OPC DA 服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0 引言

　　OPC 全稱OLE for Process CONtrol，它是由OPC 基金會(huì)制定的自動(dòng)化領(lǐng)域過程控制標(biāo)準(zhǔn)。

　　實(shí)際上，OPC 代表一系列的標(biāo)準(zhǔn)，包括OPC 數(shù)據(jù)訪問(OPC Data AccESS)，OPC 報(bào)警與事件(Alarms & Events )，歷史數(shù)據(jù)訪問(OPC Historical Data Access)，OPC XML-DA(1.0)等。目前，OPC 標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，特別是在數(shù)據(jù)采集和軟實(shí)時(shí)控制方面已有很好的應(yīng)用。

　　1 OPC 標(biāo)準(zhǔn)介紹

　　在 OPC 標(biāo)準(zhǔn)制定之前，工業(yè)軟件制造商需要為不同的硬件開發(fā)各自獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)接口。對(duì)于開發(fā)典型監(jiān)控程序軟件的技術(shù)人員來說，約有20%-30%的時(shí)間是用于編寫通訊驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)供應(yīng)商提供一個(gè)新的硬件時(shí)，應(yīng)用軟件研發(fā)人員就不得不重新編寫一個(gè)新的程序。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com/)

　　而OPC 標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)為此解決該問題提供了一個(gè)方案，它制定了一系列的數(shù)據(jù)存取，事件，報(bào)警等規(guī)范，使得當(dāng)有新的硬件出現(xiàn)時(shí)，供應(yīng)商只需提供實(shí)現(xiàn)的OPC 標(biāo)準(zhǔn)接口，而上層應(yīng)用軟件則不需重新改寫。這樣，在系統(tǒng)與設(shè)備之間，車間現(xiàn)場(chǎng)與信息管理之間，甚至更遠(yuǎn)的距離上，都可以通過OPC 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)無縫通訊，而不必?fù)?dān)心設(shè)備升級(jí)帶來的不便和額外費(fèi)用。

　　OPC 為不同的應(yīng)用制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)，OPC DA 是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取的接口規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)基于OLE / COM / DCOM / COM+技術(shù)，采用Client / Server 模式。數(shù)據(jù)通過特定的采集卡或串口等，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲得，然后OPC DA 服務(wù)器將這些從數(shù)據(jù)源采集到的數(shù)據(jù)，以O(shè)PC 標(biāo)準(zhǔn)接口形式提供給外部應(yīng)用程序，例如工控軟件，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等。OPC 服務(wù)器可以通過本地或遠(yuǎn)程服務(wù)服務(wù)器兩種方式，為依照OPC 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的客戶端提供服務(wù)。

　　2 OPC DA 服務(wù)器的設(shè)計(jì)

　　本文通過使用 VC++編程實(shí)現(xiàn)的一個(gè)OPC DA 服務(wù)器框架，來介紹OPC DA 服務(wù)器設(shè)計(jì)中需要解決的主要問題。在OPC 服務(wù)器的設(shè)計(jì)中，引入適配器模式，通過適配層將數(shù)據(jù)訪問同具體的數(shù)據(jù)源操作相分離，以便針對(duì)不同的數(shù)據(jù)來源時(shí)，進(jìn)行快速的二次開發(fā)。實(shí)現(xiàn) OPC DA 服務(wù)器，需要依照OPC 基金會(huì)提供的OPC DA 標(biāo)準(zhǔn)，將從數(shù)據(jù)源中采集數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接口形式提供給外部。其中，OPC 規(guī)范為OPC 服務(wù)器規(guī)定了兩套接口方式：定制接口(Custom interface)和自動(dòng)化接口(AutomATIon Interface)。其中，前者是OPC 服務(wù)器必須實(shí)現(xiàn)的接口，后者則是為方便VB 等腳本語言而提供，可以選擇性實(shí)現(xiàn)。

　　2.1 OPC DA 服務(wù)器中的對(duì)象

　　根據(jù) OPC 標(biāo)準(zhǔn)，在OPC DA 服務(wù)器中，主要包含三個(gè)層次的對(duì)象：服務(wù)器對(duì)象(Server)，組對(duì)象(Group)和數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)。其中，服務(wù)器對(duì)象與組對(duì)象是一對(duì)多的關(guān)系，一個(gè)Server 對(duì)象可以包含0 到多個(gè)Group 對(duì)象，而一個(gè)組對(duì)象中可以包含0 到多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。OPC DA 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Server 和Group 對(duì)象需要實(shí)現(xiàn)的接口，進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定說明。

