采用多线程进行数据采集

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p>---- 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。查询法或中断法。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。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飞机一样。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 ?氖凳毙裕??硗獾南叱掏?庇帜芗笆钡叵煊τ没У牟僮骰蚪?惺?荽?怼７裨颍?绦蛟诓杉??菔本筒荒芟煊τ没У牟僮鳎辉谙煊τ没Р僮魇本筒荒芙?惺?莶杉?Ｓ绕涞辈杉?氖?萘亢艽螅??荽?砣挝窈苤厥保?绻?徊捎枚嘞叱蹋?杉?钡穆?さ牡却?呛苋萌私邮艿摹? ---- 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 ---- 这是笔者开发的一个测抽油机功图的程序。它的功能是采集抽油机悬点的载荷及位移数据，经过处理后做出抽油机的功图。图1(略)所示是数据采集时的界面。点“采集数据”按钮后，程序将创建一新的线程，并设置其属性。这一新线程将完成数据采集任务。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); 注意：显示采集进度 Until id >=4096; ed := GetTickCount; Synchronize(ShowCostTime); 注意：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 4.0编程，在AMD-K6-2/300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10～14s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。 p>---- 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。查询法或中断法。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。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飞机一样。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 ?氖凳毙裕??硗獾南叱掏?庇帜芗笆钡叵煊τ没У牟僮骰蚪?惺?荽?怼７裨颍?绦蛟诓杉??菔本筒荒芟煊τ没У牟僮鳎辉谙煊τ没Р僮魇本筒荒芙?惺?莶杉?Ｓ绕涞辈杉?氖?萘亢艽螅??荽?砣挝窈苤厥保?绻?徊捎枚嘞叱蹋?杉?钡穆?さ牡却?呛苋萌私邮艿摹? ---- 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 ---- 这是笔者开发的一个测抽油机功图的程序。它的功能是采集抽油机悬点的载荷及位移数据，经过处理后做出抽油机的功图。图1(略)所示是数据采集时的界面。点“采集数据”按钮后，程序将创建一新的线程，并设置其属性。这一新线程将完成数据采集任务。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); 注意：显示采集进度 Until id >=4096; ed := GetTickCount; Synchronize(ShowCostTime); 注意：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 4.0编程，在AMD-K6-2/300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10～14s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。 下载本文示例代码


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