李亞文， 李 杰， 張鎖平

(國家海洋技術中心，天津 300112)

基于VxWorks的船載多傳感器采集系統(tǒng)設計*

李亞文， 李 杰， 張鎖平

(國家海洋技術中心，天津 300112)

船載多傳感器采集系統(tǒng)的設計需要滿足數據采集的并發(fā)性、數據分析的正確性、數據傳輸的可靠性與數據處理的實時性等條件?；趯崟r操作系統(tǒng)(RTOS)設計一種新型的具有廣泛適應性的船載多傳感器采集系統(tǒng)，采用VxWorks作為傳感器數據處理系統(tǒng)，利用其多任務并發(fā)的特性進行數據采集與數據處理，并與Windows系統(tǒng)協(xié)同工作，共同完成數據應用。設計中采用多任務并發(fā)、Socket通信等關鍵技術，對XBT和AirMar氣象站兩種傳感器所采集的數據進行采集、處理及應用。

實時操作系統(tǒng)； VxWorks； 船載多傳感器采集系統(tǒng)； 多任務并發(fā)

0 引 言

隨著我國海洋科技的快速發(fā)展，大量的數據采集需求引發(fā)傳感器的使用越來越普遍，對傳感器采集數據的接收、分析、使用等技術變得日益重要。鑒于船載多傳感器采集的特殊情況，數據處理的可靠性和實時性要求比較嚴格，同時，大多數情況下的數據采集需要多只傳感器并發(fā)工作，對數據處理的并發(fā)性變得尤為重要。

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

VxWorks系統(tǒng)是實時操作系統(tǒng)的一個典型代表,基于VxWorks的研究與設計在海洋觀測中得到了應用[1～5]。針對船載多傳感器采集系統(tǒng)的實際需求，本文設計中包括XBT和AirMar氣象站兩種傳感器，XBT主要采集水下溫度、深度等數據，而AirMar氣象站主要采集風速、風向、空氣濕度、空氣溫度、相對濕度及氣壓等數據。利用VxWorks的多任務技術同時收集多只傳感器的數據并進行處理，處理的結果通過Socket接口進行網絡傳輸，使得該原型設計成為一套完整的、典型的多任務實時性數據采集系統(tǒng)。

1 總體設計

1.1 數據流程

基于VxWorks的船載多傳感器采集數據處理系統(tǒng)分為三部分：數據采集、數據分析與處理、數據應用。數據流程示意圖如圖1所示。

數據采集部分由傳感器組成，本系統(tǒng)設計中共包括XBT和AirMar氣象站兩種類型，可根據實際需要同時連接多種傳感器，每種傳感器也可同時連接多臺。每只傳感器采集到的數據通過串口發(fā)送到VxWorks系統(tǒng)上進行數據分析、數據計算和數據組裝后，通過網絡發(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)數據流程示意圖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，在其進行數據采集工作之前，需要用戶通過網絡接口發(fā)送檢測命令到VxWorks系統(tǒng)，并由VxWorks系統(tǒng)通過串口發(fā)送檢測指令對其進行檢測。

1.2 體系結構

基于VxWorks的船載多傳感器采集數據處理系統(tǒng)的硬件拓撲結構如圖2所示，分為傳感器組、數據處理中心以及客戶端三部分。

傳感器組由各種傳感器組成，該部分可同時連接多種類型的傳感器，每種類型的傳感器也可同時連接多臺，具體連接傳感器總數的上限由數據處理中心計算機的串口數決定。數據處理中心主要是VxWorks系統(tǒng)的計算機，該部分負責接收傳感器組通過串口發(fā)送的數據，并完成對數據的解析、計算、組裝以及發(fā)送等工作。數據處理中心是船載多傳感器采集數據處理系統(tǒng)的核心組成部分，是整個原型設計的重點。硬件拓撲圖中的客戶端部分主要是對數據處理中心發(fā)送的數據進行應用，客戶端與數據處理中心通過網絡進行通信。

圖2 船載多傳感器采集數據處理系統(tǒng)的硬件拓撲Fig 2 Hardware topological graph of ship-borne multi-sensor acquisition data processing system

2 具體實現

系統(tǒng)設計的具體實現中分別介紹了數據采集、數據處理以及數據應用的詳細流程，其中涉及2項關鍵技術：多任務實時性設計、與Windows配合技術。

2.1 數據采集

數據采集部分用到的關鍵技術是多任務實時性設計。如果船載多傳感器采集系統(tǒng)中同時存在一只以上的傳感器，多任務實時性接收數據變得尤為重要。每只傳感器發(fā)送的數據分別由不同的任務進行接收和處理，系統(tǒng)根據多任務調度原理將時間片分配給每個任務，從而保證了數據處理的實時性。

該系統(tǒng)采用了以任務管理任務的技術，各個任務之間分工合作，并根據實際要求靈活地建立和刪除任務，使得整個數據處理流程更加清晰。以任務管理任務的原理如圖3所示。

