A_RevB超高速數字I/O卡的應用，介紹一種大容量、高速、實時數據采集與存儲系統的實現方法。并根據自己的開發經驗，指出實現過程中應該注意的一些問題。
關鍵詞:高速、實時、數據采集與存儲、PCI-7300A_RevB

1、引言

隨著信息科學的飛速發展，數據采集和存儲技術已經是數字信號處理中非常重要的環節，將決定整個系統的性能。它廣泛應用于雷達，通信，遙測遙感等領域。它己經成為人們獲得外界信息的重要手段。基于總線的數據采集與存儲系統，由于可靠且易于實現、經濟等優點，得到了廣泛的應用。但當數據傳輸率很高時，保持高速數據存儲過程的可靠性、實時性將會成為一個比較棘手的問題。為此一些廠商提供了雙總線技術、64位/66MHzPCI總線系統來解決這問題。但這些技術較為昂貴，且忽略了現有的硬件設備。經過實驗與探索，我們選用ADLINK公司的PCI-7300A_RevB超高速數字I/O卡，利用現有的單（32位/33MHz）PCI總線的計算機

系統構成低成本的硬件平臺，并利用自己開發的軟件系統，最終實現了高速（45Mbytes/sec）持續的數據采集于存儲。

2、硬件組成及注意事項

為了利用現有的硬件設備，降低成本；我們采用ADLINK公司出品的PCI-7300A_RevB超高速數字I/O卡作為數據采集部分。該卡的主要特性如下：

32位數字I/O通道

32位PCI總線

通過觸發信號控制數據采集操作的開始。

100針SCSI型連接器

分散/聚攏方式的DMA

最高傳輸速率80Mbytes/sec

要實現實時高速的數據存儲，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為ST3146707LC的SCSI硬盤，該硬盤的容量是146GB，能滿足記錄大量數據的需要，其轉速為10Krpm。相應的SCSI硬盤控制器，選用Adaptec公司出品的型號為Adaptec19160的Ultra160-SCSI硬盤控制器.

在搭建硬件平臺的過程中有些問題是必須注意的，否則系統不能正常工作。首先，PCI-7300A_RevB卡雖然采用分散/聚攏方式的DMA，但它對CPU資源的占用率是非常高的。經過實驗證明，要保證整個數據采集與存儲系統正常工作，只能使用奔四1.7G以上的計算機系統。其次，Windows系統允許多個設備共享一個中斷請求號(IRQ)。為了保證存儲過程的實時性，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設備的IRQ進行手動配置。最后Windows 2000 Service Pack 2 (SP2) 及早期版本不支持大于137GB容量的硬盤。須要先安裝Service Pack 3，再在注冊表（HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesAtapiParameters）里添加一個REG_DWORD類型的參數EnableBigLba，并把值設成0x1。這樣146GB的硬盤才能工作正常。

3、軟件設計

軟件設計直接決定硬件是否能正常工作，以及能否充分發揮硬件的性能。

3．1PCIS-DASK及雙緩沖區模式的工作原理

PCIS-DASK是ADLINK公司為自己的產品提供的驅動程序包，提供了專門用于實現高速數據采集的連續多緩沖區操作的一組API函數。通過這組API函數，我們可以按照雙緩沖區的原理，非常方便地實現對數據的實時、高速、連續的采集與存儲。

雙緩沖區模式，在工程上稱為“乒乓” 緩沖區模式。跟常用的單緩沖區模式相比雙緩沖區模式的優點是，它可以使用較小容量的內存，不間斷地緩沖幾乎無限量的數據（輸入與輸出端需協同工作）。這種緩沖區模式的工作原理是：在內存里開辟兩塊容量相等的緩沖區（以下將分別它們稱為第一緩沖區和第二緩沖區）作為連續數據輸入的緩沖區。工作開始時，數據采集卡首先將數據寫入第一緩沖區中，在數據采集卡開始把數據寫入第二緩沖區的同時，用戶程序可以根據自身需要取出第一緩沖區中的數據做特定的處理。當第二緩沖區被寫滿后，數據采集卡回到第一緩沖區的起始處，以覆蓋舊數據的方式，把新數據寫入第一緩沖區中；與此同時用戶程序取出第二緩沖區中的數據。整個數據采集處理過程可以如此不斷地循環進行下去。

