1  引言

　　隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展,，數(shù)據(jù)采集和存儲技術(shù)已經(jīng)是數(shù)字信號處理中非常重要的環(huán)節(jié)，將決定整個系統(tǒng)的性能,。它廣泛應(yīng)用于雷達(dá),，通信，遙測遙感等領(lǐng)域,。它己經(jīng)成為人們獲得外界信息的重要手段,。基于總線的數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng),，由于可靠且易于實(shí)現(xiàn),、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用,。但當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率很高時,，保持高速數(shù)據(jù)存儲過程的可靠性、實(shí)時性將會成為一個比較棘手的問題,。為此一些廠商提供了雙總線技術(shù),、64位/66MHzPCI總線系統(tǒng)來解決這問題。但這些技術(shù)較為昂貴,，且忽略了現(xiàn)有的硬件設(shè)備,。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與探索，我們選用ADLINK公司的PCI-7300A_RevB超高速數(shù)字I/O卡,，利用現(xiàn)有的單（32位/33MHz）PCI總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成低成本的硬件平臺,，并利用自己開發(fā)的軟件系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了高速（45Mbytes/sec）持續(xù)的數(shù)據(jù)采集于存儲,。

　　2  硬件組成及注意事項(xiàng)

　　為了利用現(xiàn)有的硬件設(shè)備,，降低成本；我們采用ADLINK公司出品的PCI-7300A_RevB超高速數(shù)字I/O卡作為數(shù)據(jù)采集部分,。該卡的主要特性如下：

• 　　32位數(shù)字I/O通道
• 　　32位PCI總線
• 　　通過觸發(fā)信號控制數(shù)據(jù)采集操作的開始,。
• 　　100針SCSI型連接器
• 　　分散/聚攏方式的DMA
• 　　最高傳輸速率80Mbytes/sec

　　要實(shí)現(xiàn)實(shí)時高速的數(shù)據(jù)存儲，使用的一般的硬盤是不行的,。所以我們選用希捷公司出品的型號為ST3146707LC的SCSI硬盤,，該硬盤的容量是146GB,能滿足記錄大量數(shù)據(jù)的需要,，其轉(zhuǎn)速為10Krpm。相應(yīng)的SCSI硬盤控制器,，選用Adaptec公司出品的型號為Adaptec19160的Ultra160-SCSI硬盤控制器,。

　　在搭建硬件平臺的過程中有些問題是必須注意的，否則系統(tǒng)不能正常工作,。首先,，PCI-7300A_RevB卡雖然采用分散/聚攏方式的DMA,但它對CPU資源的占用率是非常高的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明,，要保證整個數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)正常工作,，只能使用奔四1.7G以上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其次,，Windows系統(tǒng)允許多個設(shè)備共享一個中斷請求號（IRQ）,。為了保證存儲過程的實(shí)時性，必須確保SCSI硬盤控制器和PCI-7300A_RevB卡使用不同的IRQ,?？梢栽谥靼錌IOS里把Pnp（即插即用）/PCI設(shè)備的IRQ進(jìn)行手動配置。最后Windows2000ServicePack2（SP2）及早期版本不支持大于137GB容量的硬盤,。須要先安裝ServicePack3,再在注冊表（HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesAtapiParameters）里添加一個REG_DWORD類型的參數(shù)EnableBigLba,并把值設(shè)成0x1,。這樣146GB的硬盤才能工作正常。

　　3  軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)直接決定硬件是否能正常工作,，以及能否充分發(fā)揮硬件的性能,。

　　3.1 PCIS-DASK及雙緩沖區(qū)模式的工作原理

　　PCIS-DASK是ADLINK公司為自己的產(chǎn)品提供的驅(qū)動程序包，提供了專門用于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的連續(xù)多緩沖區(qū)操作的一組API函數(shù),。通過這組API函數(shù),，我們可以按照雙緩沖區(qū)的原理，非常方便地實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時,、高速,、連續(xù)的采集與存儲。

　　雙緩沖區(qū)模式,，在工程上稱為“乒乓”緩沖區(qū)模式,。跟常用的單緩沖區(qū)模式相比雙緩沖區(qū)模式的優(yōu)點(diǎn)是，它可以使用較小容量的內(nèi)存,，不間斷地緩沖幾乎無限量的數(shù)據(jù)（輸入與輸出端需協(xié)同工作）,。這種緩沖區(qū)模式的工作原理是：在內(nèi)存里開辟兩塊容量相等的緩沖區(qū)（以下將分別它們稱為第一緩沖區(qū)和第二緩沖區(qū)）作為連續(xù)數(shù)據(jù)輸入的緩沖區(qū)。工作開始時,，數(shù)據(jù)采集卡首先將數(shù)據(jù)寫入第一緩沖區(qū)中,，在數(shù)據(jù)采集卡開始把數(shù)據(jù)寫入第二緩沖區(qū)的同時，用戶程序可以根據(jù)自身需要取出第一緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)做特定的處理,。當(dāng)?shù)诙彌_區(qū)被寫滿后,，數(shù)據(jù)采集卡回到第一緩沖區(qū)的起始處,，以覆蓋舊數(shù)據(jù)的方式，把新數(shù)據(jù)寫入第一緩沖區(qū)中,；與此同時用戶程序取出第二緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。整個數(shù)據(jù)采集處理過程可以如此不斷地循環(huán)進(jìn)行下去,。