　　在 OPC DA 標(biāo)準(zhǔn)中，客戶端對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)存取是以Group 為單位的，每次將需要存取的數(shù)據(jù)項(xiàng)item 加入一個(gè)Group，然后對(duì)該Group 進(jìn)行整體讀寫操作。Group 對(duì)象通過標(biāo)準(zhǔn)定義的IOPCDataMgt 接口，對(duì)Item 進(jìn)行添加，刪除等相關(guān)的管理;而Server 對(duì)象則通過IOPCServer 接口對(duì)Group 對(duì)象進(jìn)行添加，刪除等管理。

　　2.2 OPC DA 服務(wù)器的結(jié)構(gòu)

　　開發(fā)一個(gè) OPC DA 服務(wù)器需要注意以下問題：服務(wù)器的運(yùn)行方式，各個(gè)接口與對(duì)象的相互關(guān)系，內(nèi)部數(shù)據(jù)的組織形式，對(duì)外部數(shù)據(jù)源的訪問等。在本實(shí)例中，OPC 數(shù)據(jù)存取服務(wù)器的框架結(jié)構(gòu)如下圖所示

　　圖 1 OPC 服務(wù)器的結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]

　　接口與對(duì)象：在各層次對(duì)象與接口的關(guān)系處理中，可以采用兩種方法：多繼承的方式，將Server/Group 對(duì)象繼承自每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接口;或者采用聚合的方式，Server/Group 對(duì)象包含接口對(duì)象。本例采用的是第二種方式，該方式可以將使接口的編寫相對(duì)獨(dú)立，以方便測(cè)試，并且有利于自動(dòng)化接口的可選擇實(shí)現(xiàn)。

　　服務(wù)器使用 VC++編程，包含以下幾個(gè)主要的類：

　　COPCServer：Server 對(duì)象的類，管理IOPCCommon，IOPCServer，IConnectionContainer等接口;

　　COPCGroup：Group 對(duì)象的類，管理IOPCItemMgt，IOPCGroupStateMgt，IOPCSyncIO，IOPCAsyncIO，IConnectionContainer 等接口;

　　其他接口類：每個(gè)接口還對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)現(xiàn)類(如：CIOPCItemMgtImp 是IOPCItemMgt 的具體實(shí)現(xiàn))，該類完成OPC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的對(duì)應(yīng)接口的功能函數(shù)，類的實(shí)例化對(duì)象將以聚合的方式接受Server 或Group 對(duì)象的管理;

　　數(shù)據(jù)緩存區(qū)的構(gòu)造：在 OPC 服務(wù)器中，Cache 是重要的部分，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)將直接影響數(shù)據(jù)訪問的速度，它負(fù)責(zé)將從設(shè)備中讀取的數(shù)據(jù)先存放在數(shù)據(jù)緩存區(qū)，供同步或異步讀取。緩存區(qū)內(nèi)存可以采用連續(xù)存儲(chǔ)，鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)和哈希存儲(chǔ)。其中，考慮到存取速度和方便管理，該服務(wù)器選擇采用連續(xù)存儲(chǔ)的方式。該方式可以隨機(jī)存取數(shù)據(jù)，但存取數(shù)據(jù)的數(shù)量不宜過大，如果需要存取較大數(shù)量的數(shù)據(jù)項(xiàng)，則推薦采用哈希存儲(chǔ)方式。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，都包含有三個(gè)基本屬性：數(shù)值(Value)，時(shí)間戳(Time Stamp)和數(shù)據(jù)品質(zhì)(Quality)。從數(shù)據(jù)源中訪問到的數(shù)據(jù)項(xiàng)將按照線性方式存儲(chǔ)到連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域中;每次對(duì)緩存區(qū)的訪問都需要進(jìn)行加鎖，以防止出現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行讀操作和寫操作。

　　2.3 輪詢方式對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行訪問：

　　由于服務(wù)器是單獨(dú)不斷從數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)，因此可以采用單獨(dú)的線程，按時(shí)間輪詢的方式，每隔一段時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行訪問，這個(gè)時(shí)間也就成為服務(wù)器支持的最短數(shù)據(jù)訪問時(shí)間。服務(wù)器的主要工作流程：

　　(1) 每隔一段時(shí)間進(jìn)行輪詢操作;

