李亞文， 李 杰， 張鎖平

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

基于VxWorks的船載多傳感器采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李亞文， 李 杰， 張鎖平

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

船載多傳感器采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足數(shù)據(jù)采集的并發(fā)性、數(shù)據(jù)分析的正確性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性等條件?；趯?shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)設(shè)計(jì)一種新型的具有廣泛適應(yīng)性的船載多傳感器采集系統(tǒng)，采用VxWorks作為傳感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用其多任務(wù)并發(fā)的特性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，并與Windows系統(tǒng)協(xié)同工作，共同完成數(shù)據(jù)應(yīng)用。設(shè)計(jì)中采用多任務(wù)并發(fā)、Socket通信等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)XBT和AirMar氣象站兩種傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及應(yīng)用。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)； VxWorks； 船載多傳感器采集系統(tǒng)； 多任務(wù)并發(fā)

0 引 言

隨著我國(guó)海洋科技的快速發(fā)展，大量的數(shù)據(jù)采集需求引發(fā)傳感器的使用越來(lái)越普遍，對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的接收、分析、使用等技術(shù)變得日益重要。鑒于船載多傳感器采集的特殊情況，數(shù)據(jù)處理的可靠性和實(shí)時(shí)性要求比較嚴(yán)格，同時(shí)，大多數(shù)情況下的數(shù)據(jù)采集需要多只傳感器并發(fā)工作，對(duì)數(shù)據(jù)處理的并發(fā)性變得尤為重要。

目前存在的操作系統(tǒng)中，能夠提供多任務(wù)環(huán)境并且具有進(jìn)程間通信和同步功能，同時(shí)滿足并發(fā)性、實(shí)時(shí)性、可靠性及正確性等高性能要求的當(dāng)屬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。

VxWorks系統(tǒng)是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)典型代表,基于VxWorks的研究與設(shè)計(jì)在海洋觀測(cè)中得到了應(yīng)用[1～5]。針對(duì)船載多傳感器采集系統(tǒng)的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)中包括XBT和AirMar氣象站兩種傳感器，XBT主要采集水下溫度、深度等數(shù)據(jù)，而AirMar氣象站主要采集風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度、空氣溫度、相對(duì)濕度及氣壓等數(shù)據(jù)。利用VxWorks的多任務(wù)技術(shù)同時(shí)收集多只傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，處理的結(jié)果通過(guò)Socket接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，使得該原型設(shè)計(jì)成為一套完整的、典型的多任務(wù)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)流程

基于VxWorks的船載多傳感器采集數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分為三部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)流程示意圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集部分由傳感器組成，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共包括XBT和AirMar氣象站兩種類型，可根據(jù)實(shí)際需要同時(shí)連接多種傳感器，每種傳感器也可同時(shí)連接多臺(tái)。每只傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到VxWorks系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)組裝后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端以供用戶使用。

圖1 船載多傳感器采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意圖Fig 1 Flow chart of data of ship-borne multi-sensor acquisition system

另外，鑒于XBT傳感器的特殊性，在其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作之前，需要用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送檢測(cè)命令到VxWorks系統(tǒng)，并由VxWorks系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送檢測(cè)指令對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 體系結(jié)構(gòu)

基于VxWorks的船載多傳感器采集數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，分為傳感器組、數(shù)據(jù)處理中心以及客戶端三部分。

傳感器組由各種傳感器組成，該部分可同時(shí)連接多種類型的傳感器，每種類型的傳感器也可同時(shí)連接多臺(tái)，具體連接傳感器總數(shù)的上限由數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算機(jī)的串口數(shù)決定。數(shù)據(jù)處理中心主要是VxWorks系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，該部分負(fù)責(zé)接收傳感器組通過(guò)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的解析、計(jì)算、組裝以及發(fā)送等工作。數(shù)據(jù)處理中心是船載多傳感器采集數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心組成部分，是整個(gè)原型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。硬件拓?fù)鋱D中的客戶端部分主要是對(duì)數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，客戶端與數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖2 船載多傳感器采集數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件拓?fù)銯ig 2 Hardware topological graph of ship-borne multi-sensor acquisition data processing system

