远程数据采集系统的设计与实现

华中科技大学硕士学位论文远程数据采集系统的设计与实现姓名：吴雪峰申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：谢长生20070604摘要在进行数据采集时，由于许多被测对象距离较远或现场危险，只能在远距离的地方进行测量，然后传输出去，这便产生了远程数据采集系统。

远程数据采集系统有着自身的特点：首先，为了精确和全方位获取环境信息，系统一般要提供多个采集通道进行高速采样；其次，为方便用户随时了解系统的运行状况，系统在高速采样的同时，必须能以异步接收和处理控制站的命令、传输用户所需数据；另外，远程数据采集系统一般仅靠电池供电，于是低功耗成为衡量系统性能的重要指标。

从实时性、远程可控性、低功耗的目标出发，提出由FPGA（现场可编程门陈列）作为数据采集控制部分、由嵌入式微处理器系统和单片机作为数据存储和传输部分的数据采集系统。

外部信号通过前置放大、滤波后，在FPGA的控制下进行高速数模转换和缓存；采集到的数据由嵌入式微处理器系统进行读取、处理和存储；数据通过RJ-45网络接口或无线数传模块传输至远程上位机。

单片机在系统中有三个作用：一是提供用户操作输入接口及系统状态指示灯等信息；二是当嵌入式微处理器系统在高速采集和存储时，可以异步的接收来自控制站的无线命令，并对命令进行分析和处理；三是对嵌入式微处理器系统进行电源控制，在不需要采样时可以将嵌入式板的电源断开。

与通常的仅仅采用单片机或嵌入式微处理器系统的采集系统相比，同时采用两者可以将用户接口和采集任务分开，使采集系统在保证吞吐率和实时性的同时能处理用户输入或来自控制站的无线传输命令。

另外，单片机对嵌入式微处理器系统的电源控制功能可以达到降低系统功耗的目的。

关键字：数据采集，嵌入式系统，无线数据传输AbstractSince many objects being observed are out of our territories or they are in dangerous places, it is wise to sample data of them in where they are, and then send the data back to where we are, called long-distance data acquisition system, which has some unique characteristics as follows. First, in order to know the objects or environment of the sampling place more exactly, more sample channels are required. Secon d, these devices must be able to receive orders and send back information that the supervisor needs. Third, the power supply of these systems are usually batteries, thus low power consumption becomes an important devising guideline of these systems.Aiming to get the quality of real time, long-distance controllability, and low power consumption, a data acquisition system is proposed which compose of the following elements, a FPGA-based sampling board, an embedded CPU, a single chip and a wireless data transferring module. Exterior signals are first amplified, filtered, and then transformed from analog signals to digital signals under the control of FPGA board. The digital data is then buffer by the FPGA board. Digital data is then fetched by embedded CPU system, which handles and stores it in hard disks at the form of files. These files then are sent to the personal computer, which can analyze them, either by internet or by a wireless data transferring module, depending on the real conditions.The single chip has three functions in the system. First, it provides the input/output interface to the operator; second, it can exchange data asynchronously with long-distance control center; third, it controls the power switch of the embedded CPU system, that is, it can shutdown the embedded CPU system when it is no need to collect data.Compared with data acquisition systems which only use single chips or embedded CPU systems, combining these two can separate user interfaces from sampling and storage task, thus can make the system take in and send out in large quantities, while it can communicating with the control center. Besides that, the power controlling function of the single chip can reduce the consumption of power of the whole system.Keywords: Data Acquisition, Embedded System, Wireless Data Transfer独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名： 日期： 年 月 日日期： 年 月 日 本论文属于 √1绪论1.1课题背景用于数据采集的成套设备，称为数据采集系统(Data Acquisition System)。

数据采集是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(如物理量、化学量、生物量等)通过各种传感元件作适当转换后，再经信号调理、采样、放大、滤波、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储纪录的过程[1]。

数据采集技术(Data Acquisition)是信息科学的一个重要分支。

在生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的各种参数进行采集、监视和记录，是提高产品质量、降低成本、增加生产效率和节省人力的重要手段；另外，数据采集是控制系统实现控制的基本条件，只有准确实时的获取对象的运行数据才能实施有效的控制。

在科学研究中，数据采集装置可采集大量的动态与静态信息，是各种研究领域的有力工具，也是破解科学奥秘的重要手段之一[2]。

数据采集也广泛应用于设备故障的诊断。

故障诊断技术依据设备在运行过程当中伴有的振动、噪声、发热、应变、压力等物理参数的变化，通过一定的方式来判断和识别设备运行的状态和故障，对故障的危害进行早期的预报和识别，防止设备在故障状态下连续运行而造成的设备失效和相应的附加损失，保证设备安全、正常、长周期的、满负荷优质运行[3]。

数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用[4]。

随着科学技术的发展，已在速度、分辨率、精度、接口能力、软件设计以及抗干扰能力等方面向现代数据采集技术提出了越来越高的要求。

可以预言：随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，数据采集技术的应用领域将更为广阔。

在进行数据采集时，由于许多被测对象距离较远或现场危险，只能在远距离的地方进行测量，然后传输出去，这就是远程数据采集系统。

水下数据采集系统是一个典型的例子，它通过水下的数据采集装置来采集声音信号、水深信号、磁罗盘方位信息等等。

通过对采集数据的分析，从而可以辅助获取采集装置周围的环境、目标的运动状况。

本课题“远程数据采集系统”的目的是实时记录多个水听器阵元收到的目标噪声远场辐射信号，并同步记录GPS时钟、平台方位信息，将其存至大容量高速硬盘中；并能够通过无线电通讯方式实时传输数据，在数据采集和存储系统和岸站之间建立高速无线数据链路连接。

开展这一项目的研究目的是设计一种稳定、高速、大容量的数据采集与存储系统，在此系统的帮助下可以根据水下环境的有关信息。