基于嵌入式Linux 系統(tǒng)平臺的監(jiān)控組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)方案　　

1 引言
　　實時數(shù)據(jù)庫（real-time database， RTDB）作為組態(tài)軟件設(shè)計與實現(xiàn)的核心內(nèi)容解決了其所 應(yīng)對的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境中生產(chǎn)數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多樣，數(shù)據(jù)處理與事件調(diào)度時 間約束嚴格等難題［1］。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有多種基于Windows 操作系統(tǒng)平臺的實時數(shù)據(jù)庫 產(chǎn)品在自動化過程控制領(lǐng)域中得到應(yīng)用［2］，隨著Linux 操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，這種開發(fā)平臺單一 的局面有望得到改觀。Linux 操作系統(tǒng)具有很多優(yōu)秀的特性適于組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的 開發(fā)，特別是其完善的進程線程管理，進程間通信機制與并發(fā)控制，可靠的內(nèi)存管理系統(tǒng)［3］， 更是為時間約束嚴格的實時數(shù)據(jù)庫的開發(fā)提供了有力的支持。因此，本文結(jié)合Linux 系統(tǒng)實 時多任務(wù)方面的特性，采取能夠滿足數(shù)據(jù)實時響應(yīng)要求的多級存儲結(jié)構(gòu)，研究并提出了一種 基于嵌入式Linux 系統(tǒng)平臺并可應(yīng)用于監(jiān)控組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)方案。
　　2 實時數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計
　　實時數(shù)據(jù)庫是監(jiān)控組態(tài)軟件數(shù)據(jù)處理，事務(wù)調(diào)度，各應(yīng)用程序間通信的中心。圖1 即示 出了組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理流程。
　　
　　2.1 實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)流分析
　　組態(tài)軟件運行環(huán)境分為實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RTDBMS）和實時監(jiān)控界面程序（real-time supervisory control interface， RTSCI）。實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要把工業(yè)現(xiàn)場中復(fù)雜多樣的過 程和控制數(shù)據(jù)抽象為合理高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實時監(jiān)控界面程序則利用實時過程數(shù)據(jù)為現(xiàn)場監(jiān) 控人員提供一個反映實際生產(chǎn)過程的可視化圖形界面，在實際運行中二者構(gòu)成客戶端/服務(wù) 器計算模式。RTDBMS 作為數(shù)據(jù)服務(wù)的提供者，需要滿足RTSCI 種類多樣的數(shù)據(jù)需求。
　　為了形象的描繪工業(yè)現(xiàn)場的實際生產(chǎn)過程，RTSCI 由多種圖形對象構(gòu)成，根據(jù)不同的數(shù) 據(jù)類型需求可分為實時顯示，實時趨勢，歷史趨勢，實時報警等。而應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn) 場環(huán)境的實時數(shù)據(jù)庫還需要滿足嚴格的數(shù)據(jù)存取與事件響應(yīng)的定時限制。所以，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù) 庫管理系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)表示方法，存儲模式已不能滿足工控組態(tài)軟件所要求的響應(yīng)速度 ［4］。為此，在設(shè)計實時數(shù)據(jù)庫時，為了兼顧RTSCI 所要求的數(shù)據(jù)圖形表現(xiàn)多樣性與工業(yè)生產(chǎn) 環(huán)境時間約束的嚴格性，需要采用多種存儲介質(zhì)合理組合的多層級數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。
　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中實時產(chǎn)生的過程量，是需要組態(tài)軟件在每個采樣周期中及時更新的動 態(tài)數(shù)據(jù)，為了保證實時數(shù)據(jù)庫的及時響應(yīng)，須將其存儲在內(nèi)存中；對于RTSCI 的某些數(shù)據(jù) 需求，如歷史趨勢顯示，實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)為之提供相比內(nèi)存更大的存儲空間，這類數(shù)據(jù)需求不 需要很高的響應(yīng)速度，可將之命名為靜態(tài)數(shù)據(jù)，其所服務(wù)的圖形對象要求可按時間翻頁瀏覽， 這類靜態(tài)數(shù)據(jù)適于存儲在文件系統(tǒng)中；而需要長期保存的生產(chǎn)過程量數(shù)據(jù)，即歷史數(shù)據(jù)，它 們是今后進行生產(chǎn)效能分析的依據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以保存在通用數(shù)據(jù)庫中。這樣，由內(nèi)存數(shù)據(jù) 庫，外存文件系統(tǒng)以及通用數(shù)據(jù)庫的三級存儲結(jié)構(gòu)，便構(gòu)成了既可滿足實時數(shù)據(jù)定時限制又 兼顧數(shù)據(jù)需求多樣性的可應(yīng)用于監(jiān)控組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫的存儲架構(gòu)。
　　2.2 利用共享內(nèi)存與命名管道技術(shù)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)
　　Linux 提供了一組由AT&T System V.2 版本的UNIX 引入的進程間通信（Inter-Process CommunicatiON， IPC）機制，其中的共享內(nèi)存技術(shù)允許兩個不相關(guān)的進程訪問同一段邏輯內(nèi) 存，是在兩個運行中的進程間傳遞數(shù)據(jù)的一種非常高效的數(shù)據(jù)訪問機制［5］，可為RTDBMS 與RTSCI 間的動態(tài)數(shù)據(jù)交互提供有力的支持。但共享內(nèi)存技術(shù)本身并未提供任何同步機制， 因此還需要配合IPC 的信號量機制來保證二者間數(shù)據(jù)訪問控制。Linux 提供的另一組在不相 關(guān)的進程間進行數(shù)據(jù)交互的函數(shù)是命名管道FIFO。它是將數(shù)據(jù)存儲在文件系統(tǒng)中實現(xiàn)進程 間共享的一種通信方式。命名管道適用于數(shù)據(jù)存取響應(yīng)時間要求相對寬松且數(shù)據(jù)交互總量較 大的應(yīng)用場合。同時，F(xiàn)IFO 中實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的read 和write 調(diào)用的阻塞機制，還可以提供 進程間的同步控制。
　　
　　由上述對其特點的分析，F(xiàn)IFO 技術(shù)是實現(xiàn)RTDBMS 與RTSCI 間靜態(tài)數(shù)據(jù)交互較好的 選擇。上圖即示出了由共享內(nèi)存，命名管道，ODBC 接口等多種進程間通信機制構(gòu)建的實時 數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)。值得注意的是，為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫與通用數(shù)據(jù)庫的雙向數(shù)據(jù)交換，需要編寫特定的通用數(shù)據(jù)庫接口（ODBC 接口）例程。Linux 提供了一組豐富的接口函數(shù)用來訪問 MySQL 數(shù)據(jù)庫。通過對通用數(shù)據(jù)庫MySQL 的數(shù)據(jù)連接進行組態(tài)，實時數(shù)據(jù)庫便可按照預(yù) 先指定的采樣周期，對規(guī)定時間區(qū)段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)與MySQL 數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)連接。