基于嵌入式Linux的組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

1 引言

實時數(shù)據(jù)庫(real-time database, RTDB)作為組態(tài)軟件設(shè)計與實現(xiàn)的核心內(nèi)容解決了其所 應(yīng)對的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境中生產(chǎn)數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多樣，數(shù)據(jù)處理與事件調(diào)度時 間約束嚴(yán)格等難題[1]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有多種基于Windows 操作系統(tǒng)平臺的實時數(shù)據(jù)庫 產(chǎn)品在自動化過程控制領(lǐng)域中得到應(yīng)用[2]，隨著Linux 操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，這種開發(fā)平臺單一 的局面有望得到改觀。Linux 操作系統(tǒng)具有很多優(yōu)秀的特性適于組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的 開發(fā)，特別是其完善的進(jìn)程線程管理，進(jìn)程間通信機(jī)制與并發(fā)控制，可靠的內(nèi)存管理系統(tǒng)[3]， 更是為時間約束嚴(yán)格的實時數(shù)據(jù)庫的開發(fā)提供了有力的支持。因此，本文結(jié)合Linux 系統(tǒng)實 時多任務(wù)方面的特性，采取能夠滿足數(shù)據(jù)實時響應(yīng)要求的多級存儲結(jié)構(gòu)，研究并提出了一種 基于嵌入式Linux 系統(tǒng)平臺并可應(yīng)用于監(jiān)控組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)方案。

2 實時數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計

實時數(shù)據(jù)庫是監(jiān)控組態(tài)軟件數(shù)據(jù)處理，事務(wù)調(diào)度，各應(yīng)用程序間通信的中心。圖1 即示 出了組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理流程。


2.1 實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)流分析

組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境分為實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RTDBMS)和實時監(jiān)控界面程序(real-time supervisory control interface, RTSCI)。實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要把工業(yè)現(xiàn)場中復(fù)雜多樣的過 程和控制數(shù)據(jù)抽象為合理高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實時監(jiān)控界面程序則利用實時過程數(shù)據(jù)為現(xiàn)場監(jiān) 控人員提供一個反映實際生產(chǎn)過程的可視化圖形界面，在實際運(yùn)行中二者構(gòu)成客戶端/服務(wù) 器計算模式。RTDBMS 作為數(shù)據(jù)服務(wù)的提供者，需要滿足RTSCI 種類多樣的數(shù)據(jù)需求。

為了形象的描繪工業(yè)現(xiàn)場的實際生產(chǎn)過程，RTSCI 由多種圖形對象構(gòu)成，根據(jù)不同的數(shù) 據(jù)類型需求可分為實時顯示，實時趨勢，歷史趨勢，實時報警等。而應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn) 場環(huán)境的實時數(shù)據(jù)庫還需要滿足嚴(yán)格的數(shù)據(jù)存取與事件響應(yīng)的定時限制。所以，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù) 庫管理系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)表示方法，存儲模式已不能滿足工控組態(tài)軟件所要求的響應(yīng)速度 [4]。為此，在設(shè)計實時數(shù)據(jù)庫時，為了兼顧RTSCI 所要求的數(shù)據(jù)圖形表現(xiàn)多樣性與工業(yè)生產(chǎn) 環(huán)境時間約束的嚴(yán)格性，需要采用多種存儲介質(zhì)合理組合的多層級數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中實時產(chǎn)生的過程量，是需要組態(tài)軟件在每個采樣周期中及時更新的動 態(tài)數(shù)據(jù)，為了保證實時數(shù)據(jù)庫的及時響應(yīng)，須將其存儲在內(nèi)存中；對于RTSCI 的某些數(shù)據(jù) 需求，如歷史趨勢顯示，實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)為之提供相比內(nèi)存更大的存儲空間，這類數(shù)據(jù)需求不 需要很高的響應(yīng)速度，可將之命名為靜態(tài)數(shù)據(jù)，其所服務(wù)的圖形對象要求可按時間翻頁瀏覽， 這類靜態(tài)數(shù)據(jù)適于存儲在文件系統(tǒng)中；而需要長期保存的生產(chǎn)過程量數(shù)據(jù)，即歷史數(shù)據(jù)，它 們是今后進(jìn)行生產(chǎn)效能分析的依據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以保存在通用數(shù)據(jù)庫中。這樣，由內(nèi)存數(shù)據(jù) 庫，外存文件系統(tǒng)以及通用數(shù)據(jù)庫的三級存儲結(jié)構(gòu)，便構(gòu)成了既可滿足實時數(shù)據(jù)定時限制又 兼顧數(shù)據(jù)需求多樣性的可應(yīng)用于監(jiān)控組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫的存儲架構(gòu)。

