流處理數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的通用顯示模塊實(shí)現(xiàn)

汪洪潮，楊俊峰，王天星，孫正陽(yáng)，宋克柱

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230026；2.中國(guó)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(shí)世界中的信號(hào)進(jìn)行采樣以便后續(xù)的傳輸、分析、處理和存儲(chǔ)的過(guò)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(gè)領(lǐng)域中。一個(gè)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(gè)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(guò)數(shù)據(jù)顯示單元對(duì)前端電子學(xué)系統(tǒng)所上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和分析，從而掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)φ麄€(gè)電子學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。

在過(guò)去的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中，針對(duì)不同的顯示需求和數(shù)據(jù)類型，往往會(huì)單獨(dú)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)顯示模塊。例如在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中搭建了基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件，利用直方圖和數(shù)據(jù)表格對(duì)前端電子學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，提供狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)流監(jiān)測(cè)等功能［2］；中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目基于Qt設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了高通粉末衍射儀的圖形用戶界面［3］；在一個(gè)Blackfin DSP的圖像采集與實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中其直接利用寫(xiě)液晶顯示器RAM的方法實(shí)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(duì)各系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(jì)和實(shí)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(duì)獨(dú)立于前端電子學(xué)系統(tǒng)，在不同的系統(tǒng)中做一些簡(jiǎn)單配置便可以即插即用，極大減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的重復(fù)工作量，縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 數(shù)據(jù)顯示模塊簡(jiǎn)介

通用數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)思想是采用一系列級(jí)聯(lián)的流處理節(jié)點(diǎn)（FPGA實(shí)現(xiàn)或軟件實(shí)現(xiàn)）來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段使用不同的參數(shù)來(lái)描述各個(gè)節(jié)點(diǎn)所在數(shù)據(jù)域的具體屬性，包括數(shù)據(jù)的時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)域下的流處理節(jié)點(diǎn)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(jìn)行互連，從而組合出數(shù)據(jù)獲取過(guò)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(gè)流的數(shù)據(jù)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)，上傳的數(shù)據(jù)具有相同的數(shù)據(jù)格式和特點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)匯聚所有相同的傳感器數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)流進(jìn)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(diǎn)間流動(dòng)，數(shù)據(jù)矩陣的格式和接口由自研的D-Matrix協(xié)議詳細(xì)、嚴(yán)格規(guī)定，在第2節(jié)有進(jìn)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(jí)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(shí)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(gè)只有數(shù)據(jù)流入、沒(méi)有數(shù)據(jù)流出的用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的通用數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)。只要系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)顯示模塊具有相同的數(shù)據(jù)域?qū)傩裕鋽?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(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一個(gè)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)流進(jìn)行顯示，做到即插即用。數(shù)據(jù)顯示模塊內(nèi)部由兩種獨(dú)立的流處理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)。

由于數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)有時(shí)不直接用于顯示，所以設(shè)計(jì)了顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)連接數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)，用于從一般的數(shù)據(jù)流中提取或統(tǒng)計(jì)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(dú)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(dú)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(diǎn)輸出的結(jié)果而不需要任何抽取和統(tǒng)計(jì)的操作，則可以省略數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)分別在第2、3節(jié)有詳細(xì)描述。通過(guò)配置上述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所形成的數(shù)據(jù)顯示模塊可以實(shí)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(diǎn)間的通用。

2 顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)

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(jì)了顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)。

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(duì)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(jìn)行抽象概括。普遍地，一個(gè)基本數(shù)據(jù)單元都包含以下的信息：

（1）數(shù)據(jù)時(shí)間信息。描述數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)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(shí)際的傳感器陣列的空間排列是一維（如單條拖纜中的水聽(tīng)器陣列）、二維（如相機(jī)傳感器中的光傳感器陣列）或三維（如高能物理實(shí)驗(yàn)中的探測(cè)器陣列），都可以用一個(gè)一維的數(shù)組對(duì)所有的傳感器進(jìn)行編號(hào)，將高維的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成一維空間信息來(lái)進(jìn)行處理。

（3）數(shù)據(jù)信息。用于記錄某一時(shí)刻某一個(gè)傳感器生成的電信號(hào)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(shí)刻某一個(gè)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以用時(shí)間-空間-數(shù)據(jù)這樣的三維方式進(jìn)行完全的描述?？紤]一個(gè)傳感器陣列在一段時(shí)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(shí)用一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣可以實(shí)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(gè)時(shí)刻、多個(gè)傳感器所生成的數(shù)據(jù)合并而成。節(jié)點(diǎn)間流動(dòng)的數(shù)據(jù)都由一個(gè)具體的數(shù)據(jù)矩陣描述，這樣可以統(tǒng)一所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)矩陣的時(shí)間、空間尺度可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的性能和需求進(jìn)行合理、靈活地配置。理論上一個(gè)無(wú)限延伸的數(shù)據(jù)矩陣可以描述一個(gè)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(diǎn)之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)流數(shù)據(jù)幀是由某個(gè)時(shí)間和空間尺度范圍的數(shù)據(jù)矩陣和對(duì)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(shí)間-空間-數(shù)據(jù)三元組兩種方式來(lái)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)

