OPC DA 服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)

　　0 引言

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

　　實際上，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)采集和軟實時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)各自獨立的驅(qū)動接口。對于開發(fā)典型監(jiān)控程序軟件的技術(shù)人員來說，約有20%-30%的時間是用于編寫通訊驅(qū)動程序。當(dāng)供應(yīng)商提供一個新的硬件時，應(yīng)用軟件研發(fā)人員就不得不重新編寫一個新的程序。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方案，它制定了一系列的數(shù)據(jù)存取，事件，報警等規(guī)范，使得當(dāng)有新的硬件出現(xiàn)時，供應(yīng)商只需提供實現(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)場與信息管理之間，甚至更遠的距離上，都可以通過OPC 標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)無縫通訊，而不必擔(dān)心設(shè)備升級帶來的不便和額外費用。

　　OPC 為不同的應(yīng)用制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)，OPC DA 是針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行存取的接口規(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，實時數(shù)據(jù)庫等。OPC 服務(wù)器可以通過本地或遠程服務(wù)服務(wù)器兩種方式，為依照OPC 標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的客戶端提供服務(wù)。

　　2 OPC DA 服務(wù)器的設(shè)計

　　本文通過使用 VC++編程實現(xiàn)的一個OPC DA 服務(wù)器框架，來介紹OPC DA 服務(wù)器設(shè)計中需要解決的主要問題。在OPC 服務(wù)器的設(shè)計中，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，以便針對不同的數(shù)據(jù)來源時，進行快速的二次開發(fā)。實現(xiàn) OPC DA 服務(wù)器，需要依照OPC 基金會提供的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)和自動化接口(AutomATIon Interface)。其中，前者是OPC 服務(wù)器必須實現(xiàn)的接口，后者則是為方便VB 等腳本語言而提供，可以選擇性實現(xiàn)。

　　2.1 OPC DA 服務(wù)器中的對象

　　根據(jù) OPC 標(biāo)準(zhǔn)，在OPC DA 服務(wù)器中，主要包含三個層次的對象：服務(wù)器對象(Server)，組對象(Group)和數(shù)據(jù)項(Item)。其中，服務(wù)器對象與組對象是一對多的關(guān)系，一個Server 對象可以包含0 到多個Group 對象，而一個組對象中可以包含0 到多個數(shù)據(jù)項。OPC DA 標(biāo)準(zhǔn)對Server 和Group 對象需要實現(xiàn)的接口，進行了詳細的規(guī)定說明。

　　在 OPC DA 標(biāo)準(zhǔn)中，客戶端對服務(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item 加入一個Group，然后對該Group 進行整體讀寫操作。Group 對象通過標(biāo)準(zhǔn)定義的IOPCDataMgt 接口，對Item 進行添加，刪除等相關(guān)的管理;而Server 對象則通過IOPCServer 接口對Group 對象進行添加，刪除等管理。

　　2.2 OPC DA 服務(wù)器的結(jié)構(gòu)

　　開發(fā)一個 OPC DA 服務(wù)器需要注意以下問題：服務(wù)器的運行方式，各個接口與對象的相互關(guān)系，內(nèi)部數(shù)據(jù)的組織形式，對外部數(shù)據(jù)源的訪問等。在本實例中，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--]

　　接口與對象：在各層次對象與接口的關(guān)系處理中，可以采用兩種方法：多繼承的方式，將Server/Group 對象繼承自每個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接口;或者采用聚合的方式，Server/Group 對象包含接口對象。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獨立，以方便測試，并且有利于自動化接口的可選擇實現(xiàn)。

　　服務(wù)器使用 VC++編程，包含以下幾個主要的類：

　　COPCServer：Server 對象的類，管理IOPCCommon，IOPCServer，IConnectionContainer等接口;

　　COPCGroup：Group 對象的類，管理IOPCItemMgt，IOPCGroupStateMgt，IOPCSyncIO，IOPCAsyncIO，IConnectionContainer 等接口;

