實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和動態(tài)曲線繪制方法

馬志剛， 劉文怡， 張文棟

(1. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室；電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030051；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和動態(tài)曲線繪制方法

馬志剛1,2， 劉文怡1， 張文棟1

(1. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室；電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030051；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

數(shù)據(jù)處理和曲線繪制是實時監(jiān)測系統(tǒng)不可或缺的組成部分。實時監(jiān)測系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸通道和后端監(jiān)測模塊組成。分析各種數(shù)據(jù)傳輸方式的特點，討論前端采集模塊中數(shù)據(jù)組織和發(fā)送的一般方式，研究后端監(jiān)測模塊中數(shù)據(jù)處理和曲線繪制的基本流程。針對常規(guī)曲線繪制方法效率較低、顯示死板等缺點，提出基于內(nèi)存拷貝數(shù)據(jù)更新方式的動態(tài)曲線繪制方法。使用API相關(guān)函數(shù)優(yōu)化曲線繪制程序，使程序執(zhí)行效率有較大提高，可以保證測試系統(tǒng)實時性要求。

實時監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理；曲線繪制；內(nèi)存拷貝；數(shù)據(jù)更新；API函數(shù)

隨著計算機(jī)、傳感器、通信、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，實時監(jiān)測系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境安全、航空航天、國防裝備等各大領(lǐng)域。如工業(yè)設(shè)備可靠性、安全性監(jiān)測與故障診斷[1-2]，工程質(zhì)量監(jiān)測[3-4]，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測[5]，電力生產(chǎn)和系統(tǒng)維護(hù)[6]，油氣能源生產(chǎn)、勘探[7]，農(nóng)田[8]，溫室，食品安全，環(huán)境保護(hù)[9-10]，氣象預(yù)測，醫(yī)療監(jiān)控[11]，交通[12]，安保，導(dǎo)彈、火箭發(fā)射監(jiān)測[13]等方面都有各類實時監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用。

由于曲線比較直觀，大多數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)都要求將關(guān)鍵參數(shù)以曲線或圖形的方式呈現(xiàn)在屏幕上。實時曲線可以反映被監(jiān)測參數(shù)的實時變化情況，是對測量系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)的直觀描述，實時性要求非常高[14]。隨著計算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，多種開發(fā)工具(如 Visual Basic、Visual C++、LabWindows等)、第三方控件、組件等均可被方便地運用于圖形應(yīng)用軟件的開發(fā)。考慮到監(jiān)測系統(tǒng)對實時性要求較高，因此必須盡可能地提高程序執(zhí)行效率。其除了與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法、所處理的數(shù)據(jù)量等因素有關(guān)外，還與開發(fā)工具的選擇密切相關(guān)[14-15]。經(jīng)綜合考慮，本文基于 Visual C++ 2008(VC 2008)展開討論。

1 實時監(jiān)測系統(tǒng)

典型的實時監(jiān)測系統(tǒng)通常由前端采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸通道(線纜或無線方式)和后端監(jiān)測模塊組成，如圖 1所示。前端模塊和后端模塊之間可采用多種數(shù)據(jù)通信方式，比較常用的有：USB傳輸方式[13]、光纖傳輸方式[5]、以太網(wǎng)分布式傳輸方式[3,6]、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方式[8]等。相比而言：USB方式數(shù)據(jù)傳輸速度較快，其USB 3.0的數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)5 Gbps，但該方式易受外部電磁環(huán)境干擾而影響數(shù)據(jù)傳輸。光纖傳輸方式不易受復(fù)雜電磁環(huán)境影響且數(shù)據(jù)傳輸速度快，單根光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)若干Gbps，傳輸距離能達(dá)幾十公里，但光纖本身較為脆弱易折斷，需深埋鋪設(shè)加以保護(hù)。以太網(wǎng)傳輸方式的軟、硬件結(jié)構(gòu)簡單且傳輸距離一般能達(dá)到100米左右，但其中的UDP模式在數(shù)據(jù)傳輸時有丟包的風(fēng)險。無線傳感網(wǎng)絡(luò)方式可用于多點監(jiān)測，但需解決多節(jié)點之間的協(xié)同、時間同步等難題。