　　(2) 如果掃描時(shí)間到，訪問數(shù)據(jù)源;否則，至(3);如果有訂閱請(qǐng)求，回調(diào)訂閱函數(shù);

　　(3) 如果有刷新請(qǐng)求，回調(diào)刷新函數(shù);如果有異步讀數(shù)據(jù)請(qǐng)求，讀取數(shù)據(jù)并回調(diào)異步讀函數(shù);如果有異步寫請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)寫入外部設(shè)備;

　　(4) 返回(1);

　　服務(wù)器中該循環(huán)的主要功能，主要用來進(jìn)行異步數(shù)據(jù)存取，訂閱及刷新。而對(duì)于同步訪問等操作，由于需要服務(wù)器立即存取數(shù)據(jù)然后返回結(jié)果，因此其實(shí)現(xiàn)并不在該主循環(huán)中，而是針對(duì)其接口單獨(dú)編寫一個(gè)類，用來實(shí)現(xiàn)同步存取接口函數(shù)的功能。

　　2.4 OPC DA 的數(shù)據(jù)訪問方式

　　OPC DA 對(duì)數(shù)據(jù)的訪問主要分為以下幾種：同步讀，異步讀，訂閱和數(shù)據(jù)刷新;對(duì)數(shù)據(jù)源的操作又可以分為直接從設(shè)備讀取和從Cache 中讀取。這兩者的組合構(gòu)成了對(duì)數(shù)據(jù)源的訪問規(guī)則，OPC 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)訪問規(guī)則進(jìn)行了詳細(xì)的描述。在這幾種數(shù)據(jù)訪問中，同步讀接口可以實(shí)現(xiàn)少量，快速的數(shù)據(jù)讀取，異步讀則是提交一個(gè)請(qǐng)求，然后返回，等服務(wù)器完成數(shù)據(jù)讀取后回調(diào)函數(shù)。與同步讀相比，異步讀更能提高OPC Client 的使用效率，防止OPC 服務(wù)器尚未訪問到數(shù)據(jù)時(shí)，造成客戶端的等待。訂閱異步讀大致相同，每當(dāng)訪問數(shù)據(jù)源后自動(dòng)將數(shù)據(jù)提交給客戶端。

　　圖 2 OPC 服務(wù)器中采用的可連接對(duì)象結(jié)構(gòu)模型

　　在 OPC DA2.0 和OPC DA3.0 中的異步通訊機(jī)制中，使用到了連接點(diǎn)容器/連接點(diǎn)接口[1]，取代了原來OPC DA1.0 中的直接注冊(cè)/回調(diào)的模式。能夠更靈活的支持多個(gè)連接點(diǎn)和連接。在可連接對(duì)象模式中，每個(gè)可連接對(duì)象可以包含多個(gè)連接點(diǎn)，每個(gè)連接點(diǎn)支持一種回調(diào)接口;每個(gè)連接點(diǎn)上可以連接多個(gè)客戶端;回調(diào)接口由客戶端實(shí)現(xiàn)，可連接對(duì)象通過回調(diào)函數(shù)于客戶端進(jìn)行交互。

　　在 OPC DA 服務(wù)器中，可連接對(duì)象包括Server 對(duì)象和Group 對(duì)象兩種，Server 對(duì)象只支持一個(gè)IOPCShutdown 回調(diào)接口，而異步數(shù)據(jù)交換等重要的功能位于Group 對(duì)象中。在OPC 組對(duì)象中，包含一個(gè)連接點(diǎn)對(duì)象，該對(duì)象支持IOPCDataCallback 回調(diào)接口，連接點(diǎn)可以連接多個(gè)客戶端，當(dāng)異步訪問完成時(shí)，服務(wù)器同過可連接對(duì)象通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的回調(diào)函數(shù)，通知每個(gè)已經(jīng)注冊(cè)的客戶端。

　　2.5 基于適配器模式的數(shù)據(jù)采集

　　OPC DA 服務(wù)器的最重要功能，就是從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)源的多樣性，可以是磁盤映射的數(shù)據(jù)文件，串口或者是專門的數(shù)據(jù)采集卡。為了設(shè)計(jì)一個(gè)通用的架構(gòu)，便于以后升級(jí)或訪問其他不同類型的數(shù)據(jù)源。一個(gè)可行的解決方法就是，添加一個(gè)適配層，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問接口，對(duì)有不同數(shù)據(jù)格式的采集，寫入等操作，都從該接口繼承，從而針對(duì)不同的數(shù)據(jù)采集方式完成相應(yīng)的功能。這樣，使服務(wù)器在整體不需改變的情況下，能夠適應(yīng)多種數(shù)據(jù)源的情況。其大致的結(jié)構(gòu)如下圖所示

