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
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文檔簡(jiǎn)介
1、探測(cè)器陣列數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集算法設(shè)計(jì)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)舉行高速、高辨別率采樣,并要求采集圖像實(shí)時(shí)顯示。從硬件要求來(lái)看,采納 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 斷完美和提高,存儲(chǔ)容量越來(lái)越大,在市場(chǎng)上已浮現(xiàn)容量達(dá)1t byte 左右的硬盤(pán)。已有的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多數(shù)采納基于pci 的結(jié)構(gòu)34,但在對(duì)數(shù)據(jù)牢靠性要求很高的狀況下, 基于pci 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的牢靠性不能滿足要求。保證數(shù)據(jù)的牢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
2、集系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。目前對(duì)數(shù)據(jù)采集的討論較多,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 辨別率數(shù)據(jù)采集的算法56,但這些算法大多實(shí)行數(shù)據(jù)壓縮法,普通很難保證數(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)完整性與牢靠性,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試驗(yàn)中,光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)由多探測(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(kāi)關(guān)送入數(shù)據(jù)采集卡,由計(jì)算機(jī)舉行處理。 在激光大氣傳輸試驗(yàn)中,對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與牢靠性要求極高。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,
3、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)的牢靠性不能滿足要求,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,試驗(yàn)中采納一種特地為控制而定義的工業(yè)控制總線pc104 總線。此 總線以“針”和“孔”形式層疊銜接,即pc104 總線模塊之間總線的銜接是通過(guò)上層的針和下層 的孔互相咬和相連,這種層疊封裝有極好的抗震性。此總線雖滿足了牢靠性的要求,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)以上狀況,本著在試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集具有
4、實(shí)時(shí)性和不行重復(fù)性,假如浮現(xiàn)臨時(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)不易走失,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)中用法實(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)制的形式挺直保存 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)。
5、當(dāng)pc104 總線上浮現(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)。 詳細(xì)操作如下:首先,將緩沖區(qū)別為以下 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)當(dāng)浮現(xiàn)第二,對(duì)hfifo 的狀態(tài)舉行推斷: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,舉行數(shù)據(jù)采 集。b當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)
6、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)程將先推斷一下 hfifo 狀態(tài),若為半滿,就一次讀出全部的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,占領(lǐng)hfifo 低位。再將讀出的 全部數(shù)據(jù)挺直保存到二進(jìn)制文件中。這里特殊提出:因?yàn)槎鄠鞲衅魈綔y(cè)系統(tǒng)采集時(shí)光較長(zhǎng)或不受時(shí)光限制,軟件設(shè)計(jì)中將采 集到的數(shù)據(jù)挺直保存進(jìn)文件,這就在存儲(chǔ)工程中節(jié)約了大量的時(shí)光。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
7、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)所有讀出,即讀空hfifo,緊接著前面的數(shù)據(jù)寫(xiě)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)光;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 易走失,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)當(dāng)浮現(xiàn)。在此不再詳述。3.2 多線程控制因?yàn)闇y(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)舉行檢測(cè)和控制, 為了降低囫圇系統(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
8、有多任務(wù)并行的能力,即設(shè)計(jì)多個(gè) 線程,并且因?yàn)橥瓿傻娜蝿?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)浮現(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)復(fù)原功能,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(jiàn)圖1。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)要求先推斷一下hfifo 狀態(tài),若為半滿,就讀前4 幀即低位的 4096 個(gè)像素,然后立即返回,舉行繪圖,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
9、即返回,舉行繪圖,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)采納 micro 公司的microsoft visual c 2005,該平臺(tái)具有界面友好、功 能強(qiáng)大、資源豐盛等優(yōu)點(diǎn),徹低面對(duì)對(duì)象的編程和消息處理。在典型的microsoft visual c 2005 多線程程序中,用法主線程創(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,分離是線程池(thread pools)和異步定時(shí)器(asynch
10、ronous timers)。線程池適用于需要延續(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)光間隔內(nèi)執(zhí)行的任務(wù)。因?yàn)閷?shí)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),需要延續(xù) 地執(zhí)行。因此,編程時(shí)采納線程池技術(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。詳細(xì)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)推斷狀態(tài),從而舉行循環(huán)。 當(dāng)進(jìn)入狀態(tài) 2 和3 時(shí),大事返回后便進(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)則舉行圖象的播放,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)制形式挺直保存到路徑為:e.filename 的文件中。 程序設(shè)計(jì)時(shí)采納挺直指針?lè)绞?,提高了傳輸?shù)據(jù)的效率。5 結(jié)語(yǔ)本軟件采納 microsoft visual c 2005 開(kāi)發(fā)平臺(tái),具有友好的用戶界面,操作容易便利, 易于維護(hù)。該算法編程容易、計(jì)算量小、易于硬件實(shí)現(xiàn),而且穩(wěn)定性高;在用法過(guò)程中體現(xiàn) 了極強(qiáng)的有用性,滿足了探測(cè)器陣
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