圖1 實時監(jiān)測系統(tǒng)的組成

2 數(shù)據(jù)處理

在實時監(jiān)測系統(tǒng)中，有大量從現(xiàn)場采集的測試數(shù)據(jù)通過前端模塊實時傳輸?shù)胶蠖吮O(jiān)測模塊。這些數(shù)據(jù)反映了設(shè)備或系統(tǒng)的運行狀態(tài)和性能參數(shù)，對其進(jìn)行分析、計算，可為待監(jiān)測設(shè)備或系統(tǒng)提供決策依據(jù)[1]。一般情況下，實時監(jiān)測系統(tǒng)的前端模塊只負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)編幀、組包后發(fā)送至后端模塊，后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、處理、曲線顯示等大都在后端模塊中完成。

2.1 前端模塊數(shù)據(jù)組織和發(fā)送

不同的測試數(shù)據(jù)有特定的數(shù)據(jù)組織方式，工程上將其稱為“編幀”，編幀得到的一幀數(shù)據(jù)被稱為“幀結(jié)構(gòu)”[14]。“組包”是將若干數(shù)據(jù)幀組合成待發(fā)數(shù)據(jù)包的過程，組包大小需視采樣率、采樣通道數(shù)、發(fā)送時間間隔等因素而定。“幀結(jié)構(gòu)”和“包結(jié)構(gòu)”通常由幀(包)頭、數(shù)據(jù)、幀(包)計數(shù)、幀(包)尾等組成。表1所示的是一種比較典型的簡單數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)[16]。

表1 一種典型的簡單數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

前端模塊可采用定時方式向后端模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包。例如，可將每毫秒(ms)采集的數(shù)據(jù)編為一幀，而將100 ms(0.1 s)的數(shù)據(jù)組成一包(100幀)并發(fā)往后端監(jiān)測模塊。在此情況下，后端監(jiān)測模塊每隔0.1 s就會接收并處理一包數(shù)據(jù)。

2.2 后端模塊數(shù)據(jù)接收和處理

后端監(jiān)測模塊可以通過定時或循環(huán)方式接收來自前端模塊的數(shù)據(jù)包。接收到的數(shù)據(jù)必須先經(jīng)過“解包”和“解幀”，得到每通道數(shù)據(jù)后，方可進(jìn)行分析、處理和曲線顯示。實時數(shù)據(jù)接收、處理和曲線繪制流程如圖2所示。為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的完整處理，如果前一包數(shù)據(jù)末尾有剩余數(shù)據(jù)，應(yīng)先將其緩存，然后與下一包數(shù)據(jù)拼接后再進(jìn)行處理。

圖2 數(shù)據(jù)實時接收、處理和曲線繪制流程

3 實時曲線繪制

繪制實時曲線時需格外關(guān)注繪制方式、數(shù)據(jù)更新算法、曲線繪制算法等，這些因素都會對程序執(zhí)行效率產(chǎn)生影響[17-18]。

3.1 實時曲線繪制方式

按照曲線顯示效果不同，實時曲線繪制方式可分為逐點分屏繪制方式和動態(tài)繪制方式。假定將顯示區(qū)域?qū)挾仍O(shè)置為N個數(shù)據(jù)點。逐點分屏繪制是指從顯示區(qū)域左端開始，根據(jù)時間推進(jìn)依次繪制第一個、第二個，直至第N個數(shù)據(jù)點，最終整個顯示區(qū)域被占滿；然后顯示區(qū)域的所有數(shù)據(jù)點被清除，并開始新一輪的數(shù)據(jù)點繪制。該方法的優(yōu)點是程序簡單、工作量較小、繪制速度較快。但其缺點也很明顯：數(shù)據(jù)點在顯示區(qū)域自左向右依次出現(xiàn)，而之前繪制的點則保持不動，直到顯示區(qū)域被填滿后清除重繪，其效果如圖3所示。這種繪制效果不符合人的正常視覺習(xí)慣，無法實現(xiàn)真正的實時動態(tài)顯示。

