胡浩民 張 菁

(上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池(光電陣列)和蓄電池組成了系統(tǒng)的電源單元[1]。對光伏電池和蓄電池的各種參數(shù)(如電壓、電流、溫度等)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與檢測，不僅有利于篩選性能優(yōu)良的電池，而且對系統(tǒng)的維護(hù)也非常重要。目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已向著并行、高速、大量存儲、實(shí)時(shí)分析處理、集成化等方向發(fā)展[2]。對于批量電池的實(shí)時(shí)檢測，如果采用輪詢方式采集數(shù)據(jù)，很難保證采樣周期的一致性。因此，構(gòu)建了一種星型拓?fù)涞囊蕴W(wǎng)采集環(huán)境，并設(shè)計(jì)了兩級隊(duì)列調(diào)度的數(shù)據(jù)通信模型。通過編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法，確保數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與采樣周期的一致性，這不僅使采集的數(shù)據(jù)有利于分析挖掘，而且該模式可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的信息交換。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，有不少電池巡檢儀和電池參數(shù)監(jiān)測儀提供了電池組實(shí)時(shí)在線巡回檢測的功能，包括對每節(jié)單體電池或整組電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行自動檢測等[3]。計(jì)算機(jī)通過RS-232或RS-485接口實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測電池狀態(tài)、顯示曲線及生成報(bào)表等。這既提高了電池的檢測效率和測試的安全性，又降低了維護(hù)人員的測試勞動強(qiáng)度。采用RS-232或RS-485接口雖然可以很容易地實(shí)現(xiàn)對外圍儀表設(shè)備的通信，但當(dāng)通信結(jié)點(diǎn)比較多時(shí)，會受到接口數(shù)量的限制(如RS-232只提供點(diǎn)對點(diǎn)通信，RS-485支持多點(diǎn)通信，但一個(gè)網(wǎng)段最多連接32個(gè)結(jié)點(diǎn)[4])。為了實(shí)現(xiàn)對太陽能電池的批量檢測，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the system

在圖1所示的太陽能電池檢測系統(tǒng)中，主控計(jì)算機(jī)與“以太網(wǎng)/串口適配器”通過RJ-45接口連接到交換機(jī)，形成星形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。結(jié)點(diǎn)之間采用客戶服務(wù)器模式，通過TCP面向連接的可靠數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行通信[5]。數(shù)據(jù)采集采用了分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)電池巡檢儀中的微處理器可實(shí)現(xiàn)對單組太陽能電池的檢測，采集的數(shù)據(jù)通過串口傳送到以太網(wǎng)/串口適配器，適配器再將轉(zhuǎn)換后的TCP數(shù)據(jù)報(bào)交付以太網(wǎng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只是提供了一種分布式的處理環(huán)境，采用怎樣的通信模型與算法，將會在很大程度上影響數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。

2 調(diào)度通信模型設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

通常實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求定時(shí)準(zhǔn)確，即采樣間隔具有較好的一致性[6]。在圖1所示的電池檢測系統(tǒng)中，主控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)/串口適配器將數(shù)據(jù)采集指令發(fā)送給電池巡檢儀，巡檢儀根據(jù)指令從電池采集電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)/串口適配器再將巡檢儀采集的數(shù)據(jù)返回給主控計(jì)算機(jī)。當(dāng)被測電池?cái)?shù)量較多時(shí)，如果采用輪詢采集方式，采樣周期的一致性將很難得到保證。這是因?yàn)槿我徊杉ǖ赖淖枞紩蓴_采樣周期，影響實(shí)時(shí)性，降低系統(tǒng)的效率。雖然采用多線程并發(fā)方式能隔離采集通道之間的干擾，但如果沒有合理的同步調(diào)度機(jī)制，也難以避免這一現(xiàn)象。兩級隊(duì)列調(diào)度通信模型描述了如何在確保線程在完成周期性采樣的前提下，實(shí)現(xiàn)對臨界資源的互斥與同步，達(dá)到實(shí)時(shí)采樣與可靠歸檔。根據(jù)程序并發(fā)執(zhí)行條件可知，若p1和p2這兩個(gè)程序能并發(fā)執(zhí)行，且具有可再現(xiàn)性，需要滿足以下Bernstein條件[7]：

