数据采集系统研究背景和意义

数据采集系统研究背景和意义

随着社会的不断进步，为了保障人们能够健康安全的使用各种资源，需要对各个资源供给设备实时的监控，例如电力供电系统、工业控制系统、网络等，确保这些直接关系人们生活的资源安全可靠。国家电力监管委员会公告 2011 年第 3 号文件《2011 年供电监管报告》指出，在选取检查的 215 家供电企业中，总共发现供电质量问题涉及的企业有 133 家，这些企业存在着基础数量错误、漏录、运行事件错录以及电压监测点数不足，设置不合理等问题；一方面，造成电能质量问题的因素逐渐增加，另一方面人们对电能质量以及电能的可靠性要求越来越高；电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量的好坏直接关系到了国民经济的总体效益。

一个计算中心如果失去电源 3 秒就有可能破坏数小时的数据处理结果而造成上百万上千万的经济损失；在大型机器制造厂，1 秒的电压突降就有可能造成生产状况异常或者质量破坏。因此一方面我们必须做好防范措施，另一方面必须要做好及时发现问题和及时解决问题的准备，这就迫切需要对供电系统能够实时准确的监控，出现问题能够及时得到通知并解决，确保出现的问题第一时间被解决，提高供电的质量。

在互联网发展的过程中也滋生了大量不稳定的因素，大量垃圾

信息、大量网络攻击应运而生，据赛门铁克公司 2011 年的安全状

况调查报告显示，在 2011 年的 12 个月中，71%的受访企业受到网

络攻击，在遭受攻击的企业中，92%的企业因为遭受到攻击而导致损失，据 Imperva 对 2011 年 6 月~11 月对网络恶意程序的分析中

指出每月被检测的网络应用程序要遭受到 13 万次~38 万次不等的

攻击，最高时，每小时就会遭受 3 万 8 千次攻击；为了减少因网

络攻击而遭受的损失，我们应该做好网络监控工作，及时发现网络

中的垃圾和破坏信息，并且及时做出处理和防范工作。而绝大部

分监控系统都要能够及时正确的获取大量监控数据，因此对一种可

靠及时的数据采集系统的需求越来越迫切，本研究课题基于这一点

设计了一个基于硬件获取数据的数据采集系统。

数据采集系统应用于各种场合，特别是工业控制、网络监控等，采集系统分为软件和硬件的，软件上的有 winpcap、sniffer 等，

他们都采用通用网卡作为硬件基础数据获取来源，优点是成本低，

集成了网络协议栈分析，大都通过将网卡设置成混杂模式，在获取

网卡数据之前，数据会通过操作系统的协议栈处理，再交由采集软

件处理，因此采集性能较低。而基于硬件的采集系统不需要经过操

作系统的协议栈处理，可直接获取数据，采集性能较高，通过多路

的采集更能扩展采集速度，但是成本较高。现今大部分基于硬件的采集系统的接受接口都是 RS-644 总线接口，即LVDS(低电压差分信号)接口，具有低功耗、低误码率和高速的特点，其理论最高传输速率达到1.923Gbps，但是其传输的距离最多几米，如果需要长距离传输数据，就要进行额外的设计，例如采用高速串行数据自接口自适应电缆均衡器及电缆驱动芯片来扩展 LVDS 的传输距离；而采用 RJ-45 接口作为采集数据接收端，传输速率有

10Mbps/100Mbps/1000Mbps，传输距离可超过百米甚至更长，例如75-7同轴电缆为 200~250 米，而使用光纤的传输距离更能够达到几公里。

采集系统传输到 PC 上的总线技术从早期的以 ISA 总线到现在的 USB 总线和PCI-E 总线，数据采集卡的采集速度越来越快，这正是其需求量日益剧增的表现；早期ISA总线最大传输速率为

16MB/S，USB总线较灵活，从USB1.0的192KB/S，USB2.0 的

60MB/S 到现在的 USB3.0 的 640MB/S，在数据传输领域占据了重要的地位，而现在主流的总线技术是 PCI 和 PCI-E 总线技术，因为PCI 和 PCI-E 总线速度快，可靠性高，灵活方便的特性，特别是PCI-E 总线，PCI-E X16 2.0 版本的接口可达到 10GB/S；早期

PCI-E 总线接口是采用专用的接口芯片，成本较高而且开发的灵活

性也降低了，而采FPGA的IPCORE 生成 PCI-E 接口开发成本降低了，灵活性提高了，本采集系统即是采用 FPGA 的IPCORE 生成的PCI-E 接口。现今绝大部分采集系统的数据传输技术都是采用DMA 方式，而在系统的DMA 缓存申请方面大部分都是采用操作系统提供的 DMA 缓存申请接口，用这个接口申请缓存一方面空间大小受到限制，一方面有可能会失败，为了确保 DMA 缓存申请成功大部分开发人员都采用较小量 DMA 缓存申请，从几十 KB 到几 MB，将大块数据分成几次小块 DMA 传输，这样就增加了 DMA 传输次数，就这一点提出了新的见解，设计了一种海量 DMA 传输的方式，在采集速度达到600Mbps 的情况下，每秒进行 DMA 传输的次数最多为 2 次，提高了数据传输效率

本文来源：长沙业嘉电子科技有限公司。