基于TCP／IP的多数据流传输测控系统的设计与实现

摘要：为保证子测控设备的独立测量、状态监控和实时数据的同步传输，设计基于TCP／IP的多数据流传输测控系统，对需求参数进行测量，采用基于多重事件的网络通信技术、数据采集技术及基于队列的多数据同步处理技术，利用现有的局域网资源，实现设备的控制，实现数据的实时获取、存储，数据流整合，实现信息、资源及任务的综合共享及管理。该系统经长期运行，稳定可靠，达到了设计的要求。
关键词：测控系统；TCP／IP；多数据流；多重事件；数据队列

0 引言
    随着工业的发展，工业现场的规模越来越大，几台甚至十几台计算机在不同的地理位置完成不同的工业测量或控制任务，体现出网络化、集成化、分布化、节点智能化发展的趋势，伴随而来的是数据源的增多和设备监控复杂度的增加，为此设计一种多数据流网络传输测控系统。本系统以TCP／IP技术为基础而搭建的网络测控平台，实现了分布式的多台计算机的信息交互和设备控制，具有简单、高效、实时性高等优点。

1 系统原理与组成
    多数据流传输测控系统可以分为：数据源设备模块、数传与实时处理模块、远程控制台模块、控制台设备模块、前端单片机采集设备模块五个部分。系统组成如图1所示。在这个测控系统中各个测控部分相对独立，可完成电压、电流等多种参数的采集；结果以多个数据流方式发送到数据与实时处理设备或控制台设备实时接收存储和处理，并通过网络把数据传送到远程控制台监控界面；远程控制台监控界面完成对前端数据的显示与综合，以便对前端设备状态进行分析。图1中，数据源设备和数传与实时处理设备之间采用TCP协议，数据源设备为服务器端(Server)，数传与实时处理设备为客户端(Client)，客户端向服务器请求数据成功后，将多个服务器提供的数据流进行存储、综合和发送到远程控制台。数传与实时处理设备同远程控制台之间采用UDP协议通信。与此同时，用户通过远程控制台发送控制命令到控制台设备，完成对控制台设备远程命令控制，控制台设备完成动作后将通过RS 422串行通信接口将接收到的单片机测控模块的采集信号转用网络接口发送回远程控制台。控制台设备和远程控制台设备之间采用UDP协议通信。

    下面分别介绍多数据流传输测控系统五个主要部分的基本组成及功能。
1．1 数据源设备模块和单片机模块
    数据源设备模块和单片机采集模块以两个独立模块作为前端数据采集设备。数据源设备为数传与实时处理设备提供多路TCP数据流，单片机为控制台设备提供串口数据帧。
1．2 数传与实时处理模块
    数传与实时处理模块的系统框图如图2所示。

    数传与实时处理模块作为客户端，数据源设备计算机作为服务器端。二者通过交换机连接到网络上，基于TCP协议与数据源设备模块进行多数据流通信，数据以二进制文件格式写入到本地磁盘。接收完成一次完整数据(定长TCP流数据)后将用户感兴趣的部分数据进行整合为一个数据帧，通过UDP协议方式发送到远程控制台的监控界面。同时用户也可通过手动或自动选择多条码流的部分数据进行本地数据曲线图形显示或数据柱状图形显示。

1．3 远程控制台模块
    远程控制台负责对数传与实时处理模块、控制台模块的网络唤醒和网络监控，以及完成对远程设备电源的相关操作。远程控制台接收相邻模块的网络数据帧(包括数传与实时处理模块对多数据流进行整合的数据帧和控制台模块转发的单片机采集数据帧)，对控制台发送网络控制帧(完成参数设置、系统开启关闭、板卡操作、串口操作等任务)，采用UDP协议进行通信。
1．4 控制台设备模块
    控制台设备模块由CPCI工控计算机和继电器板卡组成。供电电源继电器卡采用NI PXI-2564 16路5 A SPST开关模块，它是大功率继电器卡，可进行电源输入和电源备份；断电及转电控制信号继电器卡采用ADLINK PXI-7901 16路通用SPDT开关模块，可进行电源的控制切换。系统结构及外部接口关系如图3所示。

