DE19802868A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Datenakquisition - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenakquisition, insbesondere zur Akquisition von Meßdaten in Echtzeit, wobei das Verfahren die Merkmale des Oberbe­ griffs von Anspruch 1 und die Vorrichtung die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 6 aufweist.

Bei vielen meßwerterfassenden Geräten fallen bei bestimmten Meßvorgängen große Datenmengen an. Solche Geräte sind zum Beispiel bilderzeugende medizinische Geräte wie Tomographie­ geräte, Angiographiegeräte und so weiter. Die Daten werden von diesen Geräten mit einer vorgegebenen, meist sehr hohen Datenrate bereitgestellt und müssen in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit an einen Verarbeitungscomputer weitergeleitet werden. Treten bei der Abnahme der Daten durch den Verarbei­ tungscomputer zu große Verzögerungen auf, so gehen Daten ver­ loren, weil der laufende Meßvorgang nicht angehalten werden kann. Die Messung muß dann wiederholt werden.

Aus der DE 42 31 580 A1 sind ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt. Hierbei wird ein von einer Datenquelle erzeugter kontinuierlicher Datenfluß in einen Datenpufferspeicher geschrieben. Ein Treibermodul, das auf einer Betriebssystemebene einer Datenverarbeitungsanlage angesiedelt ist, steuert einen DMA-Transfer von Daten aus dem Datenpufferspeicher in einen Ein-/Ausgabespeicher. Jeder DMA-Transfer füllt einen Elementarpuffer des Ein-/Ausgabespei­ chers. Durch dieses Verfahren sind Datenakquisitionsraten von mehr als 600 kByte pro Sekunde möglich.

Problematisch bei dem aus der DE 42 31 580 A1 bekannten Ver­ fahren ist, daß der DMA-Transfer eine fest vorgegebene Länge aufweist und die eingelesenen Daten erst nach dem Abschluß des DMA-Transfers weiterverarbeitet werden. Bei manchen Meß­ experimenten ist es jedoch wünschenswert, kürzere Datenblöcke sofort auszuwerten. Beispielsweise können bei kernspintomo­ graphischen Messungen am Herzen eines Patienten Artefakte auftreten, die durch die Bewegung des Brustkorbs bei der Atmung hervorgerufen werden. Um für die eigentliche Messung einen Zeitpunkt möglichster Ruhe des Brustkorbes zu finden, wird zunächst eine Reihe kurzer Messungen senkrecht zur Zwerchfellebene durchgeführt. Bei diesen kurzen Messungen fallen relativ wenig Daten an, die sofort ausgewertet werden müssen. Sobald durch die Auswertung der kurzen Messungen eine vorbestimmte Stellung des Brustkorbs erkannt wird, wird die eigentliche Messung initiiert, bei der große Datenmengen anfallen und übertragen werden müssen.

Die Erfindung stellt sich demgemäß die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenakquisition zu schaffen, mit denen sich sowohl ein stetiger Datenstrom mit hoher Datenrate als auch eine geringe Datenmenge vorbestimmter Größe jeweils in Echtzeit in einen Verarbeitungscomputer einlesen lassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Grundidee, die Größe des minde­ stens einen über die DMA-Schnittstelle (DMA = direct memory access = direkter Speicherzugriff) übertragenen Datenblocks je nach den Eigenschaften des an der I/O-Schnittstelle einge­ henden Datenstroms festzulegen. Diese Größe wird hier als "DMA-Größe" bezeichnet. Bei der beispielhaft genannten Akqui­ sition von Meßdaten ist es somit möglich, einerseits die Er­ gebnisse kurzer Messungen, bei denen wenig Daten anfallen, sofort zu verarbeiten, und andererseits die für ausführliche Messungen benötigten großen Datenmengen zuverlässig aufzuneh­ men.

Die erfindungsgemäße Lösung, die DMA-Größe je nach dem einge­ henden Datenstrom festzulegen, ermöglicht ein schnelles Um­ schalten zwischen den Betriebsweisen. Damit kann die ausführ­ liche Messung jederzeit beginnen. Ferner stellt diese Lösung die Synchronisation der zu übertragenen Daten mit den Um­ schaltinformationen sicher. Somit kann die passende DMA-Größe jeweils genau zum richtigen Zeitpunkt (nämlich bei einer Än­ derung des Meßmodus) eingestellt werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Schnittstelleneinrichtung so auszubilden und zu parametrisieren, daß sie nicht einen Datenblock vorgegebener Länge, sondern einen im wesentlichen unbegrenzten Datenstrom einzulesen vermag. Auch kontinuierli­ che Datenströme mit hohen Datenraten können durch diese Maß­ nahme eingelesen werden. Unter einem "im wesentlichen unbe­ grenzten Datenstrom" wird dabei ein Datenstrom verstanden, der entweder unbeschränkt lang ist, oder der eine maximale Länge aufweist, die so groß ist, daß sie im praktischen Be­ trieb nicht erreicht wird. Eine solche maximale Länge ist vorzugsweise viel größer als der im Zwischenspeicher der Schnittstelleneinrichtung zur Verfügung stehende Speicher­ platz.