2 具體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)中分別介紹了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)應(yīng)用的詳細(xì)流程，其中涉及2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：多任務(wù)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)、與Windows配合技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分用到的關(guān)鍵技術(shù)是多任務(wù)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。如果船載多傳感器采集系統(tǒng)中同時(shí)存在一只以上的傳感器，多任務(wù)實(shí)時(shí)性接收數(shù)據(jù)變得尤為重要。每只傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)分別由不同的任務(wù)進(jìn)行接收和處理，系統(tǒng)根據(jù)多任務(wù)調(diào)度原理將時(shí)間片分配給每個(gè)任務(wù)，從而保證了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。

該系統(tǒng)采用了以任務(wù)管理任務(wù)的技術(shù)，各個(gè)任務(wù)之間分工合作，并根據(jù)實(shí)際要求靈活地建立和刪除任務(wù)，使得整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程更加清晰。以任務(wù)管理任務(wù)的原理如圖3所示。

圖3中包括三種類型的任務(wù)：端口巡視任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及異常處理任務(wù)。其中，端口巡視任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)的優(yōu)先級(jí)相同，均為低優(yōu)先級(jí)，而異常處理任務(wù)為高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)系統(tǒng)一切運(yùn)行正常時(shí)，系統(tǒng)資源按照時(shí)間片原理在端口巡視任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)之間切換，一旦出現(xiàn)異常狀況，系統(tǒng)資源立刻被高優(yōu)先級(jí)的異常處理任務(wù)占據(jù)，即中斷產(chǎn)生。

通過(guò)以任務(wù)管理任務(wù)的設(shè)計(jì)，端口巡視任務(wù)負(fù)責(zé)輪詢每個(gè)端口，及時(shí)發(fā)現(xiàn)每個(gè)端口的數(shù)據(jù)接收請(qǐng)求，如果發(fā)現(xiàn)某端口有數(shù)據(jù)，則新創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)處理任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)發(fā)送，一系列動(dòng)作結(jié)束后，數(shù)據(jù)處理任務(wù)自行刪除。而端口巡視任務(wù)繼續(xù)巡視下一端口，不需要在任何端口做停留。兩種任務(wù)分工合作，完成整個(gè)數(shù)據(jù)流程。

圖3 以任務(wù)管理任務(wù)的原理圖Fig 3 Principle diagram of task managing by task

2.2 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用

數(shù)據(jù)處理部分包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)組裝三部分。系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值，并根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，最后把計(jì)算結(jié)果按照預(yù)先設(shè)計(jì)的格式進(jìn)行組裝后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口Socket發(fā)送到Windows客戶端。

由于VxWorks系統(tǒng)的特殊性，開(kāi)源免費(fèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法在其上運(yùn)行[6～8]。另外，VxWorks包含的圖形界面庫(kù)WindML只能提供畫點(diǎn)、線、面、顏色和字符串等最基本的功能[9,10]。相比之下，Windows系統(tǒng)豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)接口和靈活的界面設(shè)計(jì)技術(shù)體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。

VxWorks的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制遵循標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議，如果利用其發(fā)達(dá)的通信技術(shù)將這些阻塞性工作轉(zhuǎn)移到Windows系統(tǒng)上進(jìn)行處理，充分發(fā)揮Windows系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)完成該項(xiàng)工作。VxWorks系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)配合工作的具體詳情如圖4所示。

圖4 VxWorks與Windows配合工作示意圖Fig 4 Diagram of VxWorks cooperate with Windows

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 硬件環(huán)境

本設(shè)計(jì)中用到的計(jì)算機(jī)是x86架構(gòu)的雙主板計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)中兩塊主板通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通。其中，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用的VxWorks，數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)采用Windows。