本文采用動態(tài)繪制方式。第一個數(shù)據(jù)點首先被繪制在顯示區(qū)域的最右端(位置：N)，當(dāng)?shù)诙€數(shù)據(jù)點到達(dá)時，第一個數(shù)據(jù)點需要向左移動一個單位(位置：N–1)，而后將第二個數(shù)據(jù)點繪制在顯示區(qū)域的位置N處；依此類推，當(dāng)?shù)贜個數(shù)據(jù)點到達(dá)時，其前(N–1)個數(shù)據(jù)點需集體左移一個單位，此時第一個數(shù)據(jù)點將位于顯示區(qū)域的最左端。動態(tài)繪制方式得到的效果是數(shù)據(jù)點總是從顯示區(qū)域的右端進(jìn)入后連續(xù)向左流動，符合人的正常視覺習(xí)慣，其效果如圖4所示。但是該繪制方式需要不斷進(jìn)行移位操作，工作量較大。因此，必須優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)、簡化運算過程，才能提高繪圖效率，滿足監(jiān)測系統(tǒng)的強(qiáng)實時性要求。

圖3 逐點分屏繪制方式效果

圖4 動態(tài)繪制方式效果

3.2 數(shù)據(jù)更新算法

由于后端監(jiān)測模塊不斷接收來自前端采集模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，所以曲線不可能在顯示區(qū)域一次性全部顯示。在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)曲線只能以動態(tài)方式逐段逐屏顯示。為保證實時性，顯示區(qū)域的曲線在定時(如100 ms)刷新時必須有一部分是最新的，這就是“數(shù)據(jù)更新”。采用動態(tài)方式繪制曲線，其數(shù)據(jù)更新方法包括：

(1) 隊列法。該方法需要創(chuàng)建一個“先進(jìn)先出”的數(shù)據(jù)隊列，其中包含最新的N個數(shù)據(jù)點，每接收到一部分新數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后就將其插入數(shù)據(jù)隊列尾部，而之前收到的數(shù)據(jù)就會被擠出隊列。這樣可以保證隊列中的數(shù)據(jù)總是最新的，曲線繪制時，直接從隊列中提取所有數(shù)據(jù)即可。

(2) 數(shù)組法。定義一個長度為 N 的數(shù)組DisDat[N]，當(dāng)有新數(shù)據(jù)(M個)到來時，就將數(shù)組中原有數(shù)據(jù)集體向前移動M個位置，然后將新數(shù)據(jù)賦給數(shù)組 DisDat的最后 M 個數(shù)據(jù)單元(DisDat[N–M]~DisDat[N–1])，如果數(shù)組已經(jīng)被數(shù)據(jù)填滿，則最先接收到的數(shù)據(jù)將被覆蓋。此方法中，數(shù)組長度 N可以直接取為顯示區(qū)域每次顯示的數(shù)據(jù)點數(shù)。數(shù)組法的原理和實現(xiàn)過程比較簡單，但是由于涉及頻繁的數(shù)組元素搬移，導(dǎo)致其程序執(zhí)行效率較低。分析以下代碼：

# define DisCnt = 2550; //每屏顯示數(shù)據(jù)點數(shù)

int NewCnt; //最新數(shù)據(jù)點數(shù)

float DisDat[DisCnt]; //數(shù)據(jù)

float NewDat[DisCnt]; //最新數(shù)據(jù)

//循環(huán)搬移數(shù)據(jù)

for(i = NewCnt; i < DisCnt; i++)

{

DisDat[i - NewCnt]= DisDat[i];

}

//更新最新數(shù)據(jù)

