本文介紹用數(shù)據(jù)采集的冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)深圳市民中心的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警的功能。 1、引言 隨著我國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，橋梁、高樓、礦井、油田等對(duì)人們生命構(gòu)成威脅的場(chǎng)所的安全性日益受到關(guān)注。國(guó)內(nèi)外普遍的解決辦法就是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)報(bào)、預(yù)警。深圳市民中心是深圳市政府首腦的辦公大樓，狀似雄鷹展翅，由兩根柱體支撐5000噸以上的力。臺(tái)風(fēng)對(duì)整個(gè)大樓構(gòu)成了極大的威脅。本設(shè)計(jì)就是為其實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警，保證整個(gè)大樓政府工作人員和市民的人身安全。 2、功能原理 “冗余”就是將相同功能的設(shè)備設(shè)計(jì)為2個(gè)或2個(gè)以上，如果一個(gè)設(shè)備有問題，另外一個(gè)設(shè)備就會(huì)自動(dòng)承擔(dān)起有問題設(shè)備的任務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)暢通無阻。具體說來就是備份出另一套服務(wù)。一般情況下是某一套系統(tǒng)運(yùn)行，而第二個(gè)系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，可以通過人工方式監(jiān)視第一套系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障時(shí)，便激活第二套系統(tǒng)。也可以用控制器對(duì)2個(gè)模塊同時(shí)進(jìn)行掃描，當(dāng)其中一塊停止回應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)從另一個(gè)模塊中獲取數(shù)據(jù)。由此可見，冗余的目的保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性（基本不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)不工作的情況）、穩(wěn)定性。 冗余設(shè)計(jì)需要考慮的幾個(gè)問題： 冗余策略的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)盡可能的降低成本； 冗余策略的實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)周期應(yīng)當(dāng)盡可能短； 冗余策略的實(shí)現(xiàn)要真正的實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性。 力學(xué)專家在屋頂牛腿的著力點(diǎn)上安置了128個(gè)傳感器，測(cè)控壓力信號(hào)到主控機(jī)房，進(jìn)行信號(hào)處理分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控大樓的“健康”狀況。因此實(shí)時(shí)、可靠地采集傳感器發(fā)出的壓力信號(hào)（百萬數(shù)量級(jí)）就成為“健康監(jiān)測(cè)”系統(tǒng)的關(guān)鍵。 在臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境下，數(shù)據(jù)采集極容易出現(xiàn)干擾故障，由于信號(hào)處理系統(tǒng)的高可靠性和連續(xù)不間斷的工作要求，國(guó)內(nèi)外的大多數(shù)設(shè)計(jì)冗余系統(tǒng)，以避免危險(xiǎn)發(fā)生造成巨大損失。因此，我們須需要設(shè)計(jì)一套通用的、可靠的、經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)采集的冗余系統(tǒng)，信號(hào)采集冗余策略如圖1所示。 圖1 信號(hào)采集冗余策略 3、硬件設(shè)計(jì) 3.1 同步卡的設(shè)計(jì) 同步卡的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)冗余數(shù)據(jù)采集處理的基礎(chǔ)，而且需要滿足冗余的要求。因此我們?cè)O(shè)計(jì)適合于本套系統(tǒng)的低成本、實(shí)用的同步卡。該同步卡的硬件組成分為電源穩(wěn)壓器、運(yùn)算放大、采樣保持三大功能部分。LM7912進(jìn)行線性穩(wěn)壓，為板卡提供穩(wěn)壓電源。