2.2 利用共享內(nèi)存與命名管道技術(shù)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)

Linux 提供了一組由ATT System V.2 版本的UNIX 引入的進(jìn)程間通信(Inter-Process CommunicatiON, IPC)機(jī)制，其中的共享內(nèi)存技術(shù)允許兩個不相關(guān)的進(jìn)程訪問同一段邏輯內(nèi) 存，是在兩個運(yùn)行中的進(jìn)程間傳遞數(shù)據(jù)的一種非常高效的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制[5]，可為RTDBMS 與RTSCI 間的動態(tài)數(shù)據(jù)交互提供有力的支持。但共享內(nèi)存技術(shù)本身并未提供任何同步機(jī)制， 因此還需要配合IPC 的信號量機(jī)制來保證二者間數(shù)據(jù)訪問控制。Linux 提供的另一組在不相 關(guān)的進(jìn)程間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的函數(shù)是命名管道FIFO。它是將數(shù)據(jù)存儲在文件系統(tǒng)中實現(xiàn)進(jìn)程 間共享的一種通信方式。命名管道適用于數(shù)據(jù)存取響應(yīng)時間要求相對寬松且數(shù)據(jù)交互總量較 大的應(yīng)用場合。同時，F(xiàn)IFO 中實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的read 和write 調(diào)用的阻塞機(jī)制，還可以提供 進(jìn)程間的同步控制。

由上述對其特點(diǎn)的分析，F(xiàn)IFO 技術(shù)是實現(xiàn)RTDBMS 與RTSCI 間靜態(tài)數(shù)據(jù)交互較好的 選擇。上圖即示出了由共享內(nèi)存，命名管道，ODBC 接口等多種進(jìn)程間通信機(jī)制構(gòu)建的實時 數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)。值得注意的是，為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫與通用數(shù)據(jù)庫的雙向數(shù)據(jù)交換，需要編寫特定的通用數(shù)據(jù)庫接口(ODBC 接口)例程。Linux 提供了一組豐富的接口函數(shù)用來訪問 MySQL 數(shù)據(jù)庫。通過對通用數(shù)據(jù)庫MySQL 的數(shù)據(jù)連接進(jìn)行組態(tài)，實時數(shù)據(jù)庫便可按照預(yù) 先指定的采樣周期，對規(guī)定時間區(qū)段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)與MySQL 數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)連接。

3 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)模型的分析與構(gòu)建

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型包括三個部分：一組數(shù)據(jù)對象及其結(jié)構(gòu)，一組數(shù)據(jù)操作，關(guān)于數(shù)據(jù)對象與 操作的完整性約束[6]。而對于工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)，還必須約束于嚴(yán)格的定時限制。

在應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制的組態(tài)軟件中不僅包括實時產(chǎn)生的過程量數(shù)據(jù)，還存在著描述系 統(tǒng)運(yùn)行狀況的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在利用采集到的過程量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)處理后提取出的計算數(shù)據(jù)， 以及涉及控制測量組態(tài)或從工控軟件輸出到輸出裝置上的數(shù)據(jù)等。由此，可將實時數(shù)據(jù)模型 抽象為：模擬量，開關(guān)量，字符串量三種數(shù)據(jù)類型。

