汪洪潮，楊俊峰，王天星，孫正陽，宋克柱

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，合肥230026；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，合肥230026）

引 言

數(shù)據(jù)獲取是指將現(xiàn)實世界中的信號進行采樣以便后續(xù)的傳輸、分析、處理和存儲的過程。目前數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究的各個領(lǐng)域中。一個典型的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)由傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)3個部分組成［1］。

數(shù)據(jù)顯示單元是監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分，操作人員可以通過數(shù)據(jù)顯示單元對前端電子學(xué)系統(tǒng)所上傳的數(shù)據(jù)進行查看和分析，從而掌握實驗數(shù)據(jù)或?qū)φ麄€電子學(xué)系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)控。

在過去的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中，針對不同的顯示需求和數(shù)據(jù)類型，往往會單獨設(shè)計數(shù)據(jù)顯示模塊。例如在大亞灣中微子實驗中搭建了基于Web的遠程監(jiān)測軟件，利用直方圖和數(shù)據(jù)表格對前端電子學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行顯示，提供狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)流監(jiān)測等功能［2］；中國散裂中子源項目基于Qt設(shè)計與實現(xiàn)了高通粉末衍射儀的圖形用戶界面［3］；在一個Blackfin DSP的圖像采集與實時顯示系統(tǒng)中其直接利用寫液晶顯示器RAM的方法實現(xiàn)顯示功能［4］。

上述幾種數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)有著不同的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)接口以及數(shù)據(jù)顯示需求，所以針對各系統(tǒng)實現(xiàn)了定制的數(shù)據(jù)顯示模塊，重復(fù)工作較多，且難以實現(xiàn)系統(tǒng)間的通用。本文在流處理的自研通用數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)框架下，設(shè)計和實現(xiàn)一種通用的數(shù)據(jù)顯示模塊。此數(shù)據(jù)顯示模塊相對獨立于前端電子學(xué)系統(tǒng)，在不同的系統(tǒng)中做一些簡單配置便可以即插即用，極大減小了系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的重復(fù)工作量，縮短開發(fā)周期。

1 數(shù)據(jù)顯示模塊簡介

通用數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計與實現(xiàn)基于自研的數(shù)據(jù)獲取架構(gòu)D-Matrix系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)獲取架構(gòu)下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本設(shè)計思想是采用一系列級聯(lián)的流處理節(jié)點（FPGA實現(xiàn)或軟件實現(xiàn)）來構(gòu)建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計階段使用不同的參數(shù)來描述各個節(jié)點所在數(shù)據(jù)域的具體屬性，包括數(shù)據(jù)的時間空間尺度、數(shù)據(jù)內(nèi)容的組織和編碼方式等，在同一個數(shù)據(jù)域下的流處理節(jié)點之間采用相同的數(shù)據(jù)格式定義和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，可以自由地進行互連，從而組合出數(shù)據(jù)獲取過程中需要的各種數(shù)據(jù)處理操作。

圖1 流處理數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of stream processing DAQ system

此數(shù)據(jù)獲取架構(gòu)主要面向傳感器陣列由大量相同的傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。傳感器陣列作為整個流的數(shù)據(jù)產(chǎn)生節(jié)點，上傳的數(shù)據(jù)具有相同的數(shù)據(jù)格式和特點，數(shù)據(jù)處理節(jié)點匯聚所有相同的傳感器數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)流進行統(tǒng)一的處理。數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)相同的數(shù)據(jù)矩陣的格式在節(jié)點間流動，數(shù)據(jù)矩陣的格式和接口由自研的D-Matrix協(xié)議詳細、嚴格規(guī)定，在第2節(jié)有進一步的描述?；诖祟悢?shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在數(shù)據(jù)組織上的相似性，不同的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)或數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中不同層級的傳感器所輸出的數(shù)據(jù)僅僅在數(shù)據(jù)尺度上不同而在格式上相同，所以可以采用相似的數(shù)據(jù)處理和顯示方法，使得通用數(shù)據(jù)顯示模塊的實現(xiàn)成為可能。

在這樣的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)顯示模塊可以看成一個只有數(shù)據(jù)流入、沒有數(shù)據(jù)流出的用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的通用數(shù)據(jù)處理節(jié)點。只要系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理節(jié)點與數(shù)據(jù)顯示模塊具有相同的數(shù)據(jù)域?qū)傩?，其?shù)據(jù)接口模式由已有的數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)定為相同，那么使用相同數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)顯示節(jié)點就可以實現(xiàn)對任何一個數(shù)據(jù)處理節(jié)點輸出的數(shù)據(jù)流進行顯示，做到即插即用。數(shù)據(jù)顯示模塊內(nèi)部由兩種獨立的流處理節(jié)點構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)生成節(jié)點和數(shù)據(jù)顯示節(jié)點。

