本文介紹用數據采集的冗余設計實現深圳市民中心的實現實時監控、預警的功能。 1、引言 隨著我國政治、經濟的高速發展，橋梁、高樓、礦井、油田等對人們生命構成威脅的場所的安全性日益受到關注。國內外普遍的解決辦法就是對現場環境進行實時監控、預報、預警。深圳市民中心是深圳市政府首腦的辦公大樓，狀似雄鷹展翅，由兩根柱體支撐5000噸以上的力。臺風對整個大樓構成了極大的威脅。本設計就是為其實現實時監控、預警，保證整個大樓政府工作人員和市民的人身安全。 2、功能原理 “冗余”就是將相同功能的設備設計為2個或2個以上，如果一個設備有問題，另外一個設備就會自動承擔起有問題設備的任務，使網絡繼續暢通無阻。具體說來就是備份出另一套服務。一般情況下是某一套系統運行，而第二個系統處于待命狀態，可以通過人工方式監視第一套系統，當發現有故障時，便激活第二套系統。也可以用控制器對2個模塊同時進行掃描，當其中一塊停止回應時，系統從另一個模塊中獲取數據。由此可見，冗余的目的保證了系統工作的連續性（基本不會出現系統不工作的情況）、穩定性。 冗余設計需要考慮的幾個問題： 冗余策略的實現應當盡可能的降低成本； 冗余策略的實現的設計周期應當盡可能短； 冗余策略的實現要真正的實現高穩定性。 力學專家在屋頂牛腿的著力點上安置了128個傳感器，測控壓力信號到主控機房，進行信號處理分析，實時監控大樓的“健康”狀況。因此實時、可靠地采集傳感器發出的壓力信號（百萬數量級）就成為“健康監測”系統的關鍵。 在臺風等惡劣環境下，數據采集極容易出現干擾故障，由于信號處理系統的高可靠性和連續不間斷的工作要求，國內外的大多數設計冗余系統，以避免危險發生造成巨大損失。因此，我們須需要設計一套通用的、可靠的、經濟的數據采集的冗余系統，信號采集冗余策略如圖1所示。 圖1 信號采集冗余策略 3、硬件設計 3.1 同步卡的設計 同步卡的設計是本設計冗余數據采集處理的基礎，而且需要滿足冗余的要求。因此我們設計適合于本套系統的低成本、實用的同步卡。該同步卡的硬件組成分為電源穩壓器、運算放大、采樣保持三大功能部分。LM7912進行線性穩壓，為板卡提供穩壓電源。采用LF353 BI-FETLF353高速集成運放組成信號緩沖放大器，分兩級放大現場信號。LF398作為采樣保持器，提供2個標準的25針并口，1個接LPT控制信號，1個和PCI-1713數據互連。 根據空間和實際的需要，每塊板卡上載8路信號。IPC可以分別控制每路信號的采樣時間；為了簡約系統設計以及與采集卡配置，本設計同時并聯四塊同步卡控制信號。 3.2 PCI-1713信號采集卡簡介與設計 PCI總線是一種非終端式傳輸總線，在全部讀寫傳送中可實現突發傳送，采用隱式仲裁，并行總線操作，訪問速度快；它也是兼容性最強、功能最全的計算機總線，可同時支持多組外圍設備，且不受制于處理器，為CPU及高速外圍設備提供高性能、高吞吐量、低延遲的數據通路。 PCI-1713是研華公司生產的一款經濟型高速數據采集卡，精度較高，支持即插即用；內置PCI總線控制器與工控機PCI總線接口。使用方便、擴展、重入性強；軟件上調用API函數和相應數據結構實現也比較容易。 PCI-1713主要特性有： 32個單通道模擬信道輸入； 12 bit A/D轉換，采樣率高達100kHz； 可對每一通道分別可編程增益； 自動通道/增益掃描； 板載4K采樣FIFO緩沖，控制方便。 需要注意：采集卡的每個通道的模擬量采集都有1個輸入電壓范圍，超過了這一范圍會造成采集卡A／D轉換部分的燒毀，所以在采集模擬信號時，要保證被采集的信號在設定的量程范圍內。本項目中模擬量范圍為0～10V。 4、驅動程序的設計 結合VC++實現對同步卡的控制和采集、保存采樣數據三大功能模塊。程序流程框圖如圖2所示。 圖2 程序流程框圖 4.1 訪問并口，控制采樣數據周期 VC++是可視化編程方法，利用VC++開發人員可以十分方便的編寫程序完成用戶界面的設計、圖形顯示、數據存儲等功能。而并行端口的操作屬于計算機硬件的低級操作，使用可視化方法編制Windows 應用程序不具備這類操作。