在 Python 中以一致的频率做某事

Question

我有一个 python 程序，它从串行端口读取数据，访问寄存器然后将数据写入 CSV。我想以 100Hz 的设定频率对 csv 执行写入操作。下面是与尝试限制写入 csv 的时间相关的示例代码。为简单起见，它只会打印到控制台而不是写入 csv。

import datetime
from datetime import timezone 
import time

FREQ = 5
CYCLETIME = 1/FREQ

def main():
    
    while(1):
        ### Code that will read message bytes from a port

        # Time start for Hz
        start = time.monotonic() 
        delta = time.monotonic() - start
        if delta < CYCLETIME:
            time.sleep(CYCLETIME - delta)

        # in the full program we write to a csv but in this simple program we will just print it
        milliseconds_since_epoch = datetime.datetime.now(timezone.utc)
        print(milliseconds_since_epoch)

if __name__ == "__main__":
    main()

2020-08-24 18:57:15.572637+00:00
2020-08-24 18:57:15.773183+00:00
2020-08-24 18:57:15.973637+00:00
2020-08-24 18:57:16.174117+00:00
2020-08-24 18:57:16.374569+00:00
2020-08-24 18:57:16.575058+00:00
2020-08-24 18:57:16.775581+00:00
2020-08-24 18:57:16.976119+00:00
2020-08-24 18:57:17.176627+00:00
2020-08-24 18:57:17.377103+00:00
2020-08-24 18:57:17.577556+00:00

5Hz 的输出似乎一致，但如果我将其更改为 100Hz，它似乎不一致。听起来这可能是与 time.monotonic 相关的时间精度漂移。这是一个好方法吗？ time.montonic 合适吗？

我对 pythons 线程库的了解有限，但在不久的将来，我计划为每个任务创建 2 个子线程。一个不断从串行读取，另一个将写入（或者在我们的例子中，每 100Hz 打印到控制台）。

编辑： 我采用了下面的解决方案并对其进行了修改。最初的解决方案似乎只打印一次。这是我的新尝试：

import datetime
from datetime import timezone 
import time

FREQ = 5
CYCLETIME = 1/FREQ

def main():
    t0 = time.perf_counter()    # Time ref point in ms
    time_counter = t0           # Will be incremented with CYCLETIME for each iteration

    while 1:
        ### Code that will read message bytes from a port

        now = time.perf_counter()
        elapsed_time = now - time_counter
        if elapsed_time < CYCLETIME:
            target_time =  CYCLETIME - elapsed_time
            time.sleep(target_time)
           
        # In the full program we write to a csv but in this simple program we will just print it
        milliseconds_since_epoch = datetime.datetime.now(timezone.utc)
        print(milliseconds_since_epoch)

        time_counter += CYCLETIME

if __name__ == "__main__":
    main()

输出：

我使用 matplot lib 来确定创建此输出的频率。我取当前值和前一个值的滚动窗口差，并从频率 = 1/（时间差）开始反转它。

Answer 1

你的算法有 5 个问题：

• 使用time.sleep() 的精度较低，有时会出现10-13ms 左右的误差，具体取决于您的系统。 (ref)
• start 和 delta 变量不会跟踪在 print() 上花费的时间，因为 delta 设置在 start 之后。
• start 和 delta 变量使用两个不同的 time.monotonic()。您应该只调用该函数一次，然后将值传递给另一个变量，以确保使用相同的时间值。
• time.monotonic() 的滴答率为每秒 64 次。请改用time.perf_counter()。 (ref)
• 您在增量时间上执行time.sleep()，精度较低。如果您有两个线程一起运行，则周期将很难同步。您需要一个时间跟踪器，让它根据经过的时间进入睡眠状态。

---

修复：

以下代码使用time.perf_counter()，并使用time_counter 来跟踪之前的循环迭代时间戳。

下一个循环时间是previous loop timestamp + cycle time - elapsed time。因此，我们将确保time.sleep() 让程序休眠直到那时。

def main():
    t0 = time.perf_counter()  # Time ref point
    time_counter = t0  # Will be incremented with CYCLETIME for each iteration

    while 1:
        ### Code that will read message bytes from a port

        now = time.perf_counter()
        elapsed_time = now - t0
        target_time = time_counter + CYCLETIME
        if elapsed_time < target_time:
            time.sleep(target_time - elapsed_time)

        # In the full program we write to a csv but in this simple program we will just print it
        milliseconds_since_epoch = datetime.datetime.now(timezone.utc)
        print(milliseconds_since_epoch)

        time_counter += CYCLETIME