In bevorzugten Ausführungsformen wird die DMA-Größe je nach einer Taktrate und/oder Übertragungsgeschwindigkeit des ein­ gehenden Datenstroms und/oder je nach Informationen bestimmt, die in diesem Datenstrom enthalten sind. Solche Informationen können beispielsweise ein Datenwort oder mehrere Datenworte sein, insbesondere Datenworte an der Spitze des eingehenden Datenstroms.

Der Datenstrom kann vollständig von einem meßwerterzeugenden Gerät erzeugt werden. In bevorzugten Ausführungsformen ist es jedoch vorgesehen, daß das meßwerterzeugende Gerät lediglich die eigentlichen Meßdaten bereitstellt, und daß ein Steuer­ rechner vorhanden ist, um sowohl den Meßmodus des meßwert­ erzeugenden Geräts einzustellen als auch die Informationen hinsichtlich der DMA-Größe in den Maßdatenstrom einzufügen oder diesem voranzustellen. Zu diesem Einfügen der Steuer­ informationen in den Meßdatenstrom kann eine geeignete Ver­ knüpfungseinrichtung vorgesehen sein.

Bevorzugt ist in einem Verarbeitungscomputer ein Treiber auf Betriebssystemebene vorgesehen, der die Informationen hin­ sichtlich der DMA-Größe aus dem Zwischenspeicher ausliest und den DMA-Vorgang entsprechend parametrisiert.

In bevorzugten Ausführungsalternativen ist die erfindungs­ gemäße Vorrichtung auf einer Schnittstellenkarte angeordnet, die in den Verarbeitungscomputer eingesteckt ist. Als Alter­ native kann der Verarbeitungscomputer auch in die Vorrichtung integriert sein. Die Datenübertragung vom Zwischen- in den Hauptspeicher erfolgt vorzugsweise über einen PCI-Bus (PCI = peripheral component interconnect). Als Verarbeitungscomputer ist insbesondere ein üblicher Arbeitsplatzrechner (PC oder Workstation) vorgesehen, der unter dem Betriebssystem Windows NT oder UNIX arbeitet. Solche Rechner sind weitverbreitet und kostengünstig. Da die genannten Betriebssysteme keine Echt­ zeitbetriebssysteme sind, ist es hier besonders wichtig, daß die Schnittstelleneinrichtung auch ohne fortlaufende Para­ metrisierung einen stetigen Meßdatenstrom aufzunehmen vermag.

Die Schnittstelleneinrichtung braucht in bevorzugten Ausfüh­ rungsformen hinsichtlich des Einlesens der Meßdaten in den Zwischenspeicher nur am Anfang einer Messung ein einziges Mal parametrisiert zu werden. Dies schließt jedoch nicht aus, daß die Zentraleinheit des Verarbeitungscomputers auch während des Meßvorgangs die das Einlesen der Meßdaten steuernde Para­ metrisierung verändern kann. Bevorzugt kann der Füllungsgrad des Zwischenspeichers auf der Schnittstellenkarte von der Steuereinrichtung und/oder der Zentraleinheit festgestellt werden. Die DMA-Datenübertragungen von dem Zwischenspeicher zum Hauptspeicher werden bevorzugt ebenfalls von einem durch den Verarbeitungscomputer ausgeführten Treiberprogramm ge­ steuert und wiederholt parametrisiert. Dazu übergibt die Zentraleinheit vorzugsweise die Länge jedes in den Hauptspei­ cher zu übertragenden Datenblocks und dessen Startadresse im Hauptspeicher an die Steuereinrichtung oder die DMA-Schnitt­ stelle der Schnittstelleneinrichtung.

Die Häufigkeit der DMA-Zugriffe sowie der Größe des Zwischen­ speichers sind in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem ausreichenden Sicherheitsspielraum an die höchste vom Meß­ gerät bereitgestellte Datenrate angepaßt. Dadurch gehen auch unter Berücksichtigung der bei Windows NT oder UNIX möglichen Verzögerungen keine Meßdaten verloren. Sollte im Ausnahmefall ein Übertragungsfehler auftreten, wird dieser erkannt und die Messung wiederholt.

