跨平台SCADA系统（组态软件）开发4

四、数据采集

采集功能是整个系统最核心的功能，完成了这一功能，其他部分便水到渠成。数据采集的需求包括：

（1）仪器各种各样，通信协议五花八门。

（2）软件开发完成以后，能够让不懂代码的人配置最终产品。

（3）使用多种链路，有些仪器共用一条链路。

（4）快速采集，有些链路或仪器出现问题不影响整个系统的采集。

（5）在采集的同时，反控能及时响应。

上述五个需求，我们在不同的模块中完成，每个模块只要做好自己的事情即可。

 

4.1 设备配置和通信协议

这一部分完成的是需求1和2。通信协议完成仪器数据格式的转化，一般情况下，不同的仪器使用不同的通信协议。但实际上，大部分仪器使用的通信协议都是类似的。例如大部分仪器使用Modbus协议，所不同的是它们使用不同的地址存储不同的数据。在这种情况下，我们不可能给每一种仪器做一次编码，只能把Modbus协议编码出来，而不同的地址对应什么，就使用设备配置的方法来解决。

系统使用反射的机制开发通信协议，做到灵活增删通信协议，不影响主程序的发布。我所经历过的场景是，每隔几天就会新增一种仪器，或是其中一种仪器修改了通信协议。在这种情况下，不可能因为仪器的变动，而推迟整个SCADA系统的发布。

所有通信协议类都继承一个基类，基类只有两个接口函数：ReadValueState（读取值和状态）和WriteCommand（写入命令）。为每个通信协议创建独立的项目（为支持跨平台，同时基于.NET Core和.NET Framework框架），生成之后，会得到一个dll。我们把这些dll放在某个指定的文件夹内，主程序经过扫描，即得到了通信协议类的列表。通过反射机制，得到每个类的实例，即可调用类的ReadValueState和WriteCommand两个接口函数。

当有一种新的仪器出现时，我们不需要修改主程序，而只需要新建一个协议项目，把编译好的dll扔到指定文件夹内，主程序就能支持这些新的仪器。

设备配置是按因子去配置的，以Modbus协议为例，我们需要为每个因子配置地址、连续数量、存储类型（寄存器、线圈等）、读写模式、字节顺序等。考虑到跨平台的需求，设备配置的最终结果保存为JSON文件，这样在Web端也能轻松读取。

 

4.2 链路

链路也有一个基类，其接口函数主要有两个，Send和Receive（当然还有Open和Close这些），它们操作的数据类型都是字节流byte[]。为了尽可能减少外部对链路的了解（黑盒化），我们需要在链路类里完成两个工作：

（1）异步转同步。为避免堵塞，链路内实际使用异步的方法接收数据。但这种异步回调的方式，不利于外部调用。我们需要把异步转成同步的方式。外部都是先调用Send，然后等一段时间，再调用Receive。如果没有数据，说明超时了。

（2）自动重连。在网络环境中，断线是很常见的，链路类需要做到自动发现网络，自动重新连接。那么，外部类只要不断地Send和Receive就可以了。

在开发过程中，有一点需要注意的是，.NET Core本身已经不支持SerialPort（串口）了。我们需要使用第三方的类库，本系统使用了SerialPortStream。

 

4.3 调度器

最后两点需求，涉及到一个调度器的开发。我们可以想象，目前采集任务可以简单用以下代码表示：

//采集线程
Task.Run(() =>
{
    foreach(Device device in devices)
    {
        device.ReadValueState();
    }
});

//反控线程
Task.Run(() =>
{
    devices[i].WriteCommand("cmd");
});

采集线程不断地调用协议类里的ReadValueState，而这个接口函数内部，必定是调用了链路类的Send和Receive（有可能多次）。反控线程可以说是用户触发的，不定时地调用WriteCommand，其内部同样也是调用了链路类的Send和Receive。

调度器的任务，就是在一大批Send和Receive下来时，确定什么时候在哪条链路上发送什么字节流，然后等待多长时间，从这条链路接收数据并跟原来的Send匹配。

调度器只使用一个线程，每个发送-接收任务都有一个等待时间（在设备配置时确定）。具体流程如下：

1、调度器先处理新的Send的任务，如果目前Send列表中没有此任务，则加入到Send列表中。为了让反控能及时响应，反控命令的Send任何都是马上加入，而采集的则稍微延迟加入。

2、根据当前时间，判断哪些Send任务可以执行，向物理链路发送字节流。

3、已经发送的Send任务，改成Receive任务，加入到Receive列表中。

4、根据当前时间，判断哪些Receive任务可以执行，向物理链路接收字节流。

5、把接收到的字节流，作为回调函数的参数，给协议层使用。