由于數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)有時不直接用于顯示，所以設(shè)計了顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點連接數(shù)據(jù)顯示節(jié)點和數(shù)據(jù)處理節(jié)點，用于從一般的數(shù)據(jù)流中提取或統(tǒng)計監(jiān)控人員感興趣的數(shù)據(jù)信息生成顯示數(shù)據(jù)流。顯示數(shù)據(jù)流獨立于產(chǎn)生顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流，在系統(tǒng)中作為單獨的流存在，具備自己的數(shù)據(jù)域相關(guān)屬性。如果需要直接顯示數(shù)據(jù)處理節(jié)點輸出的結(jié)果而不需要任何抽取和統(tǒng)計的操作，則可以省略數(shù)據(jù)生成節(jié)點。

數(shù)據(jù)顯示節(jié)點則提供多種不同的數(shù)據(jù)顯示方法。顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點和數(shù)據(jù)顯示節(jié)點分別在第2、3節(jié)有詳細描述。通過配置上述兩個節(jié)點所形成的數(shù)據(jù)顯示模塊可以實現(xiàn)在不同數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)間或不同的數(shù)據(jù)處理節(jié)點間的通用。

2 顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點

為了從一般的數(shù)據(jù)流中獲取顯示所需要的數(shù)據(jù)，本文統(tǒng)一了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并設(shè)計了顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)流數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)矩陣

基于第1節(jié)中對流處理數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的描述，將所采集的數(shù)據(jù)進行抽象概括。普遍地，一個基本數(shù)據(jù)單元都包含以下的信息：

（1）數(shù)據(jù)時間信息。描述數(shù)據(jù)產(chǎn)生時刻的信息。

（2）數(shù)據(jù)空間信息。描述數(shù)據(jù)產(chǎn)生的空間信息。理論上，不論實際的傳感器陣列的空間排列是一維（如單條拖纜中的水聽器陣列）、二維（如相機傳感器中的光傳感器陣列）或三維（如高能物理實驗中的探測器陣列），都可以用一個一維的數(shù)組對所有的傳感器進行編號，將高維的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成一維空間信息來進行處理。

（3）數(shù)據(jù)信息。用于記錄某一時刻某一個傳感器生成的電信號經(jīng)數(shù)字化之后的數(shù)據(jù)本身。

在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，某一時刻某一個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以用時間-空間-數(shù)據(jù)這樣的三維方式進行完全的描述?？紤]一個傳感器陣列在一段時間內(nèi)連續(xù)工作的情況，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以看成是上述最小數(shù)據(jù)單元的合并，此時用一個數(shù)據(jù)矩陣可以實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)信息的描述。

如圖2所示是一般的數(shù)據(jù)矩陣模型，由多個時刻、多個傳感器所生成的數(shù)據(jù)合并而成。節(jié)點間流動的數(shù)據(jù)都由一個具體的數(shù)據(jù)矩陣描述，這樣可以統(tǒng)一所有節(jié)點的數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)矩陣的時間、空間尺度可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理節(jié)點的性能和需求進行合理、靈活地配置。理論上一個無限延伸的數(shù)據(jù)矩陣可以描述一個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)持續(xù)工作的狀態(tài)下產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)。

在D-Matrix架構(gòu)下，各流處理節(jié)點之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)流數(shù)據(jù)幀是由某個時間和空間尺度范圍的數(shù)據(jù)矩陣和對數(shù)據(jù)矩陣的描述信息構(gòu)成的。根據(jù)數(shù)據(jù)矩陣的稀疏性，在D-Matrix中提供二維數(shù)組和時間-空間-數(shù)據(jù)三元組兩種方式來分別描述稠密的數(shù)據(jù)矩陣（如海洋地震勘探數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)）和稀疏的數(shù)據(jù)矩陣（如高能物理實驗數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)）。