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

　　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，存儲結(jié)構(gòu)將直接影響數(shù)據(jù)訪問的速度，它負責(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，鏈?zhǔn)酱鎯凸４鎯ΑＦ渲?，考慮到存取速度和方便管理，該服務(wù)器選擇采用連續(xù)存儲的方式。該方式可以隨機存取數(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，則推薦采用哈希存儲方式。對于每個數(shù)據(jù)項，都包含有三個基本屬性：數(shù)值(Value)，時間戳(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)項將按照線性方式存儲到連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域中;每次對緩存區(qū)的訪問都需要進行加鎖，以防止出現(xiàn)同時進行讀操作和寫操作。

　　2.3 輪詢方式對數(shù)據(jù)源進行訪問：

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

　　(1) 每隔一段時間進行輪詢操作;

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

　　(3) 如果有刷新請求，回調(diào)刷新函數(shù);如果有異步讀數(shù)據(jù)請求，讀取數(shù)據(jù)并回調(diào)異步讀函數(shù);如果有異步寫請求，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，主要用來進行異步數(shù)據(jù)存取，訂閱及刷新。而對于同步訪問等操作，由于需要服務(wù)器立即存取數(shù)據(jù)然后返回結(jié)果，因此其實現(xiàn)并不在該主循環(huán)中，而是針對其接口單獨編寫一個類，用來實現(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)成了對數(shù)據(jù)源的訪問規(guī)則，OPC 標(biāo)準(zhǔn)對訪問規(guī)則進行了詳細的描述。在這幾種數(shù)據(jù)訪問中，同步讀接口可以實現(xiàn)少量，快速的數(shù)據(jù)讀取，異步讀則是提交一個請求，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，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象結(jié)構(gòu)模型

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

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

　　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)計一個通用的架構(gòu)，便于以后升級或訪問其他不同類型的數(shù)據(jù)源。一個可行的解決方法就是，添加一個適配層，設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問接口，對有不同數(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：該接口定義了對外部數(shù)據(jù)進行訪問的虛函數(shù)，包括讀取(ReadValue)，和寫入(WriteValue)函數(shù);在進行二次開發(fā)時，需針對不同的數(shù)據(jù)源需要具體實現(xiàn)。當(dāng)一個組對象掃描該組成員項，進行數(shù)據(jù)訪問時，它將直接調(diào)用IOPCItem 接口。該接口是一個虛基類，其具體實現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)源有關(guān);對于將要訪問的外部設(shè)備，其存取數(shù)據(jù)的格式和驅(qū)動可能不同;IOPCItem 接口對此并不作具體規(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 客戶端對在進行數(shù)據(jù)訪問時，是以組為單位的，每個組中可以加入客戶端需要訪問的數(shù)據(jù)項，具體的訪問交互過程如下：

　　(1) OPC DA 客戶端查找并訪問一個OPC DA 服務(wù)器，此時在OPC DA 服務(wù)器端，創(chuàng)建一個Server 對象，并返回一個接口指針;

　　(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Group;服務(wù)器端則生成一個Group 對象，返回一個該Group 對象的接口指針;

　　(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)器添加一個或多個item 數(shù)據(jù)項item 對象，然后便可對該組對象中的數(shù)據(jù)項進行存取等操作;

　　(4) 同步訪問：查找Group 對象的IOPCSyncIO 接口，直接調(diào)用Read()，Write()函數(shù);異步訪問：a)注冊，查找Group 對象的IConnnectionContianer 接口，找到一個支持OPCDataCallback 接口的連接點對象，客戶端生成IOPCDataCallback 對象并在連接點IConnectionPoint 上注冊;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)注冊的IOPCDataCallback 接口的相關(guān)函數(shù)，如OnDataChange 等，此時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，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，成為一個事實上的軟件總線?？蛇m配的OPC DA 服務(wù)器則是將其上層進行了封裝，對下層數(shù)據(jù)源存取進行了接口抽象，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，可以針對不同的數(shù)據(jù)采集模式，依照具體采集卡情況實現(xiàn)適配接口，從而縮短軟件整體開發(fā)的周期，提高實際應(yīng)用的速度。