CN104601730A - 一种嵌入式远程实时记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式远程实时记录系统，针对当前实时记录系统不能有效处理多种帧频数据的现象，以及事后数据处理存在原始数据获取不便、检索难、预览困难等问题，提出并实现硬件缓存+软件整合的技术、原始数据和抽帧数据同时记录、同步获取以及数据记录同记录状态结合的方法，有效地解决了多通道多帧频原始数据的同步采集记录问题，且在事后数据处理实现了实时数据监控、预览、多索引等功能，提高了系统的兼容性、容错性、可维护性和扩展性，更适用于工程化应用。

Description

一种嵌入式远程实时记录系统

技术领域

本发明涉及数字信号通信与处理领域，具体的涉及一种嵌入式远程实时记录系统，主要用于外部控制系统各单元的远程数据记录。

技术背景

目前，在工业自动化生产、航空航天设备、医疗系统等领域，由于事后数据处理需求的不断增加，记录系统得到了广泛应用，且技术较成熟，多家厂商已经给出相应应用场景的解决方案和产品。记录系统整体上可分为本地记录和远程记录两大类。本地记录通常采用嵌入式的控制器，对磁盘操作有限，且维护不方面；远程记录是将数据通过远程传输到操控室，其优点在于：一是可以将数据记录放到标准的工控机实现，二是便于磁盘和数据的维护。

现有的远程记录系统已经能完成多通道数据同时记录，采用TCP/IP通信协议，以局域网的形式和下位系统相连，而且一般是从上机开电后即一直记录。在数据采集模块上，现有的远程记录系统还未涉及对多通道且各通道数据包频率不尽相同，即多通道多帧频数据，进行记录处理，而随着系统复杂度的提升，多频率数据已成为一种现状。对于多个通道的数据中存在有低帧频到高帧频数据的情况，如何同时处理高频和低频成为一个难题。

如今由于系统智能化的发展，需要系统自己具备一些错误数据的分析能力。现有的远程记录系统只是完成了对系统数据的记录，而在系统的容错性和排错性上还有待提升，比如对数据通道连接中断、数据丢帧、无数据的监测和处理等。另外，由于记录系统所记录的时间长，记录数据量大，直接带来了事后数据处理难度和处理时间的极速增加。因此，目前记录系统的事后处理存在原始数据获取不便、检索难、预览困难等问题。

发明内容

本发明设计并实现一种嵌入式远程实时记录系统，解决了对数据通路中多通道多帧频数据的同步采集和记录；实现系统对通道连接中断、数据丢帧、无数据的监测和自动处理，提高系统的容错性和排错性；通过对记录方式的优化，有效地解决了目前记录系统事后处理存在原始数据获取不便、检索难度大、预览困难等问题，提高系统的可维护性和扩展性。

本发明采用的技术方案如图1所示，共包括四个单元：数据采集模块、转发模块、网络模块、记录模块。

各单元连接关系：数据采集模块采集外部各通道数据，可同时采集多通道多帧频数据，通过把所有高帧频通道的数据缓存为同一指定频率实现数据降频，若通道频率本身为低频则无需缓存，然后以指定频率的中断触发转发模块进行数据读取，转发模块读取数据后，进行抽帧处理，提取出当前各通道中最新一帧的数据，按照一定格式进行数据包封装，同时也把各通道原始未抽帧的数据进行数据包封装，然后一起发送给记录模块，记录模块接收到抽帧数据包和原始数据包后进行数据包拆分，按照各通道原始数据频率分类进行文件存储，其中各通道频率由整个系统数据协议决定。

1.具体结构如下：

数据采集模块：该模块直接通过硬件的方式完成多通道多帧频数据的实时采集，硬件可为FPGA或DSP，所采集的通道数据的频率有多种，例如1Hz、5Hz、10Hz、25Hz、50Hz、500Hz、5KHz等。该模块通过高帧频通道数据缓存降频和低帧频通道频率保持的方法把各通道的数据都缓存为同一个频率，通过中断触发通知转发模块进行读取。由于进行了数据缓存，高帧频通道的数据在每次读取中断到达时会有多帧数据一起被读取，同时，当中断到达时低频通道缓存的结果则是可能有数据或者没有数据。数据采集模块的特征在于对各通道数据到达情况进行检测，若有数据到达则设置相应状态位，同时检测并统计通道数据丢帧的情况，若连续丢帧到达阈值，硬件自动复位该通道。