根據(jù)2.1節(jié)所描述的數(shù)據(jù)矩陣的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)矩陣中包含時(shí)間、空間、數(shù)據(jù)3個(gè)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(diǎn)從數(shù)據(jù)中抽取一定維度的信息，同時(shí)可以進(jìn)行一些常用的數(shù)據(jù)計(jì)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(diǎn)維護(hù)一個(gè)空間長(zhǎng)度為S、時(shí)間長(zhǎng)度為T的二維矩陣，其大小與其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)每次圖表刷新的數(shù)據(jù)尺度相同，此時(shí)間、空間尺度也作為輸入數(shù)據(jù)的過(guò)濾條件。輸入數(shù)據(jù)不需要計(jì)算時(shí)，數(shù)據(jù)過(guò)濾部分會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間坐標(biāo)進(jìn)行過(guò)濾，若數(shù)據(jù)符合條件則將其直接按照時(shí)間、空間坐標(biāo)寫(xiě)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(diǎn)提供二操作數(shù)運(yùn)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(gè)時(shí)間戳的數(shù)據(jù)（s，t-n）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的方式包括累加、條件計(jì)數(shù)、差分等，并將得到的結(jié)果寫(xiě)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(diǎn)Fig.3 Display data generation node

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

這樣的顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)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(diǎn)所需要顯示的數(shù)據(jù)速率和容量的相互獨(dú)立，例如在前端數(shù)據(jù)率過(guò)高時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，在前端數(shù)據(jù)零碎時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)對(duì)不同速率、容量的數(shù)據(jù)獲取前端的匹配。

設(shè)計(jì)中利用FPGA硬件邏輯和C++程序兩種不同的方式實(shí)現(xiàn)了顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)，當(dāng)利用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，此節(jié)點(diǎn)可以對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行無(wú)抽取的實(shí)時(shí)處理，處理范圍覆蓋整個(gè)數(shù)據(jù)空間。利用顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)，對(duì)于不同的數(shù)據(jù)流輸入，都可以形成一個(gè)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(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)的圖形界面設(shè)計(jì)

根據(jù)第2節(jié)的分析，數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)的功能是對(duì)一個(gè)時(shí)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(shí)現(xiàn)可視化。

二維數(shù)據(jù)中的信息包括時(shí)間、空間、數(shù)據(jù)幅值3個(gè)維度。因?yàn)閿?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(duì)的最低數(shù)據(jù)維度。

在數(shù)據(jù)可視化過(guò)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(duì)的最高數(shù)據(jù)維度為五維?？紤]顯示時(shí)圖表中的最高顯示維度為四維，即3個(gè)空間維度加上顏色維度，所以設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)間的變化趨勢(shì)或某一時(shí)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(shí)間尺度、空間尺度均不唯一或時(shí)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(diǎn)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(shí)，數(shù)據(jù)幅度通過(guò)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(gè)坐標(biāo)軸可被設(shè)置為時(shí)間-空間坐標(biāo)，可以清晰地觀察多個(gè)傳感器通道在一定時(shí)間范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)間尺度T=1且空間坐標(biāo)被折疊成二維時(shí)，二維熱力圖的兩個(gè)坐標(biāo)軸被設(shè)置為兩個(gè)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(shí)，三維直方圖的3個(gè)坐標(biāo)軸被設(shè)置為時(shí)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(shí)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(shí)間-空間1-空間2-數(shù)據(jù)幅值的四維數(shù)據(jù)顯示；

（2）時(shí)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(diǎn)提供三維散點(diǎn)圖用于四維數(shù)據(jù)顯示。在一些高能物理實(shí)驗(yàn)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(lái)表示，可以使用單色三維散點(diǎn)圖來(lái)顯示，三維散點(diǎn)圖的3個(gè)坐標(biāo)軸根據(jù)數(shù)據(jù)被設(shè)置成兩個(gè)空間坐標(biāo)、一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)或3個(gè)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(shí)可以利用散點(diǎn)的顏色維度。當(dāng)數(shù)據(jù)過(guò)于密集時(shí)，圖中的散點(diǎn)可能會(huì)相互遮蓋，不利于觀察，此時(shí)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(diǎn)

如圖7所示為數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及其接口。節(jié)點(diǎn)間通過(guò)消息隊(duì)列和共享內(nèi)存實(shí)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(diǎn)創(chuàng)建任務(wù)消息隊(duì)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(xiě)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(duì)列中。打開(kāi)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(duì)列和數(shù)據(jù)共享內(nèi)存。同時(shí)創(chuàng)建任務(wù)獲取線程，啟動(dòng)線程持續(xù)從任務(wù)隊(duì)列中獲取任務(wù)消息，若隊(duì)列中任務(wù)消息數(shù)量為零，線程陷入阻塞等待；若隊(duì)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(jìn)入下一次任務(wù)等待。

