探測器陣列數(shù)據(jù)實時采集算法設計

1、探測器陣列數(shù)據(jù)實時采集算法設計探測器陣列(detector arrays)測量系統(tǒng)中，為了精確測量一些光強信號，通常需要對傳感 器輸出信號舉行高速、高辨別率采樣，并要求采集圖像實時顯示。從硬件要求來看，采納 的a/d 器件速率在800 mhz 以上，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。同時，數(shù)據(jù)存儲技術也正在不 斷完美和提高，存儲容量越來越大，在市場上已浮現(xiàn)容量達1t byte 左右的硬盤。已有的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多數(shù)采納基于pci 的結構34，但在對數(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， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸與實時顯示成為設計該數(shù)據(jù)采

2、集系統(tǒng)的關鍵所在。目前對數(shù)據(jù)采集的討論較多，但對高速數(shù)據(jù)采集的算法相對較少，也有一些對高速、高 辨別率數(shù)據(jù)采集的算法56，但這些算法大多實行數(shù)據(jù)壓縮法，普通很難保證數(shù)據(jù)的完整性。 為此，本文在算法設計中提出了一種既能保證數(shù)據(jù)完整性與牢靠性，又能實現(xiàn)高速大批量數(shù) 據(jù)的實時采集算法，從而解決此問題。2 系統(tǒng)描述在激光大氣傳輸試驗中，光強測量系統(tǒng)由多探測陣列構成。傳感器探測陣列共有1024 個探測單元。對于每個模塊，信號通過模擬開關送入數(shù)據(jù)采集卡，由計算機舉行處理。 在激光大氣傳輸試驗中，對測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與牢靠性要求極高。對數(shù)據(jù)采集軟件的性能及 指標要求是：保證100hz 幀頻下，數(shù)據(jù)采集不丟幀，

3、圖像完整，無亂碼。從技術角度看，目前pci 總線最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達133mb/s ，相對較高，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 的傳輸速率相對于pci 總線卻大打折扣，造成pc104 總線與pc 機之間的傳輸速率受到限制。3 數(shù)據(jù)采集算法設計針對以上狀況，本著在試驗中數(shù)據(jù)采集具有

4、實時性和不行重復性，假如浮現(xiàn)臨時性溢出， 應優(yōu)先保證數(shù)據(jù)的整體完整性的原則。本數(shù)據(jù)采集軟件在設計中提出了緩沖區(qū)半滿存儲算法。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 機之間的傳輸速率。同時軟件設計中用法實時多任務控制方式，并將采集到的數(shù)據(jù)以二進制的形式挺直保存 進文件。這就不僅達到存儲量大、數(shù)據(jù)傳輸效率高的目的，而且滿足了圖像實時傳送的要求。3.1 緩沖區(qū)半滿存儲算法所謂緩沖區(qū)半滿存儲算法，就是在數(shù)據(jù)采集進程中，設置一個數(shù)據(jù)hfifo 緩沖區(qū)指針。 緩沖區(qū)大小設置為8192 個字節(jié)。

5、當pc104 總線上浮現(xiàn)數(shù)據(jù)時，總線板中首先將接收到的數(shù) 據(jù)幀放入hfifo 緩沖區(qū)。當hfifo 達到半滿時，就讀出低位的4096 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，讀出 數(shù)據(jù)的同時，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 達到或超過半滿，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)，不應當浮現(xiàn)第二，對hfifo 的狀態(tài)舉行推斷：a當數(shù)據(jù)未達到緩沖區(qū)大小的一半時（即狀態(tài)0 或狀態(tài)1）：此時返回，舉行數(shù)據(jù)采 集。b當數(shù)據(jù)達