Bevorzugt ist auch ein Weg zur Übertragung von Steuerdaten vom Verarbeitungscomputer zum Meßgerät vorgesehen. Dieser Weg kann eine direkte Verbindung sein oder über die DMA- und die I/O-Schnittstelle oder über den Steuerrechner verlaufen. Für die Steuerdaten ist eine wesentlich geringere Datenrate als für die Meßdaten ausreichend.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen genauer beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems zur Datenakquisition, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schnitt­ stelleneinrichtung.

In Fig. 1 ist ein Verarbeitungscomputer 10 gezeigt, der als PC oder Workstation ausgestaltet ist und unter dem Betriebs­ system Windows NT oder UNIX läuft. Neben einer Vielzahl nicht gezeigter Komponenten weist der Verarbeitungscomputer 10 eine Zentraleinheit 12 auf, die mit einem Hauptspeicher 14 über einen internen Bus 16 Daten auszutauschen vermag. Die Zen­ traleinheit 12 und der Hauptspeicher 14 sind ferner mit einem als PCI-Bus ausgebildeten Erweiterungsbus 18 verbunden, der mehrere Steckplätze bereitstellt. In einen dieser Steckplätze ist eine als Schnittstellenkarte ausgebildete Schnittstellen­ einrichtung 20 eingesteckt und über einen Busanschluß 22 elektrisch mit dem Erweiterungsbus 18 verbunden. Die Schnitt­ stelleneinrichtung 20 weist einen Dateneingang 24 auf, der zur Datenübertragung über einen Lichtwellenleiter ausgestal­ tet ist.

Der Dateneingang 24 ist mit einem Ausgang einer Verknüpfungs­ einrichtung 28 verbunden. Ein meßwerterfassendes Gerät 30 ist in dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel als ein medizini­ sches Tomographiegerät ausgebildet. Es weist eine Vielzahl von Komponenten auf, von denen in Fig. 1 nur eine Daten­ schnittstelle 32 und ein mit dieser verbundenes Steuermodul 34 gezeigt sind. Die Datenschnittstelle 32 sendet die von dem Gerät 30 ermittelten Meßdaten an einen ersten Eingang der Verknüpfungseinrichtung 28. Das Steuermodul 34 führt eine Vielzahl von Steuer- und Verwaltungsaufgaben im Gerät 30 aus.

Ein zweiter Eingang der Verknüpfungseinrichtung 28 ist an ei­ nen Steuerrechner 36 angeschlossen. Der Steuerrechner 36 ist seinerseits über je eine bidirektionale Leitung mit dem Ver­ arbeitungscomputer 10 und dem meßwerterfassenden Gerät 30 verbunden. Über diese Leitungen erhält der Steuerrechner 36 Auswertungsinformationen von dem Verarbeitungscomputer 10 und steuert das von dem meßwerterfassenden Gerät 30 durchgeführte Meßexperiment.

In Fig. 2 ist der interne Aufbau der Schnittstelleneinrich­ tung 20 gezeigt. Der Dateneingang 24 ist mit einer I/O-Schnitt­ stelle 40 verbunden, die ihrerseits die Meßdaten über eine Datenleitung 42 in einen Zwischenspeicher 44 einzu­ schreiben vermag. Der Zwischenspeicher 44 ist als FIFO-Spei­ cher (FIFO = first in first out) organisiert. Aus dem Zwi­ schenspeicher 44 sind die Daten über eine weitere Datenlei­ tung 46 von einer DMA-Schnittstelle 48 auslesbar. Die DMA-Schnitt­ stelle 48 vermag über den Busanschluß 22, mit dem sie verbunden ist, einen direkten Speicherzugriff auf den Haupt­ speicher 14 auszuführen.