圖2 數(shù)據(jù)矩陣Fig.2 Data matrix

2.2 顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點

根據(jù)2.1節(jié)所描述的數(shù)據(jù)矩陣的特點，數(shù)據(jù)矩陣中包含時間、空間、數(shù)據(jù)3個維度的信息。數(shù)據(jù)顯示模塊中顯示的信息可能不包含數(shù)據(jù)矩陣中所有維度的信息，顯示的數(shù)據(jù)可能也不是數(shù)據(jù)幅值本身。顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點從數(shù)據(jù)中抽取一定維度的信息，同時可以進行一些常用的數(shù)據(jù)計算，生成直接用于顯示的數(shù)據(jù)。

如圖3所示，顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點維護一個空間長度為S、時間長度為T的二維矩陣，其大小與其對應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示節(jié)點每次圖表刷新的數(shù)據(jù)尺度相同，此時間、空間尺度也作為輸入數(shù)據(jù)的過濾條件。輸入數(shù)據(jù)不需要計算時，數(shù)據(jù)過濾部分會根據(jù)數(shù)據(jù)的時間、空間坐標(biāo)進行過濾，若數(shù)據(jù)符合條件則將其直接按照時間、空間坐標(biāo)寫入數(shù)據(jù)矩陣相應(yīng)的位置中保存；不符合條件則直接丟棄。節(jié)點提供二操作數(shù)運算功能。若輸入數(shù)據(jù)的坐標(biāo)（s，t）符合條件，則根據(jù)坐標(biāo)從數(shù)據(jù)矩陣中讀出上一個時間戳的數(shù)據(jù)（s，t-n）進行計算，計算的方式包括累加、條件計數(shù)、差分等，并將得到的結(jié)果寫到數(shù)據(jù)矩陣的原位置中。

圖3 顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點Fig.3 Display data generation node

顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點向數(shù)據(jù)顯示節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的模式分為主動和被動兩種。主動發(fā)送模式下，顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點按照一定的時間間隔將數(shù)據(jù)矩陣中的數(shù)據(jù)主動打包發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示節(jié)點；被動發(fā)送模式下，僅當(dāng)數(shù)據(jù)符合一定條件時，例如數(shù)據(jù)矩陣中所有的數(shù)據(jù)都經(jīng)過至少一次刷新時，數(shù)據(jù)被打包發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示節(jié)點。

這樣的顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點，可以實現(xiàn)前端上傳的數(shù)據(jù)速率或容量與數(shù)據(jù)顯示節(jié)點所需要顯示的數(shù)據(jù)速率和容量的相互獨立，例如在前端數(shù)據(jù)率過高時進行數(shù)據(jù)抽取，在前端數(shù)據(jù)零碎時進行數(shù)據(jù)緩沖，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示節(jié)點對不同速率、容量的數(shù)據(jù)獲取前端的匹配。

設(shè)計中利用FPGA硬件邏輯和C++程序兩種不同的方式實現(xiàn)了顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點，當(dāng)利用FPGA硬件實現(xiàn)時，此節(jié)點可以對數(shù)據(jù)流進行無抽取的實時處理，處理范圍覆蓋整個數(shù)據(jù)空間。利用顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點，對于不同的數(shù)據(jù)流輸入，都可以形成一個有限尺度的二維數(shù)據(jù)流發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示節(jié)點。

3 數(shù)據(jù)顯示節(jié)點的圖形界面設(shè)計

根據(jù)第2節(jié)的分析，數(shù)據(jù)顯示節(jié)點的功能是對一個時間、空間尺度為T×S的不斷刷新的有限數(shù)據(jù)矩陣中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化。

二維數(shù)據(jù)中的信息包括時間、空間、數(shù)據(jù)幅值3個維度。因為數(shù)據(jù)幅值必須被顯示，在T=1或S=1的情況下，三維數(shù)據(jù)退化為二維，這也是數(shù)據(jù)顯示模塊所面對的最低數(shù)據(jù)維度。

在數(shù)據(jù)可視化過程中，原本被拉伸成一維的空間維度可能重新被折疊成為二維或三維，數(shù)據(jù)顯示模塊所面對的最高數(shù)據(jù)維度為五維?？紤]顯示時圖表中的最高顯示維度為四維，即3個空間維度加上顏色維度，所以設(shè)計以下3種顯示方法。

3.1 二維數(shù)據(jù)顯示

此顯示方法適用于時間尺度T=1或空間尺度S=1的二維數(shù)據(jù)顯示。

如圖4所示，數(shù)據(jù)顯示節(jié)點提供折線圖、直方圖兩種方式用于顯示二維數(shù)據(jù)。圖表中橫坐標(biāo)被設(shè)定為時間或空間坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)幅值。這種二維顯示方法可以直觀地看到某一通道隨時間的變化趨勢或某一時刻所有通道的數(shù)據(jù)分布。

