基于VxWorks的船載多傳感器采集系統設計*

李亞文， 李 杰， 張鎖平

(國家海洋技術中心，天津 300112)

基于VxWorks的船載多傳感器采集系統設計*

李亞文， 李 杰， 張鎖平

(國家海洋技術中心，天津 300112)

船載多傳感器采集系統的設計需要滿足數據采集的并發性、數據分析的正確性、數據傳輸的可靠性與數據處理的實時性等條件。基于實時操作系統(RTOS)設計一種新型的具有廣泛適應性的船載多傳感器采集系統，采用VxWorks作為傳感器數據處理系統，利用其多任務并發的特性進行數據采集與數據處理，并與Windows系統協同工作，共同完成數據應用。設計中采用多任務并發、Socket通信等關鍵技術，對XBT和AirMar氣象站兩種傳感器所采集的數據進行采集、處理及應用。

實時操作系統； VxWorks； 船載多傳感器采集系統； 多任務并發

0 引 言

隨著我國海洋科技的快速發展，大量的數據采集需求引發傳感器的使用越來越普遍，對傳感器采集數據的接收、分析、使用等技術變得日益重要。鑒于船載多傳感器采集的特殊情況，數據處理的可靠性和實時性要求比較嚴格，同時，大多數情況下的數據采集需要多只傳感器并發工作，對數據處理的并發性變得尤為重要。

目前存在的操作系統中，能夠提供多任務環境并且具有進程間通信和同步功能，同時滿足并發性、實時性、可靠性及正確性等高性能要求的當屬實時操作系統(RTOS)。

VxWorks系統是實時操作系統的一個典型代表,基于VxWorks的研究與設計在海洋觀測中得到了應用[1～5]。針對船載多傳感器采集系統的實際需求，本文設計中包括XBT和AirMar氣象站兩種傳感器，XBT主要采集水下溫度、深度等數據，而AirMar氣象站主要采集風速、風向、空氣濕度、空氣溫度、相對濕度及氣壓等數據。利用VxWorks的多任務技術同時收集多只傳感器的數據并進行處理，處理的結果通過Socket接口進行網絡傳輸，使得該原型設計成為一套完整的、典型的多任務實時性數據采集系統。

1 總體設計

1.1 數據流程

基于VxWorks的船載多傳感器采集數據處理系統分為三部分：數據采集、數據分析與處理、數據應用。數據流程示意圖如圖1所示。

數據采集部分由傳感器組成，本系統設計中共包括XBT和AirMar氣象站兩種類型，可根據實際需要同時連接多種傳感器，每種傳感器也可同時連接多臺。每只傳感器采集到的數據通過串口發送到VxWorks系統上進行數據分析、數據計算和數據組裝后，通過網絡發送到客戶端以供用戶使用。

圖1 船載多傳感器采集系統數據流程示意圖Fig 1 Flow chart of data of ship-borne multi-sensor acquisition system

另外，鑒于XBT傳感器的特殊性，在其進行數據采集工作之前，需要用戶通過網絡接口發送檢測命令到VxWorks系統，并由VxWorks系統通過串口發送檢測指令對其進行檢測。

1.2 體系結構

基于VxWorks的船載多傳感器采集數據處理系統的硬件拓撲結構如圖2所示，分為傳感器組、數據處理中心以及客戶端三部分。

傳感器組由各種傳感器組成，該部分可同時連接多種類型的傳感器，每種類型的傳感器也可同時連接多臺，具體連接傳感器總數的上限由數據處理中心計算機的串口數決定。數據處理中心主要是VxWorks系統的計算機，該部分負責接收傳感器組通過串口發送的數據，并完成對數據的解析、計算、組裝以及發送等工作。數據處理中心是船載多傳感器采集數據處理系統的核心組成部分，是整個原型設計的重點。硬件拓撲圖中的客戶端部分主要是對數據處理中心發送的數據進行應用，客戶端與數據處理中心通過網絡進行通信。

圖2 船載多傳感器采集數據處理系統的硬件拓撲Fig 2 Hardware topological graph of ship-borne multi-sensor acquisition data processing system

2 具體實現

系統設計的具體實現中分別介紹了數據采集、數據處理以及數據應用的詳細流程，其中涉及2項關鍵技術：多任務實時性設計、與Windows配合技術。

2.1 數據采集

數據采集部分用到的關鍵技術是多任務實時性設計。如果船載多傳感器采集系統中同時存在一只以上的傳感器，多任務實時性接收數據變得尤為重要。每只傳感器發送的數據分別由不同的任務進行接收和處理，系統根據多任務調度原理將時間片分配給每個任務，從而保證了數據處理的實時性。

該系統采用了以任務管理任務的技術，各個任務之間分工合作，并根據實際要求靈活地建立和刪除任務，使得整個數據處理流程更加清晰。以任務管理任務的原理如圖3所示。

圖3中包括三種類型的任務：端口巡視任務、數據處理任務以及異常處理任務。其中，端口巡視任務和數據處理任務的優先級相同，均為低優先級，而異常處理任務為高優先級。當系統一切運行正常時，系統資源按照時間片原理在端口巡視任務和數據處理任務之間切換，一旦出現異常狀況，系統資源立刻被高優先級的異常處理任務占據，即中斷產生。