3.2 軟件環(huán)境

設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)處理部分，VxWorks系統(tǒng)版本為5.5，tornado版本為2.2.1，數(shù)據(jù)應(yīng)用部分的數(shù)據(jù)庫(kù)類型為SQLser-ver，界面開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#。

3.3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

本設(shè)計(jì)中，VxWorks系統(tǒng)開(kāi)啟FTP服務(wù)完成版本下載工作，同時(shí)，VxWorks系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)通過(guò)Socket網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 實(shí) 驗(yàn)

針對(duì)本文論述的系統(tǒng)特性，設(shè)計(jì)的每種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中包括傳感器類型、個(gè)數(shù)、每個(gè)端口數(shù)據(jù)采集對(duì)應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等幾方面。

1)XBT傳感器

在該實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)機(jī)的4個(gè)端口均連接X(jué)BT傳感器，任務(wù)優(yōu)先級(jí)從端口1到端口4依次降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，結(jié)果顯示：客戶端接收數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)與預(yù)先設(shè)置的端口任務(wù)優(yōu)先級(jí)一致，數(shù)據(jù)采集正確率為100 %。

表1 實(shí)驗(yàn)1結(jié)果Tab 1 Results of experiment 1

2)AirMar氣象站

在該實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)機(jī)的四個(gè)端口均連接AirMar氣象站，任務(wù)優(yōu)先級(jí)從端口1到端口4依次升高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，結(jié)果表明：客戶端接收數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)與預(yù)先設(shè)置的端口任務(wù)優(yōu)先級(jí)一致，數(shù)據(jù)采集正確率為100%。

表2 實(shí)驗(yàn)2結(jié)果Tab 2 Results of experiment 2

3)XBT傳感器和AirMar氣象站

在該實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)機(jī)的4個(gè)端口分別連接兩個(gè)XBT傳感器和兩個(gè)AirMar氣象站，任務(wù)優(yōu)先級(jí)從端口1到端口4沒(méi)有規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3，結(jié)果顯示：客戶端接收數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)與預(yù)先設(shè)置的端口任務(wù)優(yōu)先級(jí)一致，數(shù)據(jù)采集正確率為100 %。

表3 實(shí)驗(yàn)3結(jié)果Tab 3 Results of experiment 3

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks以其多任務(wù)并發(fā)的內(nèi)核設(shè)計(jì)、靈活的I/O系統(tǒng)、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持和多種文件系統(tǒng)并存的特性，在現(xiàn)有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占有不可忽視的地位，如果將其作為船載多傳感器采集數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)非常合適[11～13]。在多傳感器并發(fā)工作、對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及正確性要求比較嚴(yán)格的船載多傳感器處理系統(tǒng)中，VxWorks可發(fā)揮出非常明顯的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明:該系統(tǒng)較好地滿足任務(wù)要求，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

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Design of ship-borne multi-sensor acquisition system based on VxWorks*

LI Ya-wen, LI Jie, ZHANG Suo-ping

(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Concurrency of data acquisition,correctness of data analysis,reliability of data transmission and real time of data processing are the prerequisites of designing in ship-borne multi-sensor acquisition system.Design a new type of and universal ship-borne multi-sensor acquisition system based on realtime operation system(RTOS),and due to multi-task concurrency characteristic of VxWorks,it is used to implement data acquisition and processing.Cooperate with Window system together complete data applications.Key technologies of multi-task concurrency and Socket communication are used in design,to handle acquisition,processing and application of data acquired by two types of sensors of XBT and AirMar.

realtime operation system(RTOS); VxWorks; ship-borne multi-sensor acquisition system; multi-task concurrency

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0057—03

2014—09—02

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201305033)

TP 316.2

A

1000—9787(2014)12—0057—03

李亞文(1983-)，女，山東煙臺(tái)人，助理工程師，主要研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件研發(fā)。