接口技术-OPC DA服务器的设计与实现

OPC DA服务器的设计与实现马亮, 张志鸿（郑州大学信息工程学院，河南郑州 450001）摘要：本文对OPC技术做了详细的分析，在OPC DA标准的基础上，给出了一个OPC数据存取访问服务器框架的设计方案，并介绍了实现的主要步骤。

在设计中引入了适配器模式，用来针对不同数据源进行快速开发。

关键词：OPC；数据访问；COM；适配器模式中图分类号：TP273 文献标识码：BDesign and Implement of OPC Data Access ServerMA Liang , ZHANG Zhi-hong(School of Information Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China ) Abstract: This paper presented a detailed analysis of OPC technical, gave an OPC Data Access Server framework on the basis of OPC DA standards, and introduced the main steps of realization. In the design, we exploited the Adapter Pattern to accelerate the implement for different data sources.Key words: OLE for Process Control; Data Access; COM; Adapter pattern0 引言OPC全称OLE for Process Control，它是由OPC基金会制定的自动化领域过程控制标准。

实际上，OPC代表一系列的标准，包括OPC 数据访问(OPC Data Access)，OPC报警与事件(Alarms & Events )，历史数据访问(OPC Historical Data Access)，OPC XML-DA(1.0)等[3]。

目前，OPC标准在现代工业控制领域，特别是在数据采集和软实时控制方面已有很好的应用。

1 OPC标准介绍在OPC标准制定之前，工业软件制造商需要为不同的硬件开发各自独立的驱动接口。

对于开发典型监控程序软件的技术人员来说，约有20%-30%的时间是用于编写通讯驱动程序[4]。

当供应商提供一个新的硬件时，应用软件研发人员就不得不重新编写一个新的程序。

而OPC标准的出现为此解决该问题提供了一个方案，它制定了一系列的数据存取，事件，报警等规范，使得当有新的硬件出现时，供应商只需提供实现的OPC标准接口，而上层应用软件则不需重新改写。

这样，在系统与设备之间，车间现场与信息管理之间，甚至更远的距离上，都可以通过OPC标准实现无缝通讯，而不必担心设备升级带来的不便和额外费用。

OPC为不同的应用制定了不同的标准，OPC DA是针对现场数据进行存取的接口规范，该标准基于OLE / COM / DCOM / COM+技术，采用Client / Server模式。

数据通过特定的采集卡或串口等，从现场设备中获得，然后OPC DA服务器将这些从数据源采集到的数据，以OPC标准接口形式提供给外部应用程序，例如工控软件，实时数据库等。

OPC服务器可以通过本地或远程服务服务器两种方式，为依照OPC标准实现的客户端提供服务。

DA服务器的设计2 OPC本文通过使用VC++编程实现的一个OPC DA服务器框架，来介绍OPC DA服务器设计中需要解决的主要问题。

在OPC服务器的设计中，引入适配器模式[6]，通过适配层将数据访问同具体的数据源操作相分离，以便针对不同的数据来源时，进行快速的二次开发。

实现OPC DA服务器，需要依照OPC基金会提供的OPC DA标准，将从数据源中采集数据，以标准规定的接口形式提供给外部。

其中，OPC规范为OPC服务器规定了两套接口方式：定制接口（Custom interface）和自动化接口（Automation Interface）[1]。

其中，前者是OPC服务器必须实现的接口，后者则是为方便VB等脚本语言而提供，可以选择性实现。

2.1 OPC DA 服务器中的对象根据OPC 标准，在OPC DA 服务器中，主要包含三个层次的对象[1]：服务器对象(Server)，组对象(Group)和数据项(Item)。

其中，服务器对象与组对象是一对多的关系，一个Server 对象可以包含0到多个Group 对象，而一个组对象中可以包含0到多个数据项。

OPC DA 标准对Server 和Group 对象需要实现的接口，进行了详细的规定说明。

在OPC DA 标准中，客户端对服务器的数据存取是以Group 为单位的，每次将需要存取的数据项Item 加入一个Group ，然后对该Group 进行整体读写操作。

Group 对象通过标准定义的IOPCDataMgt 接口，对Item 进行添加，删除等相关的管理；而Server 对象则通过IOPCServer 接口对Group 对象进行添加，删除等管理。

2.2 OPC DA 服务器的结构开发一个OPC DA 服务器需要注意以下问题：服务器的运行方式，各个接口与对象的相互关系，内部数据的组织形式，对外部数据源的访问等。

在本实例中，OPC 数据存取服务器的框架结构如下图所示图1 OPC 服务器的结构接口与对象：在各层次对象与接口的关系处理中，可以采用两种方法：多继承的方式，将Server/Group 对象继承自每个标准规定的接口；或者采用聚合的方式，Server/Group 对象包含接口对象。