梓軒是個男孩子，說起話來沒必要那么繞彎。我們在很短的時間內(nèi)就愉快地結(jié)束了談心。梓軒說：“老師，您這么一說，我還真覺得我和小雨就是相互欣賞。您放心，從今以后我會把全部精力用在學(xué)習(xí)上，給同學(xué)們做最好的榜樣！”

for(i = DisCnt - NewCnt; i < DisCnt; i++)

{

DisDat[i]= NewDat[i – (DisCnt - NewCnt)];

}

如果繪制的數(shù)據(jù)點數(shù)較少，數(shù)據(jù)搬移操作耗時占曲線繪制總耗時的比重很小，甚至可以忽略；一旦繪制點數(shù)較多時，這部分時間就會急劇增加。因此需要考慮優(yōu)化搬移數(shù)據(jù)部分的代碼。

考慮到應(yīng)用程序接口(application program interface, API)提供了內(nèi)存拷貝函數(shù)CopyMemory，如果直接調(diào)用該函數(shù)，將有望縮短用于大批量搬移數(shù)據(jù)的時間。修改后的代碼可以設(shè)計為：

CopyMemory(DisDat, DisDat + NewCnt, DisCnt -NewCnt); //循環(huán)搬移數(shù)據(jù)

CopyMemory(DisDat + DisCnt - NewCnt, NewDat, NewCnt); //更新最新數(shù)據(jù)

表2 兩種數(shù)據(jù)搬移方法耗時對比(ms)

3.3 曲線繪制算法

VC 中提供了使用微軟基礎(chǔ)類庫(microsoft foundation classes, MFC)繪制曲線的方法，基本過程為：確定繪圖區(qū)域，創(chuàng)建設(shè)備描述表，初始化繪圖工具(畫刷、畫筆、字體、顏色等)，繪制曲線，釋放繪圖資源。

繪圖區(qū)域一般為矩形，假定(X1, Y1)和(X2, Y2)分別是繪圖區(qū)域左上角和右下角的坐標(biāo)；dW表示繪圖區(qū)域水平單位長度，它用于定位數(shù)據(jù)點在繪圖區(qū)域中的水平位置(橫坐標(biāo))，該值與繪圖區(qū)域?qū)挾?X2 – X1)和每屏顯示的數(shù)據(jù)點數(shù)(DisCnt)有關(guān)，即dW = (X2 – X1) / DisCnt；dH表示繪圖區(qū)域的垂直單位高度，它用于定位數(shù)據(jù)點在繪圖區(qū)域中的垂直位置(縱坐標(biāo))，該值與繪圖區(qū)域高度(Y2 – Y1)和數(shù)據(jù)點幅度范圍有關(guān)，幅度范圍可通過測試數(shù)據(jù)的最小值(ValMin)和最大值(ValMax)計算得到，即dH = (Y2– Y1) / (ValMax – ValrMin)。由于繪圖區(qū)的坐標(biāo)系(縱軸為自上而下方向)與常用的平面直角坐標(biāo)系(縱軸為自下而上方向)不同，為符合習(xí)慣，數(shù)據(jù)點的縱坐標(biāo)需經(jīng)過轉(zhuǎn)換。最終，每個數(shù)據(jù)點的坐標(biāo)(PX[i], PY[i])可表示為：

PX[i]= X1 + dW * i;

PY[i]= Y2 - DisDat[0]* dH

繪制曲線時，可循環(huán)調(diào)用 LineTo函數(shù)將數(shù)據(jù)點依次用直線相連。這是一種比較常規(guī)的方法，但是效率較低。本文采用MFC中的API函數(shù)Polyline，通過調(diào)用該函數(shù)可直接將一組點顯示出來，其語法格式為：

BOOL Polyline(LPPOINT lpPts, int nCnt);

