基于TCP／IP的多数据流传输测控系统的设计与实现

摘要：为保证子测控设备的独立测量、状态监控和实时数据的同步传输，设计基于TCP／IP的多数据流传输测控系统，对需求参数进行测量，采用基于多重事件的网络通信技术、数据采集技术及基于队列的多数据同步处理技术，利用现有的局域网资源，实现设备的控制，实现数据的实时获取、存储，数据流整合，实现信息、资源及任务的综合共享及管理。该系统经长期运行，稳定可靠，达到了设计的要求。
关键词：测控系统；TCP／IP；多数据流；多重事件；数据队列

0 引言
随着工业的发展，工业现场的规模越来越大，几台甚至十几台计算机在不同的地理位置完成不同的工业测量或控制任务，体现出网络化、集成化、分布化、节点智能化发展的趋势，伴随而来的是数据源的增多和设备监控复杂度的增加，为此设计一种多数据流网络传输测控系统。本系统以TCP／IP技术为基础而搭建的网络测控平台，实现了分布式的多台计算机的信息交互和设备控制，具有简单、高效、实时性高等优点。

1 系统原理与组成
多数据流传输测控系统可以分为：数据源设备模块、数传与实时处理模块、远程控制台模块、控制台设备模块、前端单片机采集设备模块五个部分。系统组成如图1所示。在这个测控系统中各个测控部分相对独立，可完成电压、电流等多种参数的采集；结果以多个数据流方式发送到数据与实时处理设备或控制台设备实时接收存储和处理，并通过网络把数据传送到远程控制台监控界面；远程控制台监控界面完成对前端数据的显示与综合，以便对前端设备状态进行分析。图1中，数据源设备和数传与实时处理设备之间采用TCP协议，数据源设备为服务器端(Server)，数传与实时处理设备为客户端(Client)，客户端向服务器请求数据成功后，将多个服务器提供的数据流进行存储、综合和发送到远程控制台。数传与实时处理设备同远程控制台之间采用UDP协议通信。与此同时，用户通过远程控制台发送控制命令到控制台设备，完成对控制台设备远程命令控制，控制台设备完成动作后将通过RS 422串行通信接口将接收到的单片机测控模块的采集信号转用网络接口发送回远程控制台。控制台设备和远程控制台设备之间采用UDP协议通信。

下面分别介绍多数据流传输测控系统五个主要部分的基本组成及功能。
1．1 数据源设备模块和单片机模块
数据源设备模块和单片机采集模块以两个独立模块作为前端数据采集设备。数据源设备为数传与实时处理设备提供多路TCP数据流，单片机为控制台设备提供串口数据帧。
1．2 数传与实时处理模块
数传与实时处理模块的系统框图如图2所示。

数传与实时处理模块作为客户端，数据源设备计算机作为服务器端。二者通过交换机连接到网络上，基于TCP协议与数据源设备模块进行多数据流通信，数据以二进制文件格式写入到本地磁盘。接收完成一次完整数据(定长TCP流数据)后将用户感兴趣的部分数据进行整合为一个数据帧，通过UDP协议方式发送到远程控制台的监控界面。同时用户也可通过手动或自动选择多条码流的部分数据进行本地数据曲线图形显示或数据柱状图形显示。

1．3 远程控制台模块
远程控制台负责对数传与实时处理模块、控制台模块的网络唤醒和网络监控，以及完成对远程设备电源的相关操作。远程控制台接收相邻模块的网络数据帧(包括数传与实时处理模块对多数据流进行整合的数据帧和控制台模块转发的单片机采集数据帧)，对控制台发送网络控制帧(完成参数设置、系统开启关闭、板卡操作、串口操作等任务)，采用UDP协议进行通信。
1．4 控制台设备模块
控制台设备模块由CPCI工控计算机和继电器板卡组成。供电电源继电器卡采用NI PXI-2564 16路5 A SPST开关模块，它是大功率继电器卡，可进行电源输入和电源备份；断电及转电控制信号继电器卡采用ADLINK PXI-7901 16路通用SPDT开关模块，可进行电源的控制切换。系统结构及外部接口关系如图3所示。

系统采用Agilent N6700系列模块电源供电，控制台由RS 422串行通信接口连接到单片机测控模块、网络连接到远程控制台。为通信的稳定可靠，控制台与远程控制台间的千兆以太网通过光电转换器转为光纤连接。控制台接受远程控制台的控制，对来自单片机采集模块的数据进行解码及显示并传向远程控制台，通信采用UDP协议。

2 软件设计与实现
2．1 多重事件方式实现网口及串口通信
控制台模块需要接收远程控制台的远程控制命令帧和来自RS 422串行通信接口(与单片机采集模块相连)的串行数据，并把串行数据打包成既定格式UDP数据帧转发送到远程控制台，为此控制台软件需建立后台管理器(CTConManager)来开启网络监控线程、串口监控线程两个独立线程进行监控网口和串行口。二者流程图如图4所示。