基于LabVIEW的海量数据存储系统软件设计

2015-03-27靳先聚

黄河水利职业技术学院学报 2015年4期

靳先聚

（华电郑州机械设计研究院有限公司，河南郑州 450015）

0 引言

在工程测试中，往往需要对测试信号进行实时采集、处理和存储，同时希望在测试结束后能方便的查看历史数据。现代的工程测试信号多为多通道、长时间、不间断的海量数据，传统仪器已经无法满足对这些数据的处理和存储要求。因此，如何快速、准确、可靠地存储这些海量数据是目前的一个研究热点。

虚拟仪器是把计算机、模块化的仪器等硬件与高效灵活的软件结合起来，从而提高了系统的灵活性和工作效率［1～2］。在其模块化的开发环境下，用户只需拥有常规硬件设备，就可以根据自己的实际需要，自主设计各种功能的测试系统。LabVIEW（Laboratory VirtualInstrumentEngineer Workbench）是美国国家仪器（National Instruments，简称NI）公司推出一种图形化的即时可重构虚拟仪器软件。用户可以根据自身的特殊需要，构建特定的虚拟仪器，降低了对硬件设备的依赖［3～4］。另外，LabVIEW也是这一领域应用最广、发展最快、功能最强的软件。笔者探讨了在LabVIEW编程环境下，数据存储系统的软件设计。

1 系统结构和存储文件的选择

1.1 系统结构

该数据存储系统由信号采集、信号处理、数据存储和数据查询4部分组成，其结构如图1所示。

1.2 系统存储文件的选择

图1 软件结构图Fig.1 Software structure

LabVIEW环境支持的可读写文件格式主要有文本文件、二进制文件和数据记录文件3种［5］。其中，二进制文件占用磁盘空间最少，并且文件的存储格式与数据在内存中的格式一致，无需转换，致使读写文件的速度更快［6］。因此，二进制文件是数据存储最为紧凑和快速的格式，特别适合海量数据的存储和读取。LabVIEW提供的以二进制文件进行数据存储的文件类型有：Datalog文件、Waveform文件、TDMS文件、TDM文件等。TDMS文件具有读写速度快、占用硬盘空间小等优点［7～9］，更适合多通道、海量振动数据的存储。所以，本系统采用TDMS文件对数据进行存储。

2 程序设计

2.1 编制流程图

程序流程图是整个编程过程中的指导性文件，通过它可以了解到其环节要实现什么功能，以及下一个环节程序会转向哪里。本文设计的程序流程图如图2所示。

由图2可知，程序总体分为初始化和执行两部分，这两部分要按顺序执行。LabVIEW提供的顺序循环结构只需设立两步，就可以达到这一要求。

图2 存储系统程序流程图Fig.2 Storige system program flow

2.2 数据存储模块设计

数据的存储模块是完成对数据后续分析的前提和基础。因此，必须保证存储的速度和可靠性。采用TDMS的存储方式保证了存储的速度。为了保证存储的可靠性，必须在数据存储的速度小于数据产生的速度时，能缓存数据。这就需要选择合适的编程模式。

LabVIEW为编程者提供的如图3所示的用于数据处理的标准设计模式——生产者/消费者设计模式（数据）能同时执行数据产生和数据存储这两个过程，并且保证它们不会相互影响。生产者/消费者设计模式（数据）由循环结构（While循环）和队列组成。队列是一个先入先出的缓冲区域。生产者产生数据，并将数据放入队列中；消费者依次从队列中取出数据，并进行相应的处理。当生产过剩而消费不足时，缓冲区的剩余空间不断减少，直至耗尽。反之，当消费能力大于生产能力时，缓冲区的数据会逐渐减少，直至缓冲区中再无数据可用。此时，消费者进入等待状态，直至生产者输入新数据或程序结束。

为适应系统对海量数据的存储要求，将队列所能容纳的最大数据点数设置为“无限”（最大）。因系统设计为8通道，要建立8个队列，分别存放各个通道的数据。各队列分别以各自的通道名命名。

由于各通道所实现功能完全相同，下面以通道1为例，对系统程序进行详细介绍。通道1的数据存储程序框图如图4所示。将仿真信号放在生产者循环中。为了方便程序的调试，利用输入控件实现对信号频率、幅值和相位的即时输入。在消费者循环中，从队列中取出数据，并存储、处理和显示。由于通道多、数据量大，此处只存储原始数据、均方根值和报警信息（报警序号、报警通道名和报警时间）。

图3 生产者/消费者设计模式（数据）Fig.3 Producer/consumer design pattern(data)

图4 通道1的数据存储程序框图Fig.4 Data storage program of channel 1

程序运行过程中，先用“TDMS打开”函数新建或打开一个TDMS文件，再用“TDMS设置属性”函数为TDMS文件设置测试时间属性，并记录测试的开始时间。然后，以通道名（例如通道1）命名TDMS的“组名”，以“原始数据”和“均方根值”命名TDMS的“通道名”。同时，利用“平均直流—均方根”函数获得波形数据的均方根值，并将其与预设报警值进行比较。如果均方根值大于或等于报警值，将报警通道的通道名称和报警时间写入TDMS文件中的报警组中，并为报警指示灯赋值为“真”，用于提示用户该通道已经报警。如果均方根值小于报警值，不作数据存储处理，并保持指示灯为上一次判定时的值。这就可以确保指示灯在第一次报警后仍然能保持报警状态。最后，用“TDMS关闭”函数关闭TDMS文件，用“简易错误处理器”函数处理数据存储过程中出现的错误，并发送相关的错误信息。

为了减少程序编写的工作量，简化程序结构，各通道存储程序均以通道1存储程序子VI形式存在于主程序中。为了能通过人机交互的方式控制数据存储的开始和结束，需要采用事件结构对用户的操作进行响应。在数据存储程序中，若使用包含While循环的生产者/消费者设计模式（数据），将数据存储程序直接放在事件结构内，将会出现前面板死锁现象。本系统采用LabVIEW的另一种标准设计模式——生产者/消费者设计模式（事件），其程序结构如图5所示。

图5 生产者/消费者设计模式（事件）Fig.5 Producer/consumer design pattern(event)

在本程序中，将数据存储程序中需要响应的事件（开始采集事件和退出程序事件）分别通过生产者循环中事件结构对应的分支放入到队列中，通过队列传输到消费者循环中，再通过条件结构判断对应的事件分支，执行对应的程序代码。停止采集则是通过生产者/消费者设计模式（数据）中生产者中的 “停止采集”按钮以及消费者循环中“停止采集”按钮的局部变量来实现。这样，能同时停止数据的产生和存储。

系统程序的其他功能模块的设计开发此处不再做详细介绍。稳定高效的后台程序配以人性化的人机界面（如图6所示）即成为一完备的测试系统。