　　3.2 板卡驅(qū)動設(shè)置及注意的問題

　　對板卡驅(qū)動的深刻理解是編寫好數(shù)據(jù)采集于存儲程序的前提,。在連續(xù)數(shù)據(jù)輸入模式下，板卡驅(qū)動程序需要在系統(tǒng)內(nèi)存里開辟一塊緩沖區(qū)做為二級緩存,，用戶可以設(shè)置該緩沖區(qū)的大小,。方法是：從菜單開始/程序/PCI-DASK/NuDAQPCIconfigurationUtility打開DASK2000DeviceDriverConfiguration對話框，從CardType組合框中選擇Pci7300A_RevB項(xiàng),，在DI欄輸入你想要開辟的緩沖區(qū)容量,，點(diǎn)擊OK按鈕完成設(shè)置。需要注意的是板卡驅(qū)動設(shè)置的緩沖區(qū)（簡稱驅(qū)動緩沖區(qū)）容量與用戶程序開辟的緩沖區(qū)（用戶緩沖區(qū)）容量存在著一定關(guān)系,。經(jīng)過我們多次實(shí)驗(yàn),，得出驅(qū)動緩沖區(qū)容量大約是用戶緩沖區(qū)的3倍；因此,，當(dāng)驅(qū)動緩沖區(qū)過小,，而用戶緩沖區(qū)較大時，會出現(xiàn)錯誤,。

　　3.3 VisualC++開發(fā)環(huán)境的設(shè)置

　　為了使用PCIS-DASK提供的實(shí)現(xiàn)連續(xù)多緩沖區(qū)操作的API函數(shù),，以及初始化板卡、設(shè)置板卡工作方式的API函數(shù),；需要VisualC++連接PCI-DASK提供的動態(tài)連接庫（Pci-dask.lib）,。具體方法是：打開工程，從菜單Project/Setting…打開ProjectSetting對話框,，切換到Link選項(xiàng)卡,，在Object/librarymodules攔中添加Pci-dask.lib,點(diǎn)擊OK按鈕完成設(shè)置。最后在工程中加入頭文件Dask.h.,。

　　3.4 多線程的實(shí)時數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計(jì)

　　在要求高速,、實(shí)時和連續(xù)采集和存儲的情況下，一方面要求系統(tǒng)不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,，同時還要進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時地存儲,，否則將會丟失數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)不完整,。為了解決這個問題,，我們在軟件實(shí)現(xiàn)中，引入了Windows的多任務(wù)處理技術(shù)（multitasking）,。在程序里創(chuàng)建兩個工作線程分別完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲工作,。緩沖方式采用上面所說雙緩沖區(qū)模式,，當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程（SampleThreadProc）把采集到的數(shù)據(jù)寫入第一緩沖區(qū)時，數(shù)據(jù)存儲線程（StorageThreadProc）把第二緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存入SCSI硬盤,；當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程把數(shù)據(jù)寫入第二緩沖區(qū)時,，數(shù)據(jù)存儲線程把第一緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存入SCSI硬盤；如此循環(huán),。另外通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試Adaptec19160Ultra160-SCSI硬盤控制器,，配合希捷公司出品的ST3146707LCSCSI硬盤，持續(xù)寫入速率能達(dá)到80Mbytes/sec,。遠(yuǎn)大于45Mbytes/sec的采集速率,。所以當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程寫滿其中一個緩沖區(qū)之前，數(shù)據(jù)存儲線程已經(jīng)把另一個緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)存儲入SCSI硬盤,。所以這種方法能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性,、完整性和連續(xù)性。其程序流程圖如圖1,。

　　3.5 軟件實(shí)現(xiàn)

　　由于篇幅所限,，下面僅給出程序中核心的代碼：

　　4  性能評估

　　為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的性能，我們對其所能達(dá)到的采集和存儲速率,、以及數(shù)據(jù)正確率進(jìn)行了測試和分析,。

　　在測試中我們使用了自己設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源，它能以任意速率發(fā)送32位的線性數(shù)字信號,。另外編寫了一個數(shù)據(jù)檢測程序,，可給出存儲的數(shù)據(jù)的正確率和顯示數(shù)據(jù)錯誤的地方。經(jīng)過長時間的測試,，得到結(jié)果是：數(shù)據(jù)源發(fā)送速率為45Mbytes/sec時,，存儲的數(shù)據(jù)能達(dá)到100%的正確率。當(dāng)數(shù)據(jù)源發(fā)送速率為50Mbytes/sec時,，數(shù)據(jù)有錯誤,。

　　經(jīng)分析原因出在數(shù)據(jù)采集過程，當(dāng)有很多位發(fā)生進(jìn)位時（如FFFFFFFF→00000000）采集卡不能正確地采樣數(shù)據(jù),。實(shí)際上經(jīng)過特殊處理后,，這樣的數(shù)據(jù)還是可以使用的。

　　計(jì)算機(jī)32位/33MHzPCI總線帶寬典型的輸出數(shù)據(jù)吞吐量為100Mbytes/sec,輸入數(shù)據(jù)吞吐量為120Mbytes/sec,而系統(tǒng)中其他的PCI設(shè)備也需要占用一定的帶寬,，并且數(shù)據(jù)采集和存儲過程都要占用PCI總線帶寬,；因此，45Mbytes/sec（100%正確率）的采集和存儲速率已經(jīng)接近系統(tǒng)和硬件的極限,。

　　5  結(jié)語

　　本文介紹的實(shí)現(xiàn)方法易于實(shí)現(xiàn),，且充分挖掘了硬件的性能，可滿足對數(shù)據(jù)采集與實(shí)時存儲速率要求較高（≤45Mbytes/sec）的應(yīng)用。由于使用的硬件平臺是普通的奔四級PC機(jī),，所以開發(fā)成本較低,。另外文中對實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)注意的問題作了詳細(xì)說明并給出核心編程部分，使讀者很容易在較短時間內(nèi)開發(fā)出滿足自己需要的系統(tǒng),。