采用LF353 BI-FETLF353高速集成運(yùn)放組成信號(hào)緩沖放大器，分兩級(jí)放大現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。LF398作為采樣保持器，提供2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的25針并口，1個(gè)接LPT控制信號(hào)，1個(gè)和PCI-1713數(shù)據(jù)互連。 根據(jù)空間和實(shí)際的需要，每塊板卡上載8路信號(hào)。IPC可以分別控制每路信號(hào)的采樣時(shí)間；為了簡(jiǎn)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及與采集卡配置，本設(shè)計(jì)同時(shí)并聯(lián)四塊同步卡控制信號(hào)。 3.2 PCI-1713信號(hào)采集卡簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì) PCI總線是一種非終端式傳輸總線，在全部讀寫傳送中可實(shí)現(xiàn)突發(fā)傳送，采用隱式仲裁，并行總線操作，訪問速度快；它也是兼容性最強(qiáng)、功能最全的計(jì)算機(jī)總線，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備，且不受制于處理器，為CPU及高速外圍設(shè)備提供高性能、高吞吐量、低延遲的數(shù)據(jù)通路。 PCI-1713是研華公司生產(chǎn)的一款經(jīng)濟(jì)型高速數(shù)據(jù)采集卡，精度較高，支持即插即用；內(nèi)置PCI總線控制器與工控機(jī)PCI總線接口。使用方便、擴(kuò)展、重入性強(qiáng)；軟件上調(diào)用API函數(shù)和相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)也比較容易。 PCI-1713主要特性有： 32個(gè)單通道模擬信道輸入； 12 bit A/D轉(zhuǎn)換，采樣率高達(dá)100kHz； 可對(duì)每一通道分別可編程增益； 自動(dòng)通道/增益掃描； 板載4K采樣FIFO緩沖，控制方便。 需要注意：采集卡的每個(gè)通道的模擬量采集都有1個(gè)輸入電壓范圍，超過了這一范圍會(huì)造成采集卡A／D轉(zhuǎn)換部分的燒毀，所以在采集模擬信號(hào)時(shí)，要保證被采集的信號(hào)在設(shè)定的量程范圍內(nèi)。本項(xiàng)目中模擬量范圍為0～10V。 4、驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì) 結(jié)合VC++實(shí)現(xiàn)對(duì)同步卡的控制和采集、保存采樣數(shù)據(jù)三大功能模塊。程序流程框圖如圖2所示。 圖2 程序流程框圖 4.1 訪問并口，控制采樣數(shù)據(jù)周期 VC++是可視化編程方法，利用VC++開發(fā)人員可以十分方便的編寫程序完成用戶界面的設(shè)計(jì)、圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。而并行端口的操作屬于計(jì)算機(jī)硬件的低級(jí)操作，使用可視化方法編制Windows 應(yīng)用程序不具備這類操作。通常有以下幾種解決辦法： （1） 利用Windows API 并行通信函數(shù) 主要功能模塊: 端口設(shè)置模塊；該模塊用于設(shè)置同步卡與IPC端口，端口類型通常為L(zhǎng)PT1。利用函數(shù)strcpy（），賦予全局變量portType為指定的端口類型，例如strcpy（“LPT1”，portType）； 初始化模塊，首先要?jiǎng)?chuàng)建打印設(shè)備文件句柄。通過指定要連接的打印機(jī)端口、讀寫端口的模式、數(shù)據(jù)共享模式等參數(shù)； 從打印口發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)同步卡數(shù)據(jù)輸出。 （2） 使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)封裝Win32 API函數(shù)，提供一個(gè)并行通信的類 優(yōu)點(diǎn)是若使用第三方提供的類，只要理解這種類的幾個(gè)成員函數(shù)，就能方便地使用。缺點(diǎn):若自己編寫類，則一般要求專業(yè)化程度太高，第三方提供的類普遍應(yīng)用非常困難。 （3） 匯編語言從效率上和可靠性上講都是最優(yōu)的 在Windows程序中，使用匯編語言實(shí)現(xiàn)對(duì)并行端口的低級(jí)操作，是開發(fā)者首選之一。本設(shè)計(jì)解決的實(shí)際辦法就是使用Delphi可以嵌入?yún)R編語言的功能，編制并行數(shù)據(jù)傳輸、功能編號(hào)發(fā)送以及并口初始化函數(shù)，形成動(dòng)態(tài)連接庫（DLL）。