基于Linux的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫的設計

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，產(chǎn)生了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，使得嵌入式環(huán)境下的數(shù)據(jù)管理成為工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要部分，這就要求監(jiān)控軟件必須具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，為人們提供實時、可靠的數(shù)據(jù)，以反映現(xiàn)場運行的狀況，以便進行相應的控制操作。

嵌入式環(huán)境中數(shù)據(jù)的正確性不僅依賴于數(shù)據(jù)的邏輯結果，而且依賴于邏輯結果產(chǎn)生的時間。如何有效管理這些大量的、時效性強且有嚴格時序的數(shù)據(jù)，如何使之以高可靠性、高實時性和大吞吐量的方式進行處理是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)必須解決的首要問題。

1 實時數(shù)據(jù)的處理過程

在監(jiān)控系統(tǒng)中，需要對大量的實時數(shù)據(jù)進行處理，處理過程包括：現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集；對實時數(shù)據(jù)進行處理和存儲；對結果進行分析、判斷和報警；對歷史數(shù)據(jù)的處理等，如圖1。

將所有的實時數(shù)據(jù)集中進行處理，建立實時數(shù)據(jù)庫，是嵌入式系統(tǒng)的一個中心環(huán)節(jié)。實時數(shù)據(jù)庫中的很大一部分數(shù)據(jù)是從生產(chǎn)和測量現(xiàn)場實時采集到的數(shù)據(jù)，因此及時準確地采集數(shù)據(jù)是整個控制系統(tǒng)正常工作的基本前提。另外還有一些計算數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。

實時數(shù)據(jù)處理是在監(jiān)控系統(tǒng)中對實時數(shù)據(jù)庫中變量的值進行的操作。包括對數(shù)據(jù)的顯示，存儲，報警，管理，提供控制參數(shù)等，同時它還可以根據(jù)需要把有關信息以事件的方式發(fā)送給系統(tǒng)的其它部分，以便觸發(fā)相關事件，進行實時處理。

歷史數(shù)據(jù)處理是對定時存儲到歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行處理，主要操作包括對原始數(shù)據(jù)的匯總、查詢，可以以曲線、報表等形式將數(shù)據(jù)形象地顯示出來。嵌入式設備存儲容量有限，系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)將通過通信接口定期送入遠程關系數(shù)據(jù)庫中保存。

在嵌入式系統(tǒng)中，實時數(shù)據(jù)庫從本質(zhì)上說不是一個真正意義上的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，只是一個由應用程序管理的內(nèi)存緩沖區(qū)，有時又稱為“內(nèi)存數(shù)據(jù)庫”，是一個供多個實時任務共同使用的共享數(shù)據(jù)區(qū)，是嵌入在監(jiān)控軟件中、與應用程序不可分割的部分，主要完成數(shù)據(jù)的存、取操作，不具有獨立性。一個完整的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫外，還應包括歷史數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理等。因此在構建嵌入式實時數(shù)據(jù)庫時，應考慮系統(tǒng)的實時性、開銷大小、系統(tǒng)性能、可靠性，以及如何高效地利用嵌入式系統(tǒng)的有限資源、提高數(shù)據(jù)的存取速度、進行數(shù)據(jù)保護、數(shù)據(jù)交換、算法的優(yōu)化、事務的優(yōu)先級分派、事務調(diào)度等。

2 嵌入式組態(tài)軟件中的實時數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

隨著DCS的發(fā)展，利用組態(tài)軟件來支持工業(yè)應用軟件的開發(fā)，隨著Linux在嵌入式技術領域應用的不斷推廣和深入，許多工控軟件都基于Linux開發(fā)。從結構上看，基于Linux的嵌入式圖形化組態(tài)軟件（LEGCS：Linux-based Embedded Graphic Configuration Software）由系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)運行環(huán)境兩部分組成。系統(tǒng)開發(fā)境是作為一個平臺開發(fā)工具運行在PC機上，主要完成畫面繪制、指定組態(tài)的具體對象和內(nèi)容、完成設備屬性設定、設定控制策略、I/O管理等操作來對控制現(xiàn)場進行全面的描述與設置，所有設定的結果保存到實時數(shù)據(jù)庫中，供系統(tǒng)運行時使用。保存到實時數(shù)據(jù)庫中的信息主要包括:現(xiàn)場數(shù)據(jù)、開關量、儀表值、實時時鐘、設備屬性等。運行環(huán)境實際就是工業(yè)控制應用軟件，運行在嵌入式設備上，實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫，讀取其中的數(shù)據(jù)并進行解析，在目標機上顯示組態(tài)內(nèi)容，實現(xiàn)設備的組態(tài)控制和仿真。維系組態(tài)環(huán)境與運行環(huán)境的紐帶是實時數(shù)據(jù)庫，如圖 2。

數(shù)據(jù)庫生成模塊運行在開發(fā)環(huán)境，主要完成如全局變量、內(nèi)存變量的數(shù)據(jù)定義，設置變量處理方式等，全局變量直接與工業(yè)現(xiàn)場設備狀態(tài)（如反應容器壓力、閥門開關狀態(tài)等）相關，這些數(shù)據(jù)在運行環(huán)境中由I/O 驅(qū)動模塊按組態(tài)要求實時采集；內(nèi)存變量是組態(tài)軟件中用到的中間變量。實時數(shù)據(jù)生成模塊將組態(tài)信息存放到實時數(shù)據(jù)庫中。在運行環(huán)境，由實時數(shù)據(jù)庫運行模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，響應用戶控制請求，維護圖形界面與實時數(shù)據(jù)庫、被控對象之間的數(shù)據(jù)流動。運行環(huán)境中的實時曲線顯示和趨勢模塊定時從實時數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲模塊將實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)存儲在磁盤上作為歷史數(shù)據(jù)。

3 LEGCS系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)庫的的設計

3.1 實時數(shù)據(jù)庫的結構設計

實時數(shù)據(jù)按其性質(zhì)可分為模擬量、開關量、數(shù)字量、字符串等多種，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)類型和系統(tǒng)所用到的系統(tǒng)常量和中間變量，在LEGCS中定義了八種變量類型：內(nèi)存離散型、I/O離散型、內(nèi)存整數(shù)型、I/O整數(shù)型、內(nèi)存實數(shù)型、I/O實數(shù)型、內(nèi)存字符串型、I/O字符串型，其中內(nèi)存變量類型用于創(chuàng)建系統(tǒng)常量和中間變量，I/O變量類型用于處理現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)。對各種類型的變量來說，均有其取值范圍：離散型變量只能取0和1，整型變量與一般程序設計語言中的有符號長整型變量類似，用于表示帶符號的整型數(shù)據(jù)。實型變量用于表示浮點數(shù)據(jù)。字符串變量用于記錄一些特定含義的字符串。每類變量一一對應于一類實時數(shù)據(jù)，它以結構的形式來管理，變量的數(shù)據(jù)結構RTVariant定義如表1。