多線程技術(shù)在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析中的應(yīng)用

引言

　　數(shù)字接口設(shè)備是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)422串行總線到自定義串行總線轉(zhuǎn)換的專用通信設(shè)備。數(shù)字接口測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字接口設(shè)備的工作原理，輸出422串行數(shù)據(jù)和自定義串行總線的控制信號(hào)（YCK,YZM）給數(shù)字接口設(shè)備，并對(duì)其輸出的串行數(shù)據(jù)（YDATA）進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析和處理，從而達(dá)到對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的目的。本數(shù)字接口測(cè)試系統(tǒng)共提供了八個(gè)測(cè)試通道，每個(gè)通道的422串行總線和自定義串行總線的相關(guān)參數(shù)都可由測(cè)試人員通過(guò)應(yīng)用軟件進(jìn)行設(shè)置。為方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)在軟件上約定了發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為：AA xx 01 23 45 67 89 AB CD EF 01 23… 10，其中幀頭為0xAA，幀尾為0x10，xx為發(fā)送計(jì)數(shù)器值，每發(fā)送一次依次加1。應(yīng)用軟件通過(guò)相應(yīng)的算法對(duì)自定義串行總線接收數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，如：已經(jīng)接收的字節(jié)數(shù)，共接收了多少幀數(shù)據(jù)，共出錯(cuò)有多少字節(jié)……并將結(jié)果在測(cè)試界面上動(dòng)態(tài)顯示，測(cè)試人員可以根據(jù)這些實(shí)時(shí)的測(cè)試結(jié)果來(lái)判斷被測(cè)設(shè)備是否正常工作，一旦發(fā)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)誤碼率太高，即可馬上斷電停止測(cè)試，防止被測(cè)設(shè)備燒壞。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

　　數(shù)字接口測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。測(cè)試設(shè)備通過(guò)USB2.0總線與操作控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，每臺(tái)測(cè)試設(shè)備提供了八個(gè)通道的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元，其中數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于輸出422異步串行數(shù)據(jù)，其波特率最高可達(dá)614.4 kbps，幀長(zhǎng)可根據(jù)測(cè)試要求進(jìn)行調(diào)整，每幀數(shù)據(jù)最高循環(huán)發(fā)送幀周期為5ms；數(shù)據(jù)接收單元用于產(chǎn)生自定義串行總線的控制信號(hào)YZM和YCK，并從YDATA讀回?cái)?shù)據(jù)，YCK和YZM最高分別可達(dá)1.6384MHz和25.6kHz。

　　由于測(cè)試過(guò)程中傳輸數(shù)據(jù)量大，且需要對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)做實(shí)時(shí)分析，因此對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析采用多線程分別進(jìn)行處理。應(yīng)用軟件中主界面線程主要負(fù)責(zé)完成人機(jī)界面操作，同時(shí)分別打開(kāi)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)線程來(lái)同步協(xié)調(diào)工作，為保證數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程的連續(xù)和數(shù)據(jù)完整，兩個(gè)線程之間通過(guò)開(kāi)辟高速內(nèi)存緩沖區(qū)和內(nèi)存映射文件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流的一、二級(jí)緩沖。其中一級(jí)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)USB總線上傳數(shù)據(jù)的緩存，用于實(shí)現(xiàn)接收的USB數(shù)據(jù)包按照各個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)分解；二級(jí)緩沖則按照通道號(hào)將分解輸出的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行暫存，用于數(shù)據(jù)分析線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理。整個(gè)方案中，數(shù)據(jù)包的上傳、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分解、數(shù)據(jù)分析等操作均是在內(nèi)存中完成，速度快，正確率高，再加上采用新的線程同步方法，既保證了數(shù)據(jù)采集線程高速數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)分析線程的快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)分析，又保證了整個(gè)方案較高的性能和最低的系統(tǒng)開(kāi)銷。數(shù)據(jù)緩存處理如圖2。