通常有以下幾種解決辦法： （1） 利用Windows API 并行通信函數 主要功能模塊: 端口設置模塊；該模塊用于設置同步卡與IPC端口，端口類型通常為LPT1。利用函數strcpy（），賦予全局變量portType為指定的端口類型，例如strcpy（“LPT1”，portType）； 初始化模塊，首先要創建打印設備文件句柄。通過指定要連接的打印機端口、讀寫端口的模式、數據共享模式等參數； 從打印口發出控制信號，啟動同步卡數據輸出。 （2） 使用面向對象技術封裝Win32 API函數，提供一個并行通信的類 優點是若使用第三方提供的類，只要理解這種類的幾個成員函數，就能方便地使用。缺點:若自己編寫類，則一般要求專業化程度太高，第三方提供的類普遍應用非常困難。 （3） 匯編語言從效率上和可靠性上講都是最優的 在Windows程序中，使用匯編語言實現對并行端口的低級操作，是開發者首選之一。本設計解決的實際辦法就是使用Delphi可以嵌入匯編語言的功能，編制并行數據傳輸、功能編號發送以及并口初始化函數，形成動態連接庫（DLL）。這樣，利用了可視化編程的優勢又發揮了匯編語言高效率，而且通過DLL調用使Windows操作與硬件的低級操作有機高效地結合在一起。值得一提的是，在數據通訊和功能編直接調用動態連接庫（DLL），非常方便、迅速的解決；而且類似的DLL在網上可以隨意的找到，就算對Delphi不熟悉的工作人員也可以直接調用。無疑這樣大大的提高了開發驅動程序的效率，可以讓開發者集中精力研究數據采集板卡。 在本設計中，作者先后嘗試過以上三種方法，都取得了良好的效果。甚至采用串口代替并口發送控制信號，效果是一樣的，能完全實現功能；那是因為本設計的特殊性:實時數據采集的要求并不高，而且有同步卡統一調配，因此從某種意義上說，利用串口實現了并口功能。 4.2 通過PCI總線訪問PCI-1713 研華公司為用戶提供了PCI-1713的庫函數和VC++語言例程，使用戶上手快，而且可以根據自己的實際情況編寫簡捷、完美、實用、快速的程序。 注意編程時一定要包含庫函數“driver.h”。 具體步驟如下: （1） 打開PCI-1713采集卡并初始化； （2） 獲取采集卡的板號，分別讀取每一塊PCI-1713的數據； （3） 顯示采集的數據，寫入數據庫保存； （4） 釋放采集卡，釋放PCI控制權。 4.3 ODBC（Open Database Connecting）技術 數據的錄入是數據庫用用程序的重要部分之一，是實現數據處理的關鍵。建立數據文件，保存實時接受的數據，并實現以后的數據再現回放、處理、預警。因為數據的量極大（G數量級）而且要求隨時回放數據，為了簡便起見，實時性要求不是太高。使用ODBC接口將數據存放到MS ACCESS數據庫中。步驟如下: （1） 創建數據庫、表以及各個字段設置； （2） 在控制面板中，創建并配置數據源； （3） 程序中把數據寫入數據庫。 5、結束語 在本設計中還實際使用了InstallShield Professional 6 International多平臺安裝程序制作軟件對程序進行安裝和發布。制作完成之后，整個系統展現給用戶的是一個簡捷、明了的安裝程序。同時，這也極好的保護了軟件知識產權。 數據采集冗余設計成本低廉，大大地提高了系統的可靠性和工作的連續性，實際應用的效果也非常理想；并且整套系統極容易移植到其他的信號采集、處理系統中，比如:油田、核電站、水處理等，適應面相當廣。 參考文獻 [1] ACVAN TECHCO. LTD. PCI-1713 User s Manual.[Z]. [2] ArtBaker，JerryLozano， 施諾等譯. Windows2000設備驅動程序設計指南[M].北京:機械工業出版社，2001. [3] InstallShield 6. x安裝程序設計與制作[M]. 北京:人民郵電出版社1998. [4] Visual C++ 6.0技術內幕[M]. 北京:希望電子出版社，2000.