    系统采用Agilent N6700系列模块电源供电，控制台由RS 422串行通信接口连接到单片机测控模块、网络连接到远程控制台。为通信的稳定可靠，控制台与远程控制台间的千兆以太网通过光电转换器转为光纤连接。控制台接受远程控制台的控制，对来自单片机采集模块的数据进行解码及显示并传向远程控制台，通信采用UDP协议。

2 软件设计与实现
2．1 多重事件方式实现网口及串口通信
    控制台模块需要接收远程控制台的远程控制命令帧和来自RS 422串行通信接口(与单片机采集模块相连)的串行数据，并把串行数据打包成既定格式UDP数据帧转发送到远程控制台，为此控制台软件需建立后台管理器(CTConManager)来开启网络监控线程、串口监控线程两个独立线程进行监控网口和串行口。二者流程图如图4所示。

    软件需要把串口数据进行协议转换为UDP数据帧发送，所以网络监控线程采用等待多重事件的方式来处理由WSACreateEvent函数创建的网络事件(m_evtNetWork)和串口事件(m_evtOverlappedSeira1)，串口监控流程采用异步事件模式监控串行口的数据接收。网络事件由WSAEvent Select函数与当前的socket接口绑定，串口事件由串口接收一个完整数据帧后设置到网络监控线程。当控制台网络可以接收到远程控制台的网络帧(即有网络事件发生)时，线程调用ProcessNetworkEvent函数来处理这个事件(即开始解析远程命令帧)，相应串口事件调用网络监控线程的ProcessSerialEvent函数来处理这个事件(即发送数据帧)。线程中的网络超时事件(WSA_WAIT_TIME OUT)处理超时任务(ProcessTimeOut Event)包括串口和板卡状态的循环检测以及状态数据包的发送。
    软件采用这种机制能及时响应多重事件，实现了串口和网络接口的对接，节省了设备资源，使系统效率得到了提高。
2．2 TCP多数据流整合同步处理
    根据系统要求，数传与实时处理模块将多个TCP流的相同或不同字段的数据进行提取并整合为一个UDP数据报文并发送至远程控制台。
    由于多个TCP数据流发送过程中很可能会出现某个数据流到达时间相对其他数据流有延迟，这就会造成在整合为UDP数据报文的过程中数据的不同步。为解决这个问题，软件采用基于数据队列的方式实现码流同步。首先将多个既定长度的TCP流数据(TCPDataValue)加入(push)多个相应队列(CDataQueue)，当所有队列的长度大于等于1，即所有队列有元素时，将队列中的第一个(即最先压入队列)元素弹出(GetFirstDa ta)，然后进行码流的数据提取。
    下面以三个数据流为例说明这种机制的实现，主要代码如下：


    软件利用这种机制既保证了多数据流数据的同步性，同时又不会对数据的实时性产生较大影响。

3 系统测试
    软件测试环境为装有系统硬件环境的工控机，工控机之间通过千兆以太网络以光纤连接。本系统现有插装继电器板卡的控制台设备一套；LINKSYS(型号为SRW2024)24端口千兆带宽交换机若干台；数据源设备3套，单一数据源设备的数据采集周期为20 ms，整帧长度为4 096 B；单片机测控设备(32路数据通道)一套，数据采集周期为200 ms，整帧长度为32 B。将本系统进行一段时间的数据测试积累，来获取系统的吞吐量、命令响应时间、资源消耗和效率等。
    经过长时间的测试运行表明本系统网络能达到6～7 MB／s的吞吐量，且数据稳定、可靠、同步性高，与数据源对比没有出现乱序、丢包等现象；控制台设备可以较好地分配网口与串口的CPU调度处理时间，接收到远程控制命令可靠，硬件响应时间短；整个系统在一般配置计算机运行占用资源少，运行流畅，达到了设计的要求。

4 结语
    基于TCP／IP的多数据流传输测控系统实现了各数据采集系统设备的控制、数据的传输和处理。本系统利用TCP／IP技术、数据采集技术和面向对象的软件开发技术，利用现有的网络资源，以高性价比实现信息的实时获取存储、设备的高效控制和用户软件界面的直观显示。通过几个月的测试运行，稳定可靠，实时性高，达到了多数据流传输测控的目的。