本例采用的是第二种方式，该方式可以将使接口的编写相对独立，以方便测试，并且有利于自动化接口的可选择实现。

服务器使用VC++编程，包含以下几个主要的类：COPCServer ：Server 对象的类，管理IOPCCommon ，IOPCServer ，IConnectionContainer 等接口；COPCGroup ：Group 对象的类，管理IOPCItemMgt ，IOPCGroupStateMgt ，IOPCSyncIO ，IOPCAsyncIO ，IConnectionContainer 等接口；其他接口类：每个接口还对应一个实现类（如：CIOPCItemMgtImp 是IOPCItemMgt 的具体实现），该类完成OPC 标准规定的对应接口的功能函数，类的实例化对象将以聚合的方式接受Server 或Group 对象的管理；数据缓存区的构造：在OPC 服务器中，Cache 是重要的部分，存储结构将直接影响数据访问的速度，它负责将从设备中读取的数据先存放在数据缓存区，供同步或异步读取。

缓存区内存可以采用连续存储，链式存储和哈希存储[2]。

其中，考虑到存取速度和方便管理，该服务器选择采用连续存储的方式。

该方式可以随机存取数据，但存取数据的数量不宜过大，OPC DA 服务器组对象组对象 ItemItemItem 组对象 ItemItem 服务器对象 数据存取适配层 数据源OPC Custom / Automation interfaceOPC 客户端如果需要存取较大数量的数据项，则推荐采用哈希存储方式。

对于每个数据项，都包含有三个基本属性：数值(Value)，时间戳(Time Stamp)和数据品质(Quality)。

从数据源中访问到的数据项将按照线性方式存储到连续的内存区域中；每次对缓存区的访问都需要进行加锁，以防止出现同时进行读操作和写操作。

2.3 轮询方式对数据源进行访问：由于服务器是单独不断从数据源读取数据，因此可以采用单独的线程，按时间轮询的方式，每隔一段时间对数据源进行访问，这个时间也就成为服务器支持的最短数据访问时间。

服务器的主要工作流程：(1) 每隔一段时间进行轮询操作；(2) 如果扫描时间到，访问数据源；否则，至(3)；如果有订阅请求，回调订阅函数；(3) 如果有刷新请求，回调刷新函数；如果有异步读数据请求，读取数据并回调异步读函数；如果有异步写请求，将数据写入外部设备；(4) 返回(1)；服务器中该循环的主要功能，主要用来进行异步数据存取，订阅及刷新。

而对于同步访问等操作，由于需要服务器立即存取数据然后返回结果，因此其实现并不在该主循环中，而是针对其接口单独编写一个类，用来实现同步存取接口函数的功能。

2.4 OPC DA 的数据访问方式OPC DA 对数据的访问主要分为以下几种：同步读，异步读，订阅和数据刷新；对数据源的操作又可以分为直接从设备读取和从Cache 中读取。

这两者的组合构成了对数据源的访问规则，OPC 标准对访问规则进行了详细的描述。

在这几种数据访问中，同步读接口可以实现少量，快速的数据读取，异步读则是提交一个请求，然后返回，等服务器完成数据读取后回调函数。

与同步读相比，异步读更能提高OPC Client 的使用效率，防止OPC 服务器尚未访问到数据时，造成客户端的等待。

订阅异步读大致相同，每当访问数据源后自动将数据提交给客户端。

图2OPC 服务器中采用的可连接对象结构模型 在OPC DA2.0和OPC DA3.0中的异步通讯机制中，使用到了连接点容器/连接点接口[1]，取代了原来OPC DA1.0中的直接注册/回调的模式。

能够更灵活的支持多个连接点和连接。

在可连接对象模式中，每个可连接对象可以包含多个连接点，每个连接点支持一种回调接口；每个连接点上可以连接多个客户端；回调接口由客户端实现，可连接对象通过回调函数于客户端进行交互[5]。

在OPC DA 服务器中，可连接对象包括Server 对象和Group 对象两种，Server 对象只支持一个IOPCShutdown 回调接口，而异步数据交换等重要的功能位于Group 对象中。

在OPC 客户端 接收器OPC 客户端 接收器OPC 组对象中，包含一个连接点对象，该对象支持IOPCDataCallback 回调接口，连接点可以连接多个客户端，当异步访问完成时，服务器同过可连接对象通过调用标准规定的回调函数，通知每个已经注册的客户端。

2.5 基于适配器模式的数据采集OPC DA 服务器的最重要功能，就是从外部设备读取数据。

由于数据源的多样性，可以是磁盘映射的数据文件，串口或者是专门的数据采集卡。

为了设计一个通用的架构，便于以后升级或访问其他不同类型的数据源。

一个可行的解决方法就是，添加一个适配层，设计相应的数据访问接口，对有不同数据格式的采集，写入等操作，都从该接口继承，从而针对不同的数据采集方式完成相应的功能。