圖4 二維數(shù)據(jù)顯示界面Fig.4 Graphic interface for 2-D data

3.2 三維數(shù)據(jù)顯示

此方法適用于時間尺度、空間尺度均不唯一或時間尺度T=1且空間尺度被再次折疊成二維的三維數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)顯示節(jié)點提供二維熱力圖、多通道折線圖和三維直方圖3種方法顯示三維數(shù)據(jù)（圖5）。

使用二維熱力圖顯示三維數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)幅度通過矩形色塊的顏色形式顯示，色塊顏色與幅值的具體關(guān)系標(biāo)尺在熱力圖右側(cè)。二維熱力圖的兩個坐標(biāo)軸可被設(shè)置為時間-空間坐標(biāo)，可以清晰地觀察多個傳感器通道在一定時間范圍內(nèi)的變化趨勢。當(dāng)時間尺度T=1且空間坐標(biāo)被折疊成二維時，二維熱力圖的兩個坐標(biāo)軸被設(shè)置為兩個空間坐標(biāo)，這種顯示更適用于原傳感器陣列的空間位置分布為二維平面的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。其顯示具體效果如圖5（a）所示。類似地，在使用三維直方圖顯示三維數(shù)據(jù)時，三維直方圖的3個坐標(biāo)軸被設(shè)置為時間、空間、幅度或空間1、空間2、數(shù)據(jù)幅度，其具體顯示效果如圖5（c）所示。在多通道折線圖中，橫坐標(biāo)被設(shè)置為時間坐標(biāo)，不同的折線圖代表不同的空間位置，顯示效果如圖5（b）所示。多通道折線圖不適用于空間坐標(biāo)折疊的情況。

圖5 三維數(shù)據(jù)顯示界面Fig.5 Graphic interface for 3-D data

3.3 四維數(shù)據(jù)顯示

此方法適用于四維數(shù)據(jù)的顯示，包括：

（1）空間坐標(biāo)折疊成二維的情況下，時間-空間1-空間2-數(shù)據(jù)幅值的四維數(shù)據(jù)顯示；

（2）時間尺度T=1且空間坐標(biāo)折疊成三維的情況下，空間1-空間2-空間3-數(shù)據(jù)幅值的四維數(shù)據(jù)顯示。

數(shù)據(jù)顯示節(jié)點提供三維散點圖用于四維數(shù)據(jù)顯示。在一些高能物理實驗中，數(shù)據(jù)幅值用于記錄粒子的軌跡或分布概率，僅用0和1來表示，可以使用單色三維散點圖來顯示，三維散點圖的3個坐標(biāo)軸根據(jù)數(shù)據(jù)被設(shè)置成兩個空間坐標(biāo)、一個時間坐標(biāo)或3個空間坐標(biāo)，顯示效果如圖6所示。需要顯示更多的數(shù)據(jù)幅值時可以利用散點的顏色維度。當(dāng)數(shù)據(jù)過于密集時，圖中的散點可能會相互遮蓋，不利于觀察，此時盡量采取其他顯示方法。

圖6 四維數(shù)據(jù)顯示界面Fig.6 Graphic interface for 4-D data

4 數(shù)據(jù)顯示節(jié)點

如圖7所示為數(shù)據(jù)顯示節(jié)點的結(jié)構(gòu)及其接口。節(jié)點間通過消息隊列和共享內(nèi)存實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，具體的數(shù)據(jù)幀格式由已有的協(xié)議規(guī)定清楚。顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點創(chuàng)建任務(wù)消息隊列和數(shù)據(jù)共享內(nèi)存，將數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)按照特定的數(shù)據(jù)幀格式寫入數(shù)據(jù)共享內(nèi)存中，并將數(shù)據(jù)幀的頭地址作為任務(wù)內(nèi)容發(fā)送到任務(wù)消息隊列中。打開數(shù)據(jù)顯示單元后，軟件內(nèi)核按照頭文件中配置好的名稱連接任務(wù)消息隊列和數(shù)據(jù)共享內(nèi)存。同時創(chuàng)建任務(wù)獲取線程，啟動線程持續(xù)從任務(wù)隊列中獲取任務(wù)消息，若隊列中任務(wù)消息數(shù)量為零，線程陷入阻塞等待；若隊列中存在消息，則立刻從任務(wù)消息中解讀出此數(shù)據(jù)幀的地址信息，交給數(shù)據(jù)顯示主界面，并進入下一次任務(wù)等待。