數(shù)據(jù)采集

　　為了實(shí)現(xiàn)USB返回?cái)?shù)據(jù)的保存，在內(nèi)存中構(gòu)建了一個(gè)12k的高速內(nèi)存緩沖區(qū)，12k的空間以512字節(jié)（一個(gè)USB數(shù)據(jù)包的大?。閱挝黄骄殖?4等份。多線程同步中常用信號(hào)量來(lái)控制訪問(wèn)某一共享資源的線程數(shù)，結(jié)合操作系統(tǒng)中生產(chǎn)者和消費(fèi)者的思想可采用擴(kuò)展信號(hào)量的方式來(lái)完成線程同步。數(shù)據(jù)采集線程操作時(shí)，12k高速緩沖區(qū)分別用讀寫兩個(gè)信號(hào)量作為狀態(tài)指示，對(duì)數(shù)據(jù)讀入和輸出進(jìn)行控制。寫信號(hào)量個(gè)數(shù)初始化為24個(gè)（表示有24個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間可寫入），讀信號(hào)量個(gè)數(shù)初始化為0個(gè)（表示有0個(gè)空間有數(shù)據(jù)需要讀出），數(shù)據(jù)采集線程等效為生產(chǎn)者，數(shù)據(jù)分析線程等效為消費(fèi)者。如圖3所示。USB接口每返回一包數(shù)據(jù)，首先判斷寫信號(hào)量個(gè)數(shù)，為零則線程阻塞等待，不為零則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入操作，將USB數(shù)據(jù)包內(nèi)容存入當(dāng)前生產(chǎn)者指針(pWriteIndex)所指向地址的后512字節(jié)緩沖區(qū)中，完成后生產(chǎn)者指針加512，寫信號(hào)量減1，讀信號(hào)量加1，這是生產(chǎn)的過(guò)程。當(dāng)線程切換到數(shù)據(jù)分析線程后開(kāi)始消費(fèi)（對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)包分解處理），首先判斷讀信號(hào)量個(gè)數(shù)，為零（沒(méi)有可消費(fèi)的）則線程阻塞等待，不為零則由消費(fèi)者指針(pReadIndex)來(lái)控制讀取一包數(shù)據(jù)。一包數(shù)據(jù)讀取完畢后消費(fèi)者指針加512，讀信號(hào)量減1，寫信號(hào)量加1。由以上分析可知，整個(gè)12k的緩沖區(qū)在讀寫兩個(gè)信號(hào)量的協(xié)調(diào)工作下不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析線程的同步，并且通過(guò)互鎖機(jī)制保證了生產(chǎn)者指針和消費(fèi)者指針不會(huì)指向同一塊內(nèi)存區(qū)域，使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性得到顯著提高。

數(shù)據(jù)分析

　　由于數(shù)字接口測(cè)試設(shè)備八個(gè)通道可同時(shí)工作，為了區(qū)別USB總線上傳的數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)哪一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，每個(gè)通道以64字節(jié)為單位將測(cè)試數(shù)據(jù)送入U(xiǎn)SB接口的內(nèi)部緩沖區(qū)，其第一個(gè)字節(jié)用于標(biāo)識(shí)隨后63字節(jié)是哪一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，分別用01，02……07,08進(jìn)行標(biāo)識(shí)。當(dāng)USB接口的內(nèi)部緩沖區(qū)填滿512字節(jié)后即通過(guò)USB總線上傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的高速緩沖區(qū)。所以在數(shù)據(jù)分析時(shí)首先需要從USB數(shù)據(jù)包中提取每個(gè)通道回傳的測(cè)試數(shù)據(jù)，然后與標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析?？梢?jiàn)若在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，數(shù)據(jù)分析線程數(shù)據(jù)處理量大，任務(wù)繁重。為保證整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性，測(cè)試接收回來(lái)的數(shù)據(jù)按照通道號(hào)不同分別保存在不同的內(nèi)存映射文件中。

　　數(shù)據(jù)分析線程在讀信號(hào)量和消費(fèi)者指針的控制下成功讀取一包數(shù)據(jù)后，根據(jù)通道標(biāo)示號(hào)提取此包中每個(gè)通道的數(shù)據(jù)，寫入對(duì)應(yīng)的內(nèi)存映射文件中，再調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)對(duì)每個(gè)通道數(shù)據(jù)做誤碼分析。誤碼分析的結(jié)果可由主界面線程調(diào)用顯示。數(shù)據(jù)分解流程如圖4所示。