转发模块：该模块采用处理器+操作系统的方式构建，操作系统可以为Linux、VxWorks等，处理器可以为PC104、PowerPC、ARM，由外部硬件中断脉冲信号触发，在中断响应中通过总线从数据采集模块中获取各通道数据，然后将获取的各通道原始数据进行处理，将处理完成的数据通过网络模块发送。该模块是整个系统的远程和本地的连接纽带，实现多通道数据的合并封包并发送。在合并封包中包括两种格式：原始数据合并和抽帧后数据合并。原始数据合并时除依次拼接各通道原始数据外，还在整个数据包内一并加入各通道数据的记录状态，包括数据采集模块中各通道的数据状态、系统的某些指定命令，如任务启停命令等，这些信息的存入是为以后的数据事后处理提供快速有效的索引。抽帧后数据合并无需加入其它信息，其可以作为实时数据监控，又可以作为数据预览，还可以进行快速数据处理。

网络模块：该采用光纤把本地和远程记录模块的两个局域网进行连接，替换了传统的网线传输，传输距离更远，更可靠。在本地和远程记录模块的内部局域网都采用光纤交换机，以提高整个局域网的数据传输速度。

记录模块：接收转发模块通过网络发过来的数据包，包括原始数据包和抽帧数据包，然后进行数据拆分。在文件存储时，为了便于在数据解析时的方便，对不同频率通道的数据进行分开存储，同一个频率的数据存放在同一个文件中，这样有多少个频率种类就对应多少个文件。该模块提供FTP服务功能，可从局域网下载已经记录的数据，同时设置一定的用户权限，只允许相应的用户通过局域网下载存储系统中的数据。同时，该模块实现了掉线自动重连功能，当由于某种原因，记录模块和转发模块的数据通路端口时，记录模块会自动发起重连。

2.本发明与现有系统相比具有如下优点：

(1)同当前记录系统相比，该发明通过硬件缓存+软件合并的两级整合技术，有效的解决了对数据通路中多通道多帧频数据的同步采集和记录，提高了系统的兼容性，实现系统对通道连接中断、数据丢帧、无数据的监测和自动处理，提高系统的容错性和排错性。

(2)同当前数据存储模式相比，该发明通过长时间的记录和记录状态的结合，既保证所有数据的记录，又能够实现任务状态的保存，可提供多种检索方式；同时记录原始帧频数据和抽帧数据，记录抽帧数据既可以作为实时数据监控，又可以作为数据预览和进行快速数据处理。有效的解决了目前的记录系统的事后处理存在数据获取不方便、数据检索难度大、预览困难等问题，提高系统的可维护性和扩展性。

(3)在存储文件的安全性上，该模块提供FTP服务功能，可从局域网下载已经记录的数据，同时设置一定的用户权限，只允许相应的用户通过局域网下载存储系统中的数据，提高了系统数据的安全性和加密性。

附图说明

图1是本发明的一种嵌入式远程实时记录系统的系统结构图；

图2是本发明的一种嵌入式远程实时记录系统的程序结构图；

图3是记录模块的程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

由图1所示，一种嵌入式远程实时记录系统，包括FPGA数据采集模块、转发模块、网络模块、记录模块。FPGA数据采集模块采集外部各通道数据，可同时采集多通道的数据，最大可为128个通道。FPGA数据采集模块为各通道开辟2K缓存空间，为循环缓存，把各不同频率的通道的数据都缓存成最低频率的50Hz，然后通过50Hz中断触发转发模块进行数据读取。FPGA在每次中断触发前检查各通道数据状态，然后根据检查结果对各自的状态地址填入状态值。中断触发后，转发模块在中断中首先对状态值进行判断，为真则表示有数据，为假则表示无数据，如有数据则先对通道地址读取一次，这次读取返回此通道新到的数据字数，也就是数据量，然后则根据此数据量完成对该数据通道新数据的读取。

转发读取的数据存放在各通道数据缓存中，同样是为各通道开辟的循环缓存，然后依次对各通道的数据进行循环校验，校验出错时在系统日志中进行标记，这里主要是检查数据的丢帧状态。校验结束后需要对该原始的数据进行封包和抽帧封包。原始数据的封包即是按照一定数据格式把所有数据打包成一帧数据，抽帧处理是提取出各通道中最新一帧的数据，然后按照原始数据相同的数据格式打包成一帧数据。抽帧数据用于数据的预览，在原始数据的封包中，还添加了系统的记录状态相关信息，比如FPGA返回的各通道状态、校验出错时、系统指定命令(打开某个通道或关闭某个通道的命令)，实际上是在整个数据记录过程中插入系统的操作标签，为事后处理做准备。当数据封装好后，转发模块把两个数据包依次从网络发出到记录模块。

