一个20+N年前的工作笔记

数据采集技术在工业控制及自动化等领域中发挥着重要的作用。数据采集的一般过程是这样的：

　　①向采集卡发出通道选择指令。

　　②选择要采集的通道号。

　　③启动A/D转换。

　　④等待，直到转换完成。

　　⑤从采集卡读出数据。

对于多通道的采集，在程序的设计中，一般采用的两种方法：

1、查询法

所谓查询方法就是采用一个循环，依次采集各个数据通道。查询法的优点是程序简单，易于实现；缺点是采集过程中，CPU多数时间是在等待，造成资源的浪费。

2、中断法

　　中断法是采用硬件中断的形式——先启动A/D转换，在转换结束时发出一中断信号——CPU响应采集卡的中断时读出所采集的数据。这样，在等待转换的时间里，CPU可以进行其他的计算工作，而不用处于等待状态。中断法的优点是资源能充分利用；但是程序设计复杂，尤其是当系统的硬件中断资源紧张时，很容易造成中断冲突；另外，在Windows或Win95等操作系统中，不允许用户安装中断处理程序时，则无法实现。

以上讨论的两种方法都是在DOS下的方法；在Win95下，现在有了一个更好的方法——多线程技术。现在，我们可以利用多线程技术来进行数据采集。

1. 采用多线程进行数据采集的优点

　　Win95/98最让人喜爱的除了漂亮的界面以外，就是多线程与多任务了。DOS环境中，执行中的程序可以独占全部的资源；在Windows环境中，虽然它是一个略具雏形的多任务环境，但是只要你喜欢，你的程序仍然可以掌握所有的CPU时间。但是，在Windows 95以及Windows NT中，一个程序无法独占所有的CPU执行时间。而且，一个程序也不是从头到尾一条线。相反，一个程序在执行中可以分为多个程序片段，同时执行。这些能同时执行的程序片段称为线程。在Windows 95以及Windows NT中，操作系统同一时间可以轮流执行多个程序，这就是多任务。

　　采用多线程进行数据采集可以有效地加快程序的反应速度、增加执行的效率。一般的程序中都要处理用户的输入，但用户的输入速度与CPU的执行速度相比就向走路与做宇宙飞船一样。这样，CPU就将浪费大量的时间用来等待用户的输入（如在DOS环境中）。如果采用多线程，那么就可以用一个线程等待用户的输入；另一个线程进行数据处理或其他的工作。对于数据采集程序，可以用一个单独的线程进行数据采集。这样，能最大限度的保证采集的实时性，而另外的线程同时又能及时地响应用户的操作或进行数据处理。否则，程序在采集数据时就不能响应用户的操作；在响应用户操作时就不能进行数据采集。尤其当采集的数据量很大，数据处理任务很重时，如果不采用多线程，采集时的漫长的等待是很让人接受的。

　　但是，多线程要比普通程序设计复杂得多。由于任一时刻都可能有多个线程同时执行，所以，许多的变量、数据都可能会被其他线程所修改。这就是多线程程序中最关键的线程间的同步控制问题。

2. 多线程进行数据采集应解决的问题

　　其实，多线程程序设计复杂是暂时的；如果，你采用传统的C进行多线程的设计，那么你必须自己控制线程间的同步。那将是很复杂的。但是，如果利用面向对象的设计方法，采用Delphi进行多线程程序设计，问题就简单多了。这是因为，Delphi已将多线程的复杂性替我们处理了，我们所要做的就是继承。

　　具体地说，多线程数据采集需要完成以下工作：

　　 ① 从TThread类派生一个自己的类SampleThread。这就是我们用于数据采集的类。进行采集时，只需要简单地创建一个SampleThread的实例。

　　 ② 重载超类TThread的Execute方法。在这一方法中将具体地执行数据采集任务。

　　③ 如果希望一边采集一边显示，就在编写几个用于显示采集进度的过程，供Execute方法调用。

　　TThread类中最常用的属性/方法如下：

　　Create方法：

　　constructor Create

　　(CreateSuspended: Boolean);

 

---- 其中CreateSuspended参数确定线程在创建时是否立即执行。如果为True，新线程在创建后被挂起；如果为False，线程在创建后立即执行。

FreeOnTerminate属性：
property FreeOnTerminate: Boolean;

 

---- 该属性确定程序员是否负责撤消该线程。如果该属性为True，VCL将在该线程终止时自动撤消线程对象。它的缺省值为False。

OnTerminate属性：
property OnTerminate: TNotifyEvent;

---- 该属性指定一个当线程终止时发生的事件。

---- 下面看一个具体的例子：

---- 3. 多线程数据采集的实现

---- 这是笔者在工业发电厂针对4#锅炉开发的程序。它的功能是采集锅炉的炉排速度和进煤的厚度，经过处理后做出实时耗煤量图。关键部分程序如下：

Procedure TsampleForm.DoSampleBtnClick(Sender: TObject);
Begin
　　ReDrawBtn.Enabled := True;
　　DoSampleBtn.Enabled := False;
　　FFTBtn.Enabled := True;
　　TheSampler := SampleThread.Create(False);
//创建采集线程
　　TheSampler.OnTerminate := FFTBtnClick; 
//采集完成后要执行的任务
　　TheSampler.FreeOnTerminate := True; 
//采集完成后撤消
End;
---- 采集线程的类定义如下：

Type
SampleThread = class(TThread)
Public
function AdRead(ach: byte): integer; safecall;
//读A/D卡的函数
procedure UpdateCaption;
//显示采集所用时间
private
{ Private declarations }
protected
　　thes, thep: real;
　　dt: real;
　　id: integer;
　　st, ed: LongInt;
procedure Execute; override;
//这是关键。
End;

 

---- 在这个类中定义了一个函数AdRead用于操作A/D卡，两个过程用于显示采集的进度与所用时间。需要注意的是AdRead函数是用汇编写的，参数调用格式必须是safecall。

---- 关键的重载方法Execute的代码如下：

Procedure SampleThread.Execute;
Begin
　　StartTicker := GetTickCount; 
　　id := 0;
　　Repeat
　　thes := Adread(15) * ad2mv * mv2l;
//采集第15通道
　　thep := Adread(3) * ad2mv * mv2n; 
//采集第3通道
　　dt := GetTickCount - StartTicker;
　　sarray[id] := thes;
　　parray[id] := thep;
　　tarray[id] := dt;
　　inc(id);
　　Synchronize(UpdateCaption); 
//显示采集进度
　　Until id >=4096;
　　ed := GetTickCount;
　　Synchronize(ShowCostTime); 
//显示所用时间
end;

 

---- 从以上代码中可见，Execute与一般的代码并无本质区别。仅有的区别是显示采集进度和显示所用时间时，不能直接调用各自的过程，而是通过调用Synchronize间接地调用。这样作是为了保持进程间的同步。

---- 4. 结论

---- 以上的程序采用Delphi 3.0编程，在Intel CPU 奔腾586 上实现。测试结果是这样的：采用多线程，采集4096个点一般耗用11～16s的时间；如果不采用多线程则需要1分钟到1分半。可见多线程可明显提高程序的执行效率。

　　时光飞逝，一晃就是20多年，当时因各种原因离开了电厂，自己后来也重新走上了起点，工作笔记竟然还在，但是，运行着我代码的那台机器，你现在还好吗......？

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