基于Windows的數(shù)據(jù)采集與實時顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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1、基于Windows的數(shù)據(jù)采集與實時顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)李貴明羅家融喻文勇(中國科學(xué)院等離子體物理研究所安徽合肥230031lgm@ipp.ac.cn）摘要數(shù)據(jù)采集與實時顯示系統(tǒng)相結(jié)合，能夠使實驗人員在實驗進行地過程中迅速了解設(shè)備的運行狀況，從而及時做出判斷和決策，對于實驗的順利進行具有重大意義。本文以HT-7超導(dǎo)托卡馬克聚變實驗中的數(shù)據(jù)采集與實時顯示系統(tǒng)在windows下的開發(fā)過程為例，詳細介紹了在Windows系統(tǒng)下，數(shù)據(jù)采集與實時顯示系統(tǒng)的組成、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計，具有廣泛的適用意義。關(guān)鍵詞HT-7Win

2、dows數(shù)據(jù)采集實時顯示引言基于PC硬件平臺的數(shù)據(jù)采集技術(shù)近年來得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。而將數(shù)據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)以圖形方式實時提供給科研人員，能夠使實驗人員迅速了解實驗過程中設(shè)備的運行狀況，從而及時做出判斷和決策，對于實驗的順利進行具有重大意義。HT-7是我國第一個超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置，中科院等離子體物理研究所已在該裝置上進行了多次實驗，獲得了大量寶貴的實驗數(shù)據(jù)和資料以及多項核聚變物理實驗領(lǐng)域里的重大成果。隨著實驗的不斷深入，其穩(wěn)定的放電時間已達60秒左右，這對于實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就提出了更高的要求。其中的一個

3、迫切要求就是在實驗過程中（60秒以內(nèi)），能實時顯示當(dāng)前一些重要的物理信號波形。在PC操作系統(tǒng)中，Windows2000具有完善的內(nèi)存管理機制和網(wǎng)絡(luò)功能，支持多CPU以及基于Win32API的編程接口。本文以此為背景，設(shè)計了基于Windows的數(shù)據(jù)采集與實時顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1、系統(tǒng)設(shè)計方案數(shù)據(jù)采集和實時顯示系統(tǒng)，就是要在數(shù)據(jù)采集進行的過程中，將采集得到的數(shù)據(jù)及時反映到人機界面中，比如顯示器或者繪圖儀等。有些系統(tǒng)還需要在實時顯示前，首先對數(shù)據(jù)進行一些簡單的處理。從而使科研人員得到更直觀、更清晰的數(shù)據(jù)，以利

4、于進一步的處理。在數(shù)據(jù)采集和實時顯示系統(tǒng)中，將包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備如數(shù)據(jù)采集卡，不過需要注意的是，在采集設(shè)備工作的過程中，我們必須可以隨時從采集設(shè)備獲取采集得到的數(shù)據(jù)，而不是必須等待采集設(shè)備本次工作完全結(jié)束，才可以對數(shù)據(jù)進行處理，那樣我們將無法實現(xiàn)實時功能。同時系統(tǒng)還要包括數(shù)據(jù)處理設(shè)備如計算機，以及數(shù)據(jù)顯示設(shè)備如顯示器、打印機等。以我們的系統(tǒng)為例，我們采用的采集卡是研華公司的一塊ISA總線的數(shù)據(jù)采集卡PCL1800，其最高采樣率可達330KHz以及12位的轉(zhuǎn)換精度。其中最重要的一個特點是采集卡上有一個1K字的FI

5、FO高速緩存（先進先出），可以在任何時刻方便地從FIFO中讀取數(shù)據(jù),從而可以實現(xiàn)實時顯示信號波形的目的，我們采用的顯示設(shè)備是具有VGA接口的大屏幕顯示器。數(shù)據(jù)采集和實時顯示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)在長時間數(shù)據(jù)采集（如60秒）過程中，每經(jīng)過一段時間（如1秒）的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)就對這段時間內(nèi)得到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，在顯示設(shè)備上，按照時間軸和幅值坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，實時繪制出這段時間內(nèi)的信號波形，這樣在數(shù)據(jù)采集完全結(jié)束后，我們便可以在顯示設(shè)備上得到完整的信號波形。系統(tǒng)采用了多線程技術(shù)以及消息傳遞的機制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采

6、集和圖形顯示的實時功能。圖1數(shù)據(jù)采集和實時顯示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)1.1、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集需要對各種實驗現(xiàn)場信號做出響應(yīng)，最基本的是同步觸發(fā)信號，用于通知采集系統(tǒng)何時進行數(shù)據(jù)采集。還有一些是各種實驗所獨有的信號，比如各種異常信號以及時序信號等，在HT-7的數(shù)據(jù)采集和實時顯示系統(tǒng)中，我們需要對三個信號進行響應(yīng)，分別是：采集觸發(fā)信號、放電中斷信號（實驗過程異常中止信號）和負30秒倒計時信號（時序信號，用于通知各系統(tǒng)實驗將在30秒后開始，從而做各自的準備工作）。由于采集卡本身只提供一個觸發(fā)信號輸入端口，我們就利用了其1

7、6位數(shù)字量信號輸入I/O端口，將三個信號分別接到其低三位上，通過軟件巡檢的方式來檢測各I/O口通道信號的高、低電平變化，分別做出相應(yīng)的處理。我們將三個外部觸發(fā)信號接在數(shù)字量輸入接口的低三位，對于各種信號組合，以及實驗過程中的情況，可以分為如表1所示的四種情況。－30秒信號觸發(fā)信號中斷信號相應(yīng)處理100開始倒數(shù)計時110開始數(shù)據(jù)采集001實驗中斷處理000無任何信號，繼續(xù)循檢表1觸發(fā)信號及其相應(yīng)處理PCL1800系列采集卡在板卡上有基地址（BASEPORT）選擇跳線，我們可以很方便地進行選擇（不能和系統(tǒng)已經(jīng)使用

8、的地址沖突），采集卡占用了基地址以后的連續(xù)32個I/O地址，除了BASEPORT+0(A/D轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù))以及BASEPORT+26是16-bit（雙字節(jié)）以外，其余地址都是8-bit（單字節(jié)）的。1.2、系統(tǒng)軟件設(shè)計雖然Windows系統(tǒng)不是實時操作系統(tǒng)，但是它的多任務(wù)（多線程）機制允許我們在時間要求不很嚴格的條件下，實現(xiàn)實時系統(tǒng)的某些功能，比如其低精度定時器在秒量級是相對精確的。同時在程序中充分利用