式中：R為“讀集”;W為“寫集”。設(shè)采集線程集合為S={thread1，thread2，…，threadn}，由式(1)可知，對于?ti、?tj(ti∈S，tj∈S，ti≠tj)，如有 R(p1)∩W(p2)∪R(p2)∩W(p1)∪W(p1)∩W(p2)={}，則能使任意數(shù)據(jù)的采集通道均不會因競爭資源而阻塞。若為每個(gè)采集線程分配獨(dú)立的緩沖隊(duì)列存放數(shù)據(jù)，即可滿足上述條件。

采集線程除了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能(入隊(duì)操作)之外，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔功能(出隊(duì)操作)。設(shè)歸檔數(shù)據(jù)庫所支持的并發(fā)度為p，則當(dāng)p＜n時(shí)，并發(fā)度p成為采集線程集合的臨界資源，推導(dǎo)的Bernstein條件被破壞;當(dāng)p≥n時(shí)，雖不會出現(xiàn)資源競爭而引起的阻塞，但普適性較差。這是因?yàn)閜是由數(shù)據(jù)庫的性能所決定的，n隨著實(shí)際的應(yīng)用而變化，很可能會出現(xiàn)無法滿足這一條件的情況。因此，增加一個(gè)歸檔隊(duì)列，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔前先進(jìn)入該緩沖隊(duì)列，再由m個(gè)歸檔線程完成存數(shù)據(jù)庫操作。因?yàn)閿?shù)據(jù)庫系統(tǒng)常用基于鎖的并發(fā)控制，獲得一個(gè)鎖的開銷遠(yuǎn)小于處理數(shù)據(jù)的開銷[8]，所以m可取小于或大于p的值，且與n無關(guān)。

由于歸檔隊(duì)列是臨界資源，因此，緩沖隊(duì)列與歸檔隊(duì)列之間的數(shù)據(jù)調(diào)度由“隊(duì)列線程”完成，否則會出現(xiàn)采集線程競爭歸檔隊(duì)列而引起的阻塞。此外，當(dāng)緩沖隊(duì)列空時(shí)，隊(duì)列線程會阻塞，所以隊(duì)列線程個(gè)數(shù)需要n個(gè)，否則會引起其他緩沖隊(duì)列的溢出和采集線程的阻塞。兩級隊(duì)列調(diào)度通信模型如圖2所示。

圖2 兩級隊(duì)列調(diào)度通信模型Fig.2 Two-stage queue scheduling communication model

由以上模型可知，在緩沖隊(duì)列不滿的條件下，采集線程可以獲得最大程度的并發(fā)，數(shù)據(jù)采集周期的一致性可以得到有效保證。隊(duì)列線程與采集線程分別操作的是out和in指向的存儲空間，因此對并發(fā)不產(chǎn)生影響，只有在隊(duì)列空和隊(duì)列滿的狀態(tài)下需要同步。隊(duì)列線程之間競爭的是歸檔隊(duì)列尾指針，雖然需要同步，但臨界區(qū)很小，所以對并發(fā)影響不大。需要指出的是，歸檔線程應(yīng)帶一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)部存儲區(qū)，當(dāng)某一線程獲得隊(duì)列頭時(shí)，將隊(duì)列頭指針指向的數(shù)據(jù)項(xiàng)復(fù)制到自身的存儲區(qū)，然后立即釋放隊(duì)列頭臨界資源，再進(jìn)行寫數(shù)據(jù)庫操作。試驗(yàn)表明，這有利于提高歸檔速度。

2.2 算法描述

信號量提供了一種方便有效的進(jìn)程同步處理機(jī)制，但由于大量的同步操作分散在每個(gè)要訪問臨界資源的進(jìn)程中，不僅給系統(tǒng)的管理帶來麻煩，還會由于使用不當(dāng)而導(dǎo)致一些難以檢測的時(shí)序錯誤[9]。而管程定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和能為并發(fā)進(jìn)程所執(zhí)行在該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的一組操作，這組操作能同步進(jìn)程和改變管程中的數(shù)據(jù)。鑒于這一特征，定義了類似管程功能的兩個(gè)類(CMonitorQ1和CMonitorQ2)來實(shí)現(xiàn)三種線程對兩級隊(duì)列的同步與互斥。設(shè)緩沖隊(duì)列為一級隊(duì)列，歸檔隊(duì)列為二級隊(duì)列，模型對應(yīng)的算法描述如下。