3.2 數(shù)據(jù)類型的實現(xiàn)

上述用于構(gòu)建實時數(shù)據(jù)過程量的三類數(shù)據(jù)模型，對應(yīng)于具體的實現(xiàn)分別可用：浮點(diǎn)型， 布爾型，字符數(shù)組來表示。實時數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)類型實現(xiàn)，以其中的實時數(shù)據(jù)類型字段來區(qū)分 不同的過程量類型。實時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的實現(xiàn)如下。

/*枚舉類型標(biāo)記實時數(shù)據(jù)過程量類型 */
typedef enum {
double_t = 1,
bool_t
} pv_type_set;
/* 聯(lián)合類型實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)過程量值 */
typedef union {
double dPV;
bool swhPV;
} pv_data_set;
/* 實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型 */
#define name_LEN 20
#define DESC_LEN 50
typedef STruct {
char nAME[NAME_LEN + 1];//數(shù)據(jù)點(diǎn)名稱
pv_type_set type;//數(shù)據(jù)點(diǎn)類型
char desc[DESC_LEN + 1];//數(shù)據(jù)點(diǎn)描述信息
pv_data_set pv;//數(shù)據(jù)點(diǎn)過程量值
char domain[3];//數(shù)據(jù)點(diǎn)所在域號
char eu[DESC_LEN + 1];//數(shù)據(jù)點(diǎn)工程單位描述
double euLow;//數(shù)據(jù)點(diǎn)工程單位下限
double euHigh;//數(shù)據(jù)點(diǎn)工程單位上限
double pvRaw;//現(xiàn)場測量裸數(shù)據(jù)
bool IsRanCon;//是否進(jìn)行量程變換
double pvRawLow;//裸數(shù)據(jù)量程下限
double pvRawHigh;//裸數(shù)據(jù)量程上限
bool static;//靜態(tài)數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)存儲至文件系統(tǒng)
int storecyc;//備份周期
bool IsAlarm;//是否報警
int AlarmPriority;//報警優(yōu)先級
… …
} tag_node;

3.3 實時數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的組織形式及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了充分地利用 Linux 平臺對實時多任務(wù)操作的支持，實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集與處理等任務(wù)應(yīng)以多進(jìn)程的形式并發(fā)執(zhí)行。而Linux 操作系統(tǒng)IPC 機(jī)制中的共享內(nèi)存技術(shù)可以根據(jù)需 要離散地分配內(nèi)存空間，從而可將所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的共享內(nèi)存地址構(gòu)成索引并建表。在實際應(yīng)用 中，經(jīng)常會將若干在生產(chǎn)工藝上有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分為一個數(shù)據(jù)域，所以地址索引表為兩級 結(jié)構(gòu)：第一級為域表，其中的數(shù)據(jù)項存儲特定數(shù)據(jù)域的地址；第二級為數(shù)據(jù)點(diǎn)表，數(shù)據(jù)項存 儲某一數(shù)據(jù)域中的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的內(nèi)存地址。域表與數(shù)據(jù)點(diǎn)表中存儲的數(shù)據(jù)點(diǎn)所在的域號字段 與數(shù)據(jù)點(diǎn)號字段組合構(gòu)成數(shù)據(jù)點(diǎn)ID。包括所有實時數(shù)據(jù)點(diǎn)的地址索引由一張域表與多張數(shù) 據(jù)點(diǎn)表構(gòu)成。根據(jù)存儲域表結(jié)構(gòu)的內(nèi)存地址，便可訪問所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的共享內(nèi)存地址。下面給 出域表與數(shù)據(jù)點(diǎn)表用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