Eine Steuereinrichtung 50 steht mit dem Busanschluß 22 sowie, über Leitungen 52 und 54, mit der I/O-Schnittstelle 40 bzw. der DMA-Schnittstelle 48 in Verbindung. Die Steuereinrichtung 50 enthält eine Vielzahl von Parameter- und Steuerregistern, insbesondere Register, die den Beginn und das Ende der im Zwischenspeicher enthaltenen Daten angeben. Alle Vorgänge auf der Schnittstellenkarte 20 werden von der Steuereinrichtung 50 gesteuert und überwacht. Unter anderem überwacht die Steu­ ereinrichtung 50 den Zwischenspeicher 44 auf Überlauf. Die Zentraleinheit 12 parametrisiert die Steuereinrichtung 50 über den Busanschluß 22 und vermag Betriebsparameter, insbe­ sondere den Füllungsgrad des Zwischenspeichers 44, abzu­ fragen.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung parametrisiert zunächst die von einem Treiberprogramm gesteuerte Zentralein­ heit 12 die Steuereinrichtung 50 so, daß die I/O-Schnittstel­ le 40 zum Empfang eines unbegrenzten Datenstroms bereit ist. Die I/O-Schnittstelle 40 nimmt daraufhin alle an dem Daten­ eingang 24 eintreffenden Daten selbständig entgegen und schreibt sie in den Zwischenspeicher 44 ein. Dabei wird ein an sich bekanntes Protokoll mit einem Hardware-Handshaking eingesetzt, das hohe Datenraten erlaubt. Die Zentraleinheit 12 wird hierdurch wesentlich entlastet.

Nun wird ein Meßexperiment durch eine Eingabe des Benutzers initiiert. Beispielhaft wird hier angenommen, daß bei dem Meßexperiment zunächst eine Folge kurzer Messungen erfolgen soll, die schnell ausgewertet werden müssen. Wenn durch die kurzen Messungen ein vorbestimmter Zustand erkannt wird, soll eine detaillierte Messung mit hoher Datenrate durchgeführt werden. Die Eingabe des Benutzers wird von dem Verarbeitungs­ computer 10 dem Steuerrechner 36 mitgeteilt, der seinerseits das meßwerterfassende Gerät 30 ansteuert. Der Steuerrechner 36 veranlaßt also das Ausführen einer kurzen Messung und gibt an die Verknüpfungseinrichtung 28 ein Datenwort aus, das eine kurze DMA-Größe (beispielsweise 1 kByte) kennzeichnet. Dieses Datenwort kann die in Bytes ausgedrückte DMA-Größe sein. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die DMA-Größe identisch mit der Menge der von einer kurzen Messung erzeug­ ten Meßdaten, während in Ausführungsalternativen die DMA-Größe kleiner (insbesondere ein Bruchteil der Meßdatenmenge) ist.

Die Verknüpfungseinrichtung 28 übergibt das von dem Steuer­ rechner 36 stammende erste Datenwort an die Schnittstellen­ einrichtung 20 und leitet daraufhin alle vom meßwerterfassen­ den Gerät 30 eingehenden Daten ebenfalls an den Dateneingang 24 weiter. Die von der Treibersoftware gesteuerte Zentral­ einheit 12 liest dieses Datenwort zunächst einzeln aus dem Zwischenspeicher 44 und parametrisiert dann die Steuerein­ richtung 50 entsprechend. Die eingehenden Meßdaten werden nun mit der eingestellten DMA-Größe von 1 kByte in den Hauptspei­ cher 14 übertragen und unverzüglich vom Verarbeitungscomputer 10 ausgewertet.

Der Beginn der detaillierten Messung mit hoher Datenrate wird entweder durch eine Eingabe des Benutzers oder automatisch in Abhängigkeit vom Ergebnis der Datenauswertung im Verarbei­ tungscomputer 10 ausgelöst. Der Verarbeitungscomputer 10 gibt daraufhin einen entsprechenden Befehl an den Steuerrechner 36, der seinerseits das meßwerterfassende Gerät 30 ansteuert. Ferner gibt der Steuerrechner 36 ein Datenwort, das eine große DMA-Größe kennzeichnet (etwa 100 kByte bis zu einigen MByte), an die Verknüpfungseinrichtung 28, von wo dieses Da­ tenwort an den Dateneingang 24 gelangt. Der nun von dem Gerät 30 erzeugte schnelle Datenstrom (bis zu 32 MByte/s) wird von der Verknüpfungseinrichtung 28 ebenfalls an die Schnitt­ stelleneinrichtung 20 weitergeleitet.

Die Zentraleinheit 12 liest wiederum zunächst das erste ein­ gehende Datenwort und setzt die DMA-Größe entsprechend. In der Folge werden periodisch DMA-Vorgänge mit der eingestell­ ten Größe durchgeführt. Dazu gibt die von dem Treiberprogramm gesteuerte Zentraleinheit 12 der Steuereinrichtung 50 und der DMA-Schnittstelle 48 einen DMA-Befehl, der die Größe des zu übertragenden Datenblocks sowie dessen Anfangsadresse im Hauptspeicher 14 (genauer gesagt, in einem als FIFO-Speicher organisierten Abschnitt des Hauptspeichers 14) enthält. Die­ ser Block wird nun von der DMA-Schnittstelle 48 über den Bus­ anschluß 22 und den PCI-Erweiterungsbus 18 unmittelbar in den Hauptspeicher 14 geschrieben (direct memory access). In die­ sem Betriebsmodus sind Dauer-Datenraten von 24 MByte/s und Spitzen-Datenraten von 32 MByte/s bei geringem Hardware­ aufwand möglich.