這樣，利用了可視化編程的優(yōu)勢(shì)又發(fā)揮了匯編語言高效率，而且通過DLL調(diào)用使Windows操作與硬件的低級(jí)操作有機(jī)高效地結(jié)合在一起。值得一提的是，在數(shù)據(jù)通訊和功能編直接調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫（DLL），非常方便、迅速的解決；而且類似的DLL在網(wǎng)上可以隨意的找到，就算對(duì)Delphi不熟悉的工作人員也可以直接調(diào)用。無疑這樣大大的提高了開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的效率，可以讓開發(fā)者集中精力研究數(shù)據(jù)采集板卡。 在本設(shè)計(jì)中，作者先后嘗試過以上三種方法，都取得了良好的效果。甚至采用串口代替并口發(fā)送控制信號(hào)，效果是一樣的，能完全實(shí)現(xiàn)功能；那是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的特殊性:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求并不高，而且有同步卡統(tǒng)一調(diào)配，因此從某種意義上說，利用串口實(shí)現(xiàn)了并口功能。 4.2 通過PCI總線訪問PCI-1713 研華公司為用戶提供了PCI-1713的庫函數(shù)和VC++語言例程，使用戶上手快，而且可以根據(jù)自己的實(shí)際情況編寫簡(jiǎn)捷、完美、實(shí)用、快速的程序。 注意編程時(shí)一定要包含庫函數(shù)“driver.h”。 具體步驟如下: （1） 打開PCI-1713采集卡并初始化； （2） 獲取采集卡的板號(hào)，分別讀取每一塊PCI-1713的數(shù)據(jù)； （3） 顯示采集的數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)庫保存； （4） 釋放采集卡，釋放PCI控制權(quán)。 4.3 ODBC（Open Database Connecting）技術(shù) 數(shù)據(jù)的錄入是數(shù)據(jù)庫用用程序的重要部分之一，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。建立數(shù)據(jù)文件，保存實(shí)時(shí)接受的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)以后的數(shù)據(jù)再現(xiàn)回放、處理、預(yù)警。因?yàn)閿?shù)據(jù)的量極大（G數(shù)量級(jí)）而且要求隨時(shí)回放數(shù)據(jù)，為了簡(jiǎn)便起見，實(shí)時(shí)性要求不是太高。使用ODBC接口將數(shù)據(jù)存放到MS ACCESS數(shù)據(jù)庫中。步驟如下: （1） 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、表以及各個(gè)字段設(shè)置； （2） 在控制面板中，創(chuàng)建并配置數(shù)據(jù)源； （3） 程序中把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。 5、結(jié)束語 在本設(shè)計(jì)中還實(shí)際使用了InstallShield Professional 6 International多平臺(tái)安裝程序制作軟件對(duì)程序進(jìn)行安裝和發(fā)布。制作完成之后，整個(gè)系統(tǒng)展現(xiàn)給用戶的是一個(gè)簡(jiǎn)捷、明了的安裝程序。同時(shí)，這也極好的保護(hù)了軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 數(shù)據(jù)采集冗余設(shè)計(jì)成本低廉，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性和工作的連續(xù)性，實(shí)際應(yīng)用的效果也非常理想；并且整套系統(tǒng)極容易移植到其他的信號(hào)采集、處理系統(tǒng)中，比如:油田、核電站、水處理等，適應(yīng)面相當(dāng)廣。 參考文獻(xiàn) [1] ACVAN TECHCO. LTD. PCI-1713 User s Manual.[Z]. [2] ArtBaker，JerryLozano， 施諾等譯. Windows2000設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001. [3] InstallShield 6. x安裝程序設(shè)計(jì)與制作[M]. 北京:人民郵電出版社1998. [4] Visual C++ 6.0技術(shù)內(nèi)幕[M]. 北京:希望電子出版社，2000.