/* 描述域表數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */
typedef struct {
char domIndex[3];//域號
tbTag_item *tbTag_ptr;//該域的數(shù)據(jù)點(diǎn)表地址
} tbDom_item;
/*描述數(shù)據(jù)點(diǎn)表數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/
typedef struct {
char tagIndex[3];//數(shù)據(jù)點(diǎn)號
tag_node *tag_ptr;//指向數(shù)據(jù)點(diǎn)的指針
int shmid;//存儲該數(shù)據(jù)點(diǎn)的共享內(nèi)存標(biāo)號
char name[NAME_LEN + 1];//數(shù)據(jù)點(diǎn)名稱
} tbTag_item;
域表與數(shù)據(jù)點(diǎn)表的數(shù)據(jù)項內(nèi)容與關(guān)系結(jié)構(gòu)示意見圖 3。


3.4 一組訪問實時數(shù)據(jù)庫的通用編程接口

作為投入現(xiàn)場運(yùn)行的監(jiān)控組態(tài)軟件的核心部件，實時數(shù)據(jù)庫需要為現(xiàn)場操作人員提供類 似傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)查詢與更新等功能。另外出于設(shè)備無關(guān)性的考慮，也需要 為監(jiān)控組態(tài)軟件的其他應(yīng)用程序提供一組用來直接訪問實時數(shù)據(jù)庫的接口函數(shù)。這樣，對于 其他工控設(shè)備與實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的需求，只要利用這樣一組接口函數(shù)開發(fā)不同的驅(qū) 動程序便可得到滿足，從而增強(qiáng)了實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的通用性與開放性。下面列出了一些較為 常用的數(shù)據(jù)訪問接口函數(shù)。

int CreatTag();//創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)
char *GetNameByID(char *tagID);//通過數(shù)據(jù)點(diǎn)ID 取得數(shù)據(jù)點(diǎn)名
char *GetIDByName(char *tagName);//通過數(shù)據(jù)點(diǎn)名得到數(shù)據(jù)點(diǎn)ID
pv_type_set GetPVType(char *tagName);//通過數(shù)據(jù)點(diǎn)名得到數(shù)據(jù)點(diǎn)過程量值類型
int GetPVByName(char *tagName, pv_data_set *pv);//根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)名獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)過程量值
int SetPVByName(char *tagName, pv_data_set *pv);//根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)名寫入數(shù)據(jù)點(diǎn)過程量值

5 結(jié)語

實時數(shù)據(jù)庫作為監(jiān)控組態(tài)軟件的核心部分，其組織結(jié)構(gòu)是否高效直接影響到與底層 I/O 過程設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，與實時監(jiān)控界面程序的數(shù)據(jù)傳遞，與組態(tài)軟件中其它運(yùn)行程序的實時 通信等多項技術(shù)指標(biāo)。所以，其設(shè)計要求結(jié)構(gòu)精簡，存儲高效，并且具備相當(dāng)?shù)目煽啃耘c穩(wěn) 定性。經(jīng)實際應(yīng)用證明，由本文提出的利用共享內(nèi)存，文件系統(tǒng)，通用數(shù)據(jù)庫多層級存儲介 質(zhì)相結(jié)合的實時數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)，能較充分地利用Linux 操作系統(tǒng)實時多任務(wù)方面的特性， 較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的實時響應(yīng)要求。另外，實時數(shù)據(jù)庫的開發(fā)是一個有著廣闊前景的研究領(lǐng)域，其還包括諸如I/O 調(diào)度與緩沖管理，恢復(fù)與超載管理等多項實現(xiàn)內(nèi)容[7]。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文利用Linux 操作系統(tǒng)對多任務(wù)并發(fā)處理操作的良好支持，采用二 級地址索引為數(shù)據(jù)點(diǎn)獨(dú)立分配共享內(nèi)存空間，以多進(jìn)程調(diào)度的方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理從 而提高了系統(tǒng)吞吐量和數(shù)據(jù)存取效率。同時，多層級的實時數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)能較好地兼顧工 業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的時間約束與數(shù)據(jù)圖形表現(xiàn)多樣性的要求。