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

數(shù)據(jù)顯示主界面負(fù)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(dòng)刷新模式和主動(dòng)刷新模式。在被動(dòng)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(lái)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(lái)的頻率，圖表為被動(dòng)刷新；在主動(dòng)刷新模式下，數(shù)據(jù)顯示主界面會(huì)相應(yīng)地維護(hù)一個(gè)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(lái)的數(shù)據(jù)幀地址信息后，也會(huì)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?cái)?shù)組中的數(shù)據(jù)信息，而不會(huì)立即刷新圖表；同時(shí)軟件會(huì)創(chuàng)建刷新定時(shí)器，利用定時(shí)器定時(shí)發(fā)出刷新信號(hào)，控制數(shù)據(jù)顯示主界面根據(jù)本地?cái)?shù)組中的數(shù)據(jù)對(duì)圖表進(jìn)行刷新，此時(shí)圖表的刷新頻率取決于定時(shí)器的配置，圖表為主動(dòng)刷新。

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

5 數(shù)據(jù)顯示模塊應(yīng)用實(shí)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(tīng)器陣列的輸出信號(hào)被ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由數(shù)據(jù)合并節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)顯示模塊，都可以通過(guò)配置前文所述的數(shù)據(jù)顯示模塊來(lái)實(shí)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(diǎn)

由顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)配置實(shí)現(xiàn)了振子數(shù)據(jù)抽取節(jié)點(diǎn)，其創(chuàng)建并維護(hù)一個(gè)時(shí)間尺度為1，空間尺度為2 400的數(shù)據(jù)矩陣，對(duì)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(gè)通道的工作狀態(tài)。由于數(shù)據(jù)矩陣中時(shí)間尺度為1，所以這是一個(gè)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(jìn)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(diǎn)

由顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)配置實(shí)現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)截取節(jié)點(diǎn)，其創(chuàng)建并維護(hù)一個(gè)時(shí)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(gè)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(diǎn)進(jìn)行顯示，地震數(shù)據(jù)同時(shí)也流向FFT節(jié)點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換。這是一個(gè)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(shí)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(diǎn)Fig.9 Data display node for seismic DAQ system

（3）頻域數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)

頻域數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)前端生成的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行全部顯示，故不需要顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)。頻域數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)面對(duì)的數(shù)據(jù)維度是頻率-空間-數(shù)據(jù)幅值3個(gè)維度，利用3.2節(jié)中的多通道折線圖可以完成對(duì)多個(gè)通道的頻域數(shù)據(jù)顯示。

（4）測(cè)試結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)

與頻域數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)相同，測(cè)試結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)對(duì)前端生成的所有測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，不需要顯示數(shù)據(jù)生成節(jié)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果生成節(jié)點(diǎn)獲得通道的頻域數(shù)據(jù)后進(jìn)行計(jì)算并得到通道的IQC（Instrument quality control）測(cè)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(cè)試結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)進(jìn)行顯示。由于對(duì)于一次IQC測(cè)試，每個(gè)通道僅有一個(gè)數(shù)據(jù)幅值用于記錄測(cè)試結(jié)果，所以測(cè)試結(jié)果生成節(jié)點(diǎn)僅需維護(hù)一個(gè)時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)通道的測(cè)試結(jié)果，并發(fā)送給測(cè)試結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果顯示。

本文對(duì)數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軟件性能測(cè)試。在測(cè)試環(huán)境（CPU：酷睿i7-7700k，內(nèi)存：16 GB，無(wú)獨(dú)立顯卡，系統(tǒng)為ubuntu18.04）中，振子數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)顯示全部2 400道振子數(shù)據(jù)，此時(shí)幀數(shù)據(jù)文件較小，約為9.4 KB，此時(shí)圖表能夠以50幀/s刷新速率流暢運(yùn)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(guò)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(diǎn)可以對(duì)每條拖纜中2 400個(gè)通道、16 384個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)最多顯示4條拖纜的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，此時(shí)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(diǎn)能夠以每次8 s的速率流暢刷新，平均每秒數(shù)據(jù)達(dá)到75 MB。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以穩(wěn)定運(yùn)行10 h以上，完全可以滿足項(xiàng)目需求。通過(guò)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(diǎn)和地震數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)，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(gè)相對(duì)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(yǔ)

本文分析了不同的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中對(duì)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(shí)現(xiàn)相對(duì)通用的數(shù)據(jù)顯示單元的方法，設(shè)計(jì)了通用的數(shù)據(jù)顯示模塊及與其他節(jié)點(diǎn)的接口結(jié)構(gòu)，并在深海地震拖纜的項(xiàng)目背景下對(duì)其進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示模塊顯示清楚，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，刷新速率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，證明了所提出方法的切實(shí)可行。

基于文中描述的方法針對(duì)深海地震拖纜項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的顯示單元將在此項(xiàng)目后續(xù)的聯(lián)調(diào)測(cè)試中使用，同時(shí)將針對(duì)實(shí)測(cè)聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)的問(wèn)題持續(xù)地進(jìn)行改進(jìn)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(gè)高能物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示中，具有較強(qiáng)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(kāi)發(fā)周期，減輕工作量。