　　圖 3 使用適配器模式的IOPCItem 接口

　　IOPCItem 接口：該接口定義了對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的虛函數(shù)，包括讀取(ReadValue)，和寫入(WriteValue)函數(shù);在進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)，需針對(duì)不同的數(shù)據(jù)源需要具體實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè)組對(duì)象掃描該組成員項(xiàng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問時(shí)，它將直接調(diào)用IOPCItem 接口。該接口是一個(gè)虛基類，其具體實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)源有關(guān);對(duì)于將要訪問的外部設(shè)備，其存取數(shù)據(jù)的格式和驅(qū)動(dòng)可能不同;IOPCItem 接口對(duì)此并不作具體規(guī)定，只是定義了虛函數(shù)，用來讀取和寫入數(shù)據(jù);其具體的編碼實(shí)現(xiàn)需要由OPC DA 服務(wù)器將要訪問的外部設(shè)備決定。這樣，將數(shù)據(jù)訪問同具體的數(shù)據(jù)源分開，減少了耦合，使同一服務(wù)器架構(gòu)可以滿足多種業(yè)務(wù)需求。[!--empirenews.page--]

　　3 OPC DA 服務(wù)器與客戶端數(shù)據(jù)訪問的交互過程

　　OPC 客戶端對(duì)在進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問時(shí)，是以組為單位的，每個(gè)組中可以加入客戶端需要訪問的數(shù)據(jù)項(xiàng)，具體的訪問交互過程如下：

　　(1) OPC DA 客戶端查找并訪問一個(gè)OPC DA 服務(wù)器，此時(shí)在OPC DA 服務(wù)器端，創(chuàng)建一個(gè)Server 對(duì)象，并返回一個(gè)接口指針;

　　(2) 客戶端由返回的指針找到接口IOPCServer，通過IOPCServer：：AddGroup()函數(shù)添加一個(gè)Group;服務(wù)器端則生成一個(gè)Group 對(duì)象，返回一個(gè)該Group 對(duì)象的接口指針;

　　(3) 客戶端利用該指針查找IOPCItemMgt 接口，調(diào)用函數(shù)AddItem()在服務(wù)器添加一個(gè)或多個(gè)item 數(shù)據(jù)項(xiàng)item 對(duì)象，然后便可對(duì)該組對(duì)象中的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行存取等操作;

　　(4) 同步訪問：查找Group 對(duì)象的IOPCSyncIO 接口，直接調(diào)用Read()，Write()函數(shù);異步訪問：a)注冊(cè)，查找Group 對(duì)象的IConnnectionContianer 接口，找到一個(gè)支持OPCDataCallback 接口的連接點(diǎn)對(duì)象，客戶端生成IOPCDataCallback 對(duì)象并在連接點(diǎn)IConnectionPoint 上注冊(cè);b)查找IAsyncIO 接口，客戶端調(diào)用該接口的Read，Write，Refresh等函數(shù)，然后直接返回;c)完成數(shù)據(jù)存取后，服務(wù)器回調(diào)已經(jīng)注冊(cè)的IOPCDataCallback 接口的相關(guān)函數(shù)，如OnDataChange 等，此時(shí)客戶端可以通過回調(diào)函數(shù)獲到返回的結(jié)果;　　(5) 清理現(xiàn)場(chǎng)，釋放接口指針并返回;

　　4 結(jié)束語

　　OPC 標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件廠商之間建立了規(guī)范的聯(lián)系，其工控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為一個(gè)事實(shí)上的軟件總線。可適配的OPC DA 服務(wù)器則是將其上層進(jìn)行了封裝，對(duì)下層數(shù)據(jù)源存取進(jìn)行了接口抽象，將數(shù)據(jù)采集同具體的數(shù)據(jù)源分離，從而降低了數(shù)據(jù)訪問的耦合性。采用可適配模式的OPC DA 服務(wù)器，可以針對(duì)不同的數(shù)據(jù)采集模式，依照具體采集卡情況實(shí)現(xiàn)適配接口，從而縮短軟件整體開發(fā)的周期，提高實(shí)際應(yīng)用的速度。