圖3中包括三種類型的任務：端口巡視任務、數據處理任務以及異常處理任務。其中，端口巡視任務和數據處理任務的優(yōu)先級相同，均為低優(yōu)先級，而異常處理任務為高優(yōu)先級。當系統(tǒng)一切運行正常時，系統(tǒng)資源按照時間片原理在端口巡視任務和數據處理任務之間切換，一旦出現異常狀況，系統(tǒng)資源立刻被高優(yōu)先級的異常處理任務占據，即中斷產生。

通過以任務管理任務的設計，端口巡視任務負責輪詢每個端口，及時發(fā)現每個端口的數據接收請求，如果發(fā)現某端口有數據，則新創(chuàng)建一個數據處理任務進行數據接收、數據處理以及數據發(fā)送，一系列動作結束后，數據處理任務自行刪除。而端口巡視任務繼續(xù)巡視下一端口，不需要在任何端口做停留。兩種任務分工合作，完成整個數據流程。

圖3 以任務管理任務的原理圖Fig 3 Principle diagram of task managing by task

2.2 數據處理與應用

數據處理部分包括數據分析、數據計算和數據組裝三部分。系統(tǒng)對采集到的數據進行分析后得到各個參數的具體數值，并根據公式進行計算，最后把計算結果按照預先設計的格式進行組裝后，通過網絡通信接口Socket發(fā)送到Windows客戶端。

由于VxWorks系統(tǒng)的特殊性，開源免費的數據庫無法在其上運行[6～8]。另外，VxWorks包含的圖形界面庫WindML只能提供畫點、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)豐富的數據庫接口和靈活的界面設計技術體現出巨大的優(yōu)勢。

VxWorks的網絡機制遵循標準的Internet協(xié)議，如果利用其發(fā)達的通信技術將這些阻塞性工作轉移到Windows系統(tǒng)上進行處理，充分發(fā)揮Windows系統(tǒng)的優(yōu)勢完成該項工作。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)應用

3.1 硬件環(huán)境

本設計中用到的計算機是x86架構的雙主板計算機，該計算機中兩塊主板通過網絡聯(lián)通。其中，數據采集與數據處理系統(tǒng)采用的VxWorks，數據應用系統(tǒng)采用Windows。

3.2 軟件環(huán)境

設計中的數據處理部分，VxWorks系統(tǒng)版本為5.5，tornado版本為2.2.1，數據應用部分的數據庫類型為SQLser-ver，界面開發(fā)語言為C#。

3.3 網絡環(huán)境

本設計中，VxWorks系統(tǒng)開啟FTP服務完成版本下載工作，同時，VxWorks系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)通過Socket網絡通信進行數據傳輸。

3.4 實 驗

針對本文論述的系統(tǒng)特性，設計的每種實驗場景中包括傳感器類型、個數、每個端口數據采集對應的任務優(yōu)先級設置、實驗結果等幾方面。

1)XBT傳感器

在該實驗中，目標機的4個端口均連接XBT傳感器，任務優(yōu)先級從端口1到端口4依次降低。實驗結果如表1，結果顯示：客戶端接收數據的優(yōu)先級與預先設置的端口任務優(yōu)先級一致，數據采集正確率為100 %。

表1 實驗1結果Tab 1 Results of experiment 1

2)AirMar氣象站

在該實驗中，目標機的四個端口均連接AirMar氣象站，任務優(yōu)先級從端口1到端口4依次升高。實驗結果如表2，結果表明：客戶端接收數據的優(yōu)先級與預先設置的端口任務優(yōu)先級一致，數據采集正確率為100%。

表2 實驗2結果Tab 2 Results of experiment 2

3)XBT傳感器和AirMar氣象站

在該實驗中，目標機的4個端口分別連接兩個XBT傳感器和兩個AirMar氣象站，任務優(yōu)先級從端口1到端口4沒有規(guī)律。實驗結果如表3，結果顯示：客戶端接收數據的優(yōu)先級與預先設置的端口任務優(yōu)先級一致，數據采集正確率為100 %。

表3 實驗3結果Tab 3 Results of experiment 3

4 結束語

嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks以其多任務并發(fā)的內核設計、靈活的I/O系統(tǒng)、強大的網絡支持和多種文件系統(tǒng)并存的特性，在現有的實時操作系統(tǒng)領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據的處理系統(tǒng)非常合適[11～13]。在多傳感器并發(fā)工作、對數據的實時性及正確性要求比較嚴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。實驗表明:該系統(tǒng)較好地滿足任務要求，具有很好的應用價值和廣闊的發(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)科研專項經費資助項目(201305033)

TP 316.2

A

1000—9787(2014)12—0057—03

李亞文(1983-)，女，山東煙臺人，助理工程師，主要研究方向為實時操作系統(tǒng)軟件研發(fā)。