Die Erfindung ist in allen Anwendungen einsetzbar, bei denen einerseits hohe Datenraten auftreten können, aber auch zwi­ schendurch (punktuell) Auswertungen stattfinden müssen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Auswertungen den Fortgang des Meßexperiments beeinflussen, das heißt, wenn das Meßexpe­ riment ohne die schnelle Auswertung bestimmter Daten nicht durchführbar wäre.

In weiteren Ausführungsalternativen erfolgt die Auswahl der Datenrate durch einen externen Entscheidungsfäller oder auto­ nom durch das meßdatenerzeugende Gerät.

Claims (9)

1. Verfahren zur Datenakquisition, insbesondere zur Akqui­ sition von Meßdaten in Echtzeit, mit den Schritten:

• - Parametrisieren einer Schnittstelleneinrichtung (20) der­ art, daß ein im wesentlichen unbegrenzter Datenstrom über eine I/O-Schnittstelle (40) in einen Zwischenspeicher (44) eingeschrieben wird, und
• - Parametrisieren der Schnittstelleneinrichtung (20) derart, daß zumindest ein Block der in den Zwischenspeicher (44) eingeschriebenen Daten über eine DMA-Schnittstelle (48) direkt in einen Hauptspeicher (14) eines Verarbeitungscom­ puters (10) eingeschrieben wird,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die DMA-Größe des mindestens einen direkt in den Haupt­ speicher (14) eingeschriebenen Datenblocks in Abhängigkeit von dem an der I/O-Schnittstelle (40) eingehenden Daten­ strom bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die DMA-Größe in Abhängigkeit von mindestens einem Datenwort und/oder einer Übertragungsge­ schwindigkeit des an der I/O-Schnittstelle (40) eingehenden Datenstroms bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die DMA-Größe in Abhängigkeit von dem ersten Datenwort oder mehreren führenden Datenworten des an der I/O-Schnittstelle (40) eingehenden Datenstroms be­ stimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der an der I/O-Schnittstelle (40) eingehende Datenstrom von einer Verknüpfungseinrichtung (28) erzeugt wird, die einem von einem meßwerterfassenden Gerät (30) erzeugten Datenstrom mindestens ein Datenwort voranstellt, das die DMA-Größe angibt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Datenwort oder die mehreren führenden Datenworte des an der I/O-Schnittstelle (40) eingehenden Datenstroms aus dem Zwischenspeicher (44) ausgelesen werden, um die DMA-Größe zu bestimmen.

6. Vorrichtung zur Datenakquisition, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit:

• - einer I/O-Schnittstelle (40) zum Empfang der Daten,
• - einem Zwischenspeicher (44), in den ein im wesentlichen unbegrenzter Datenstrom über die I/O-Schnittstelle (40) einschreibbar ist,
• - einer DMA-Schnittstelle (48), über die zumindest ein Block der in den Zwischenspeicher (44) eingeschriebenen Daten direkt in einen Hauptspeicher (14) eines Verarbei­ tungscomputers (10) einschreibbar ist, und
• - einer Steuereinrichtung (50),
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Steuereinrichtung (50) und/oder der Verarbeitungscom­ puter (10) dazu eingerichtet sind/ist, die DMA-Größe des mindestens einen direkt in den Hauptspeicher (14) einzu­ schreibenden Datenblocks in Abhängigkeit von dem an der I/O-Schnittstelle (40) eingehenden Datenstrom festzule­ gen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die DMA-Schnittstelle (48) dazu eingerichtet ist, den direkten Speicherzugriff auf den Hauptspeicher (14) des Verarbeitungscomputers (10) über einen Erweiterungsbus (18), insbesondere über einen PCI-Bus, durch­ zuführen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die I/O-Schnitt­ stelle (40) mit einer Verknüpfungseinrichtung (28) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, einem von einem meßwerterfassenden Gerät (30) erzeugten Datenstrom mindestens ein Datenwort voranzustellen, das die DMA-Größe angibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verknüpfungseinrichtung (28) mit einem Steuerrechner (36) verbunden ist, von dem sie Informationen erhält, die die DMA-Größe angeben.