圖7 數(shù)據(jù)顯示節(jié)點Fig.7 Data display node

數(shù)據(jù)顯示主界面負責(zé)讀取數(shù)據(jù)共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)用于圖表的顯示和刷新。數(shù)據(jù)顯示主界面刷新圖表的方式分為被動刷新模式和主動刷新模式。在被動刷新模式下，當(dāng)數(shù)據(jù)顯示主界面收到任務(wù)獲取線程傳來的數(shù)據(jù)幀地址信息后，立刻按照地址信息讀取數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)，并立刻根據(jù)數(shù)據(jù)刷新顯示圖表，所以圖表刷新的頻率取決于任務(wù)消息到來的頻率，圖表為被動刷新；在主動刷新模式下，數(shù)據(jù)顯示主界面會相應(yīng)地維護一個本地用于存放數(shù)據(jù)的數(shù)組，當(dāng)其收到任務(wù)獲取線程傳來的數(shù)據(jù)幀地址信息后，也會立刻按照地址信息讀取數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)，但只用于更新本地數(shù)組中的數(shù)據(jù)信息，而不會立即刷新圖表；同時軟件會創(chuàng)建刷新定時器，利用定時器定時發(fā)出刷新信號，控制數(shù)據(jù)顯示主界面根據(jù)本地數(shù)組中的數(shù)據(jù)對圖表進行刷新，此時圖表的刷新頻率取決于定時器的配置，圖表為主動刷新。

目前有多種不同的方法可以實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的顯示模塊，包括基于Qt的實現(xiàn)方法［5-7］、基于LabView的實現(xiàn)方法［8-10］以及基于Python的實現(xiàn)方法等［11］。面向高能物理實驗時，鑒于CERN ROOT軟件包在數(shù)據(jù)處理、存儲、統(tǒng)計分析和可視化方面的強大功能［12］，通?；贑ERN ROOT進行開發(fā)［13-15］。本文采用在Qt中嵌入CERN ROOT軟件包的方法開發(fā)通用數(shù)據(jù)顯示模塊，可以同時利用二者的優(yōu)點［16-17］。

5 數(shù)據(jù)顯示模塊應(yīng)用實例

圖8是地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。前端的水聽器陣列的輸出信號被ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由數(shù)據(jù)合并節(jié)點將零碎的數(shù)據(jù)合并成數(shù)據(jù)矩陣上傳［18］。根據(jù)深海地震拖纜的結(jié)構(gòu)特點和對數(shù)據(jù)顯示的需求，將其數(shù)據(jù)顯示部分劃分為以下4個數(shù)據(jù)顯示模塊，都可以通過配置前文所述的數(shù)據(jù)顯示模塊來實現(xiàn)。

圖8 地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of seismic DAQ system

（1）振子數(shù)據(jù)顯示節(jié)點

由顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點配置實現(xiàn)了振子數(shù)據(jù)抽取節(jié)點，其創(chuàng)建并維護一個時間尺度為1，空間尺度為2 400的數(shù)據(jù)矩陣，對數(shù)據(jù)矩陣中的數(shù)據(jù)持續(xù)刷新，在命令流的控制下以0.125 s的間隔將數(shù)據(jù)矩陣中的全部數(shù)據(jù)打包發(fā)送給振子數(shù)據(jù)顯示矩陣，用于持續(xù)監(jiān)控每個通道的工作狀態(tài)。由于數(shù)據(jù)矩陣中時間尺度為1，所以這是一個典型的二維數(shù)據(jù)顯示，利用3.1節(jié)中描述的二維直方圖可以進行振子數(shù)據(jù)顯示，其顯示效果如圖9（a）所示。

（2）地震數(shù)據(jù)顯示節(jié)點

由顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點配置實現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)截取節(jié)點，其創(chuàng)建并維護一個時間尺度為16 384、空間尺度為2 400的數(shù)據(jù)矩陣，即可以存放地震波生成之后8 s內(nèi)2 400個通道產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，并將其傳輸給地震數(shù)據(jù)顯示節(jié)點進行顯示，地震數(shù)據(jù)同時也流向FFT節(jié)點進行快速傅里葉變換。這是一個三維數(shù)據(jù)顯示，利用3.2節(jié)中的多通道折線圖可以實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)顯示，效果如圖9（b）所示。