通過以任務管理任務的設計，端口巡視任務負責輪詢每個端口，及時發現每個端口的數據接收請求，如果發現某端口有數據，則新創建一個數據處理任務進行數據接收、數據處理以及數據發送，一系列動作結束后，數據處理任務自行刪除。而端口巡視任務繼續巡視下一端口，不需要在任何端口做停留。兩種任務分工合作，完成整個數據流程。

圖3 以任務管理任務的原理圖Fig 3 Principle diagram of task managing by task

2.2 數據處理與應用

數據處理部分包括數據分析、數據計算和數據組裝三部分。系統對采集到的數據進行分析后得到各個參數的具體數值，并根據公式進行計算，最后把計算結果按照預先設計的格式進行組裝后，通過網絡通信接口Socket發送到Windows客戶端。

由于VxWorks系統的特殊性，開源免費的數據庫無法在其上運行[6～8]。另外，VxWorks包含的圖形界面庫WindML只能提供畫點、線、面、顏色和字符串等最基本的功能[9,10]。相比之下，Windows系統豐富的數據庫接口和靈活的界面設計技術體現出巨大的優勢。

VxWorks的網絡機制遵循標準的Internet協議，如果利用其發達的通信技術將這些阻塞性工作轉移到Windows系統上進行處理，充分發揮Windows系統的優勢完成該項工作。VxWorks系統與Windows系統配合工作的具體詳情如圖4所示。

圖4 VxWorks與Windows配合工作示意圖Fig 4 Diagram of VxWorks cooperate with Windows

3 系統應用

3.1 硬件環境

本設計中用到的計算機是x86架構的雙主板計算機，該計算機中兩塊主板通過網絡聯通。其中，數據采集與數據處理系統采用的VxWorks，數據應用系統采用Windows。

3.2 軟件環境

設計中的數據處理部分，VxWorks系統版本為5.5，tornado版本為2.2.1，數據應用部分的數據庫類型為SQLser-ver，界面開發語言為C#。

3.3 網絡環境

本設計中，VxWorks系統開啟FTP服務完成版本下載工作，同時，VxWorks系統與Windows系統通過Socket網絡通信進行數據傳輸。

3.4 實 驗

針對本文論述的系統特性，設計的每種實驗場景中包括傳感器類型、個數、每個端口數據采集對應的任務優先級設置、實驗結果等幾方面。

1)XBT傳感器

在該實驗中，目標機的4個端口均連接XBT傳感器，任務優先級從端口1到端口4依次降低。實驗結果如表1，結果顯示：客戶端接收數據的優先級與預先設置的端口任務優先級一致，數據采集正確率為100 %。

表1 實驗1結果Tab 1 Results of experiment 1

2)AirMar氣象站

在該實驗中，目標機的四個端口均連接AirMar氣象站，任務優先級從端口1到端口4依次升高。實驗結果如表2，結果表明：客戶端接收數據的優先級與預先設置的端口任務優先級一致，數據采集正確率為100%。

表2 實驗2結果Tab 2 Results of experiment 2

3)XBT傳感器和AirMar氣象站

在該實驗中，目標機的4個端口分別連接兩個XBT傳感器和兩個AirMar氣象站，任務優先級從端口1到端口4沒有規律。實驗結果如表3，結果顯示：客戶端接收數據的優先級與預先設置的端口任務優先級一致，數據采集正確率為100 %。

表3 實驗3結果Tab 3 Results of experiment 3

4 結束語

嵌入式實時操作系統VxWorks以其多任務并發的內核設計、靈活的I/O系統、強大的網絡支持和多種文件系統并存的特性，在現有的實時操作系統領域占有不可忽視的地位，如果將其作為船載多傳感器采集數據的處理系統非常合適[11～13]。在多傳感器并發工作、對數據的實時性及正確性要求比較嚴格的船載多傳感器處理系統中，VxWorks可發揮出非常明顯的優勢。實驗表明:該系統較好地滿足任務要求，具有很好的應用價值和廣闊的發展前景。

[1] 高守勇，周江濤，馬 力.基于VxWorks的數據采集存儲裝置設計[J].電子質量，2011(4)：28-29.

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[10] 羅國慶.VxWorks與嵌入式軟件開發[M].北京：機械工業出版社，2003.

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[13] 李 勇.基于ARM9的VxWorks BSP的設計與實現[D].長沙：湖南大學，2009.

Design of ship-borne multi-sensor acquisition system based on VxWorks*

LI Ya-wen, LI Jie, ZHANG Suo-ping

(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Concurrency of data acquisition,correctness of data analysis,reliability of data transmission and real time of data processing are the prerequisites of designing in ship-borne multi-sensor acquisition system.Design a new type of and universal ship-borne multi-sensor acquisition system based on realtime operation system(RTOS),and due to multi-task concurrency characteristic of VxWorks,it is used to implement data acquisition and processing.Cooperate with Window system together complete data applications.Key technologies of multi-task concurrency and Socket communication are used in design,to handle acquisition,processing and application of data acquired by two types of sensors of XBT and AirMar.

realtime operation system(RTOS); VxWorks; ship-borne multi-sensor acquisition system; multi-task concurrency

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0057—03

2014—09—02

海洋公益性行業科研專項經費資助項目(201305033)

TP 316.2

A

1000—9787(2014)12—0057—03

李亞文(1983-)，女，山東煙臺人，助理工程師，主要研究方向為實時操作系統軟件研發。