记录模块接收转发模块通过网络发过来的数据包，包括原始数据包和抽帧数据包，然后进行数据拆分。在文件存储时，为了便于在数据解析时的方便，对不同频率通道的数据进行分开存储，同一个频率的数据存放在同一个文件中，这样有多少个频率种类就对应多少个文件。记录模块提供FTP服务功能，可从局域网下载已经记录的数据，同时设置一定的用户权限，只允许相应的用户通过局域网下载存储系统中的数据。同时，该模块实现了掉线自动重连功能，当由于某种原因，记录模块和转发模块的数据通路端口时，记录模块会自动发起重连。

如图2所示，转发应用程序主要由三条子线程和一个定时器线程组成，实现与远程记录模块的通信。首先是记录模块向转发模块发起连接，连接成功后，转发模块开始向记录模块发送原始数据和抽帧数据包。

如图3所示，记录程序主要包括初始化和数据读取与存储部分，程序实现掉线自动重连功能。当通信过程中由于硬件链路或者其他原因导致记录系统暂时和转发控制器失去连接的情况下，记录系统会自动向转发控制器再次发起连接请求，实现掉线自动重连功能。

Claims (5)

1.一种嵌入式远程实时记录系统，其包括数据采集模块(1)、转发模块(2)、网络模块(3)、记录模块(4)；其特征在于：数据采集模块(1)直接通过硬件的方式完成多通道数据的实时采集，通道数据包括多种帧频，数据采集模块(1)将各通道数据都按指定频率进行缓存，这样通过硬件缓存的形式把高频数据转换成低频数据，再通过中断触发通知转发模块(2)进行读取；由于进行了数据缓存，高频通道的数据在每次读取中断到达时会有多帧数据一起被读取，当然，对应时刻的低频通道缓存的结果则是可能有数据或者没有数据；数据采集模块(1)对各通道数据到达情况进行检测，若有数据到达则设置相应状态位，同时检测并统计通道数据丢帧的情况，若连续丢帧到达阈值，硬件自动复位该通道；转发模块(2)包括两个功能：通过总线从数据采集模块(1)获取各通道原始数据；将组合好的数据通过数据采集模块(1)发送；转发模块(2)是整个系统的远程和本地的数据纽带，实现数据的整合，包括原始数据合并、抽帧数据合并、状态信息合并，状态信息包括数据采集模块(1)通道数据状态、系统关键命令，任务启停命令；这些信息的存入是为后续的事后数据处理提供快速索引；抽帧数据的存在是为了实现快速数据处理功能,包括实时数据监控、数据预览；网络模块(3)用光纤把本地和远程记录模块(4)所处的两个局域网进行连接；两个局域网内部都采用光纤交换机，以提高整个局域网的数据传输速度；记录模块(4)接收转发模块(2)通过网络发过来的数据包，包括原始数据包和抽帧数据包，进行数据拆分拆分的特征在于按不同频率对通道数据进行分开存储，即同一个频率的数据存进行归类；同时，记录模块(4)提供FTP服务功能，实现局域网同步下载已存储数据，通过设置用户权限，只允许相应的用户通过局域网下载存储系统中的数据，以保障记录模块(4)的稳健性和安全性；记录模块(4)具有掉线自动重连功能，记录模块(4)和转发模块(2)的数据链路掉线时，记录模块会监测并自动发起重连。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式远程实时记录系统，其特征在于：数据采集模块(1)硬件为FPGA或DSP，所采集的通道数据的频率有多种，包括1Hz、5Hz、10Hz、25Hz、50Hz、500Hz、5KHz。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式远程实时记录系统，其特征在于：转发模块(2)采用处理器+操作系统的方式构建，操作系统为Linux或VxWorks，处理器为PC104、PowerPC或ARM，通过总线从数据采集模块中获取数据。

4.根据权利要求3所述的一种嵌入式远程实时记录系统，其特征在于：转发模块(2)通信所采用的总线为ISA、PCI、PCIE之一。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入式远程实时记录系统，其特征在于：记录模块(4)的实现为PC104、PowerPC或工控机。