6、到或超過緩沖區(qū)大小的一半但未到全滿（即狀態(tài)2）：進程將先推斷一下 hfifo 狀態(tài)，若為半滿，就一次讀出全部的4096 個字節(jié)的數(shù)據(jù)；若超過半滿，但未全滿， 此時只將低位4096 個字節(jié)的數(shù)據(jù)讀出，原高位的數(shù)據(jù)前移，占領hfifo 低位。再將讀出的 全部數(shù)據(jù)挺直保存到二進制文件中。這里特殊提出：因為多傳感器探測系統(tǒng)采集時光較長或不受時光限制，軟件設計中將采 集到的數(shù)據(jù)挺直保存進文件，這就在存儲工程中節(jié)約了大量的時光。另外，數(shù)據(jù)保存在二進 制文件中，能實現(xiàn)圖像的實時顯示。c當hfifo 全滿（即狀態(tài)3）：此時數(shù)據(jù)采集進程只要讀空hfifo 或達到用戶指定的 個數(shù)就可返回。讀數(shù)時分兩批，先將低位的

7、4096 個字節(jié)的數(shù)據(jù)讀出，保存到二進制文件中；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)寫入文件中。分兩批讀數(shù)的優(yōu)點在于以下兩方面：1）縮短了一次讀數(shù)的時光；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)，不應當浮現(xiàn)。在此不再詳述。3.2 多線程控制因為測試系統(tǒng)是由多個探測模塊構成傳感器探測陣列。要對多路參數(shù)舉行檢測和控制， 為了降低囫圇系統(tǒng)的復雜度，實現(xiàn)圖像實時傳送，滿足采集過程的高速要求和中斷要求。還 要保證幀頻達到或超過100hz，需要數(shù)據(jù)采集控制軟件具

8、有多任務并行的能力，即設計多個 線程，并且因為完成的任務不同，各線程的設計也不盡相同。軟件共設計包括數(shù)據(jù)采集線 程、控制線程、繪圖線程，程序運行中最多時會浮現(xiàn)幾個線程并行運行的可能。為保證大量 數(shù)據(jù)的完整性以及糾錯復原功能，數(shù)據(jù)采集線程優(yōu)先級高于控制線程。軟件結構簡圖見圖1。1 所示，hfifo 緩沖區(qū)在狀態(tài)2 時進入繪圖線程1。繪圖線程 1：在繪圖時要求先推斷一下hfifo 狀態(tài)，若為半滿，就讀前4 幀即低位的 4096 個像素，然后立即返回，舉行繪圖，繪圖時只繪出第一幀，最后保存數(shù)據(jù)。 hfifo 緩沖區(qū)在狀態(tài)3 時進入繪圖線程2。繪圖線程 2：讀分兩次讀滿8 幀即8192 個像素，然后立

9、即返回，舉行繪圖，繪圖時也 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)采集算法實現(xiàn)本系統(tǒng)軟件平臺采納 micro 公司的microsoft visual c 2005，該平臺具有界面友好、功 能強大、資源豐盛等優(yōu)點，徹低面對對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、顯示并運行用戶界面，在次線程中運行其它的對時 間要求很高的操作(如daq)。microsoft visual c 2005 平臺提供了兩種在 windows 的次線 程中運行代碼的高級機制，分離是線程池(thread pools)和異步定時器(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，而異步定時器適用于在固定 時光間隔內執(zhí)行的任務。因為實驗中參數(shù)的采集和總線數(shù)據(jù)的收發(fā)是首要的任務，需要延續(xù) 地執(zhí)行。因此，編程時采納線程池技術，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)建的次線程中運行。詳細程序中設置了數(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“case: break;”語句來推斷狀態(tài)，從而舉行循環(huán)。 當進入狀態(tài) 2 和3 時，大事返回后便進入繪圖線程，軟件只設置gatherdata()為繪圖線 程函數(shù)。線程空閑時則舉行圖象的播放，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)以二進制形式挺直保存到路徑為：e.filename 的文件中。 程序設計時采納挺直指針方式，提高了傳輸數(shù)據(jù)的效率。5 結語本軟件采納 microsoft visual c 2005 開發(fā)平臺，具有友好的用戶界面，操作容易便利， 易于維護。該算法編程容易、計算量小、易于硬件實現(xiàn)，而且穩(wěn)定性高；在用法過程中體現(xiàn) 了極強的有用性，滿足了探測器陣