每路數(shù)據(jù)采集通道均需要一個(gè)CMonitorQ1對象。該對象用于采集線程(調(diào)用putQ1Data)和隊(duì)列線程(調(diào)用getQ1Data)對一級緩沖隊(duì)列buffer的同步操作。由于兩類線程各只有一個(gè)，且操作的分別是隊(duì)列頭和隊(duì)列尾，因此在隊(duì)列空或滿時(shí)同步即可。另外，getQ1Data在對緩沖隊(duì)列空信號量進(jìn)行V操作之前必須將數(shù)據(jù)存入臨時(shí)空間，而不能只保存下標(biāo)，否則就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)被覆蓋的可能。

第二級隊(duì)列的同步與互斥操作由CMonitorQ2對象實(shí)現(xiàn)。該對象只需要一個(gè)，隊(duì)列線程調(diào)用putQ2Data，歸檔線程調(diào)用getQ2Data。由于有多個(gè)線程競爭隊(duì)列頭與隊(duì)列尾，所以引入兩個(gè)互斥量mutexHead和mutexRear，用于互斥操作。為防止死鎖的出現(xiàn)，以下的P、V操作次序不能交換。同樣地，getQ2Data中對queueEmpty的V操作之前，歸檔線程需要把數(shù)據(jù)復(fù)制到自身的臨時(shí)空間。

以上列出了兩個(gè)類的主要成員與方法，其中對信號量和互斥量的P操作可用WaitForSingleObject實(shí)現(xiàn);V操作則分別用ReleaseSemaphore和ReleaseSemaphore完成[10]。因?yàn)樗械耐脚c互斥操作全部集中到CMonitorQ1和CMonitorQ2對象，所以有效地控制了三類線程的復(fù)雜度。以隊(duì)列線程的Execute方法為例，描述如下。

在以上算法中，getQ1Data()在一級緩沖隊(duì)列空時(shí)阻塞;putQ2Data()在二級歸檔隊(duì)列滿時(shí)阻塞。雖然二級歸檔隊(duì)列是多個(gè)歸檔線程競爭的臨界資源，但因?yàn)榕R界區(qū)很小，且有一級緩沖隊(duì)列為采集線程服務(wù)，所以系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與采集周期可以得到有效保證。

3 應(yīng)用實(shí)例

兩級隊(duì)列調(diào)度通信模型已應(yīng)用于太陽能電池的巡檢。這一系統(tǒng)可對太陽能電池進(jìn)行批量檢測與監(jiān)控，掌握電池組的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測記錄并顯示各單體電池或電池組電壓、電流、電池溫度等參數(shù)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)劣質(zhì)電池，保證系統(tǒng)正?？煽?、無故障運(yùn)行。采集的數(shù)據(jù)在歸檔的同時(shí)，還可以實(shí)時(shí)、直觀地用趨勢圖顯示。采集周期一致的歸檔數(shù)據(jù)為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、處理與挖掘提供了有利條件。

4 結(jié)束語

兩級隊(duì)列調(diào)度通信模型是在批量電池巡檢中，為防止局部模塊異常對數(shù)據(jù)采集周期一致性的影響而提出的。該模型通過三類線程調(diào)度和兩級緩沖隊(duì)列隔離的方法，有效地確保了局部采集模塊的阻塞不會成為采樣實(shí)時(shí)性的瓶頸。實(shí)踐表明，該模型有效實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、采樣間隔的一致性、歸檔過程的可靠性以及歸檔模塊對不同數(shù)據(jù)庫并發(fā)功能的支持。

[1]董宏，張飄.通信用光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，2008：20 －23.

[2]徐德炳，徐興.數(shù)據(jù)采集與總線技術(shù)的發(fā)展[J].測控技術(shù)，2002，21(6)：1 －6.

[3]宋森濤，楊運(yùn)國.用于智能巡檢儀的數(shù)字濾波技術(shù)研究[J].華東電力，2005，33(9)：47 －49.

[4]王華忠.監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：27 －28.

[5]Andrew S，Tanenbaum.Computer networks[M].Fourth edition.Pearson Education，2004：454 －457.

[6]鄭存紅，胡榮強(qiáng)，趙瑞峰.用Visual C++實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002(4)：103 －104.

[7]湯子瀛，哲鳳屏，湯小丹.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001：38 －39.

[8]王振明.SCADA監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：51 －52.

[9]Abraham S，Peter B G，Greg G.Operating system concepts[M].Seventh edition.Wiley，2007：209 －210.

[10]Jeffrey M R，Christophe N.Windows via C/C++[M].Microsoft Press，2008：246 －269.