3．2板卡驅動設置及注意的問題

對板卡驅動的深刻理解是編寫好數據采集于存儲程序的前提。在連續數據輸入模式下，板卡驅動程序需要在系統內存里開辟一塊緩沖區做為二級緩存，用戶可以設置該緩沖區的大小 。方法是：從菜單開始/程序/PCI-DASK/NuDAQ PCI configuration Utility 打開DASK2000 Device Driver Configuration對話框，從Card Type組合框中選擇Pci7300A_RevB項,在DI欄輸入你想要開辟的緩沖區容量，點擊OK按鈕完成設置。需要注意的是板卡驅動設置的緩沖區（簡稱驅動緩沖區）容量與用戶程序開辟的緩沖區（用戶緩沖區）容量存在著一定關系。經過我們多次實驗，得出驅動緩沖區容量大約是用戶緩沖區的3倍；因此，當驅動緩沖區過小，而用戶緩沖區較大時，會出現錯誤。

3．3 VisualC++開發環境的設置

為了使用PCIS-DASK提供的實現連續多緩沖區操作的API函數，以及初始化板卡、設置板卡工作方式的API函數；需要VisualC++連接PCI-DASK提供的動態連接庫（Pci-dask.lib）.具體方法是：打開工程，從菜單Project/Setting…打開Project Setting對話框，切換到Link選項卡，在Object/library modules攔中添加Pci-dask.lib，點擊OK按鈕完成設置。最后在工程中加入頭文件Dask.h.。

3．4多線程的實時數據存儲軟件設計

在要求高速、實時和連續采集和存儲的情況下，一方面要求系統不間斷地進行數據采集，同時還要進行數據實時地存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。為了解決這個問題，我們在軟件實現中，引入了Windows的多任務處理技術（multitasking）。在程序里創建兩個工作線程分別完成數據采集和數據存儲工作。緩沖方式采用上面所說雙緩沖區模式，當數據采集線程（SampleThreadProc）把采集到的數據寫入第一緩沖區時，數據存儲線程（StorageThreadProc）把第二緩沖區的數據存入SCSI硬盤；當數據采集線程把數據寫入第二緩沖區時，數據存儲線程把第一緩沖區的數據存入SCSI硬盤；如此循環。另外通過實際實驗測試Adaptec19160 Ultra160-SCSI硬盤控制器，配合希捷公司出品的ST3146707LC SCSI硬盤，持續寫入速率能達到80Mbytes/sec。遠大于45 Mbytes/sec的采集速率。所以當數據采集線程寫滿其中一個緩沖區之前，數據存儲線程已經把另一個緩沖區里的數據存儲入SCSI硬盤。所以這種方法能保證數據的實時性、完整性和連續性。其程序流程圖如圖1。

3．5軟件實現

由于篇幅所限，下面僅給出程序中核心的代碼。

BOOLEAN BufferID=0;//緩沖區的ID；1第一緩沖區，0：第二緩沖區。

BOOLEAN Stop=0；//停止數據采集與存儲，1：停止，0：繼續。

U32 Buffer1 [data_size], Buffer2 [data_size];

//開辟塊緩沖區。

FILE *fp；//存儲數據的目錄。

UINT SampleThreadProc (LPVOID pParam)

{BOOLEAN HalfReady=0;//緩沖被寫滿標志

do {HalfReady=0;

do(DI_AsyncMultiBufferNextReady(card,HalfReady,viewidx))://等待驅動程序報告緩
//有沖區被寫滿。

}while(!HalfReady);//如果HalfReady!=0，

//明有緩沖區被寫滿。

BufferID = ! BufferID;

AfxBeginThread(StorageThreadProc,NULL);

//啟動數據存儲線程