圖9 地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示節(jié)點Fig.9 Data display node for seismic DAQ system

（3）頻域數(shù)據(jù)顯示節(jié)點

頻域數(shù)據(jù)顯示節(jié)點會對前端生成的頻域數(shù)據(jù)進行全部顯示，故不需要顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點。頻域數(shù)據(jù)顯示節(jié)點面對的數(shù)據(jù)維度是頻率-空間-數(shù)據(jù)幅值3個維度，利用3.2節(jié)中的多通道折線圖可以完成對多個通道的頻域數(shù)據(jù)顯示。

（4）測試結(jié)果顯示節(jié)點

與頻域數(shù)據(jù)顯示節(jié)點相同，測試結(jié)果顯示節(jié)點對前端生成的所有測試結(jié)果數(shù)據(jù)進行顯示，不需要顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點。測試結(jié)果生成節(jié)點獲得通道的頻域數(shù)據(jù)后進行計算并得到通道的IQC（Instrument quality control）測試結(jié)果，包括系統(tǒng)噪聲、串?dāng)_系數(shù)、檢波器噪聲等，輸出給測試結(jié)果顯示節(jié)點進行顯示。由于對于一次IQC測試，每個通道僅有一個數(shù)據(jù)幅值用于記錄測試結(jié)果，所以測試結(jié)果生成節(jié)點僅需維護一個時間尺度為1、空間尺度為2 400的數(shù)據(jù)矩陣，用于記錄每個數(shù)據(jù)通道的測試結(jié)果，并發(fā)送給測試結(jié)果顯示節(jié)點。這是二維數(shù)據(jù)顯示，利用3.1節(jié)中的二維直方圖可以實現(xiàn)測試結(jié)果顯示。

本文對數(shù)據(jù)顯示節(jié)點進行了軟件性能測試。在測試環(huán)境（CPU：酷睿i7-7700k，內(nèi)存：16 GB，無獨立顯卡，系統(tǒng)為ubuntu18.04）中，振子數(shù)據(jù)顯示節(jié)點可以同時顯示全部2 400道振子數(shù)據(jù)，此時幀數(shù)據(jù)文件較小，約為9.4 KB，此時圖表能夠以50幀/s刷新速率流暢運行和縮放，數(shù)據(jù)量約為470 KB/s。在這種每幀數(shù)據(jù)率較小的情況下，圖表能夠維持很高的刷新速率，超過監(jiān)控人員肉眼能夠觀察的極限。地震數(shù)據(jù)顯示節(jié)點可以對每條拖纜中2 400個通道、16 384個時間點的數(shù)據(jù)進行顯示，同時最多顯示4條拖纜的實時數(shù)據(jù)，此時幀數(shù)據(jù)文件較大，約為600 MB。在這種幀數(shù)據(jù)文件較大的情況下，節(jié)點能夠以每次8 s的速率流暢刷新，平均每秒數(shù)據(jù)達到75 MB。兩個節(jié)點均可以穩(wěn)定運行10 h以上，完全可以滿足項目需求。通過配置通用數(shù)據(jù)顯示模塊所構(gòu)建的振子數(shù)據(jù)顯示節(jié)點和地震數(shù)據(jù)顯示節(jié)點，證明此數(shù)據(jù)顯示模塊在大數(shù)據(jù)文件和高刷新速率兩個相對極端的情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的功能，可以在一定程度上證明其通用性。

6 結(jié)束語

本文分析了不同的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)顯示單元的普遍需求，提出了在流處理的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中實現(xiàn)相對通用的數(shù)據(jù)顯示單元的方法，設(shè)計了通用的數(shù)據(jù)顯示模塊及與其他節(jié)點的接口結(jié)構(gòu)，并在深海地震拖纜的項目背景下對其進行了實現(xiàn)和測試，數(shù)據(jù)顯示模塊顯示清楚，運行穩(wěn)定可靠，刷新速率高，可擴展性強，證明了所提出方法的切實可行。

基于文中描述的方法針對深海地震拖纜項目開發(fā)的顯示單元將在此項目后續(xù)的聯(lián)調(diào)測試中使用，同時將針對實測聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)的問題持續(xù)地進行改進和完善。此方法能夠廣泛地應(yīng)用于其他不同的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中，諸如多個高能物理實驗的數(shù)據(jù)顯示中，具有較強的通用性，能夠極大地減小不同的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)顯示單元的開發(fā)周期，減輕工作量。