其中：lpPts數(shù)組中存放一組數(shù)據(jù)點，(lpPts[i].x, lpPts[i].y)表示第i個數(shù)據(jù)點的坐標(biāo)；參數(shù)nCnt表示數(shù)據(jù)點數(shù)。曲線繪制的核心代碼為：

for(i=0; DisCnt; i++)

{

lpPts[i].x = PX[i];

lpPts[i].y = PY[i];

}

pDC -> Polyline(lpPts, DisCnt)

經(jīng)過測算，采用Polyline方法繪圖比常規(guī)方法(使用LineTo函數(shù))更為高效[14]。

4 應(yīng)用實例和分析

根據(jù)某測量系統(tǒng)功能需求，本文使用VC 2008作為開發(fā)工具，設(shè)計了實時監(jiān)測系統(tǒng)測試軟件，如圖5所示。該系統(tǒng)的前端采集模塊和后端監(jiān)測模塊之間采用基于 UDP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)需要對多路(309路)測量參數(shù)以曲線方式進(jìn)行實時監(jiān)測。

實際上，對所有參數(shù)同時進(jìn)行曲線繪制既無必要，也不現(xiàn)實。一方面，有限的曲線繪制區(qū)域包含過多曲線時，將影響視覺效果；再者，同時繪制的曲線數(shù)目越多，耗時則越多，將影響程序執(zhí)行效率。表3列出了傳統(tǒng)方法和本文提出的動態(tài)曲線繪制方法的繪制時間與顯示點數(shù)、同時繪制曲線條數(shù)之間的對比。可見，曲線繪制是一項比較耗時的操作，即便采用效率較高的動態(tài)曲線繪制方法，也需要在顯示點數(shù)、同時繪制的曲線條數(shù)之間做權(quán)衡，否則會影響到整個系統(tǒng)的實時性。

圖5 某實時監(jiān)測系統(tǒng)測后端監(jiān)測模塊界面

表3 多路曲線繪制中傳統(tǒng)方法與本文方法耗時對比(ms)

5 結(jié) 論

實時監(jiān)測在各類測試領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，而數(shù)據(jù)處理和曲線繪制在實時監(jiān)測系統(tǒng)中占有重要地位。本文利用MFC中API函數(shù)對內(nèi)存拷貝和曲線繪制的支持，討論了曲線繪制中的數(shù)據(jù)更新方法和繪圖效率問題。利用CopyMemory函數(shù)可以實現(xiàn)對數(shù)組中數(shù)據(jù)的高效搬移，而通過調(diào)用 Polyline函數(shù)，可以優(yōu)化繪圖程序，使得程序執(zhí)行效率有大幅提升。

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A Method for Data Processing and Dynamic Curve Plotting in Real-time Monitoring System

Ma Zhigang1,2, Liu Wenyi1, Zhang Wendong1
(1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education; Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan Shanxi 030051, China; 2. College of Information Science and Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu Shanxi 030801, China)

Data processing and curve plotting are dispensable functional modules in real-time monitoring system. The real-time monitoring system is composed of front-end acquisition module, data transmission channel and back-end monitoring module; characteristics of different data transmission ways are analyzed. The general method of data organization and transmission in front-end module is discussed. Meanwhile, the fundamental course of data processing and curve plotting in back-end module are researched. In view of low efficiency and rigid display result in conventional method, the dynamic curve plotting method based on memory copying data updating mode is proposed. Some API functions are adopted to optimize the plotting program, which can improve the program execution efficiency and ensure the real-time requirement in testing system.

real-time monitoring; data processing; curve plotting; memory copy; data updating; API functions

TP 311; TP 277; TP 391

A

2095-302X(2015)01-0133-06

2014-05-28；定稿日期：2014-07-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275491)

馬志剛(1982–)，男，山西文水人，講師，在讀博士。主要研究方向為航天智能測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、慣性感知與測控技術(shù)等。E-mail：sxau_mzg@163.com

劉文怡(1970–)，男，山西嵐縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為航天智能測量系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等。E-mail：liuwenyi@nuc.edu.cn