第一篇：5D地理數據與可視化鐵路移動信息采集系統 魯恩斌

5D地理數據與可視化鐵路移動信息采集系統

魯恩斌

摘 要：介紹了鐵路GIS（地理信息系統）、傳統GIS不足、5D地理數據等，詳細闡述了可視化鐵路移動信息采集系統研制背景及主要功能。

關鍵詞：GIS 5D 可視化 采集系統

Abstract：Introduced the railway GIS(geographic information system), traditional GIS insufficiency, the 5 D geographic data, etc, and expounds the railway mobile information acquisition system visual research background and main function

Key words：GIS 5D Visualization

collection system

一、鐵路GIS（地理信息系統）

隨著鐵路建設的高速發展以及技術的革新，鐵路信息化已經滲透到鐵路的運輸生產、客戶營銷、經營管理的等各個領域，成為鐵路運輸和鐵路發展的重要保障，其重要地位越來越突出。

由于鐵路資產分布在狹長的地表，不論是線路、橋梁、道口、隧道本身，還是信號、電力、控制設備等各種設施以及周邊環境都對鐵路的安全運營顯得至關重要。所以鐵路信息化建設離不開對空間信息的管理和應用。GIS（地理信息系統）技術越來越受到鐵路部門的重視，已深刻認識到鐵路現代化信息系統的設計和建設必須基于地理信息系統技術，把鐵路系統各種數據和信息組織起來，建設一個能滿足鐵路搶險救災、規劃設計、設備維護、運營管理、實時監控、決策分析應用的綜合型地理信息系統，這也是鐵路信息化建設發展的需要和必然趨勢。

二、傳統GIS數據在鐵路信息化管理中的不足

目前很多鐵路部門都在積極的建設自己的鐵路地理信息系統。從數據管理的角度來講，所管理的數據分為空間信息和屬性信息。其中屬性數據多以關系數據庫二維表的形式存在，空間信息數據則以傳統的4D形式表現，即數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）、數字線劃地圖（DLG）和數字柵格地圖（DRG），這些數據大多是由作業員根據規范的要求采集、加工制作的。它們是有限的基礎信息，針對鐵路信息化管理還存在以下不足：

1.信息表現形式單一，缺乏可視化和臨場感。

傳統的GIS數據多以點、線、面等線畫符號來描述地形、地貌及物體的信息，是符號化的，也可以說是抽象的，地圖判讀需要一定的專業知識，符號化的信息語義晦澀，可視化程度不高，對使用者來講也缺乏臨場感。

2.信息描述過于簡單，無法滿足應急處理、綜合查詢等應用。

傳統的GIS數據提供物體的地理位置和空間分布，但對目標地物的描述非常簡單和有限，也很難表現人文、環境、資源等信息。

3.信息離散，可挖掘程度不高。

傳統“4D”數據在采集的時候是按照相關規范要求進行的，針對鐵路來講，由于信息源點分布在狹長的地帶，是高度分散的，信息采集很容易發生遺漏的現象。而且采集的信息點是離散的，數據的可挖掘程度不高，一旦采集工作完成，如果需要補測或需要了解其他的信息，就需要重新投入人力實施一次采集工程。

4.數據更新速度慢，現時性差

由于成圖周期長，4D產品的更新難以跟上鐵路建設發展的速度。

三、5D地理數據構建“數字鐵路”

傳統的“4D”地理信息數據已經難以滿足鐵路信息化建設的需要，如果在“4D”產品的基礎上再融合高分辨率可測量的連續近景立體影像數據，則正好彌補在了“4D”產品的不足。這種“可視、可量、可挖掘”的近景影像數據可稱為第5D-DMI（Digital Measurable Image）。由于可測量近景立體影像數據的融合，可將整條鐵路完整的裝到電腦里，打破傳統地圖局限，直接在電腦桌面上瀏覽整條鐵路的真實圖景，直觀地獲得一切需要的信息，而不用判讀晦澀的地圖語義。其不但真實地反映了鐵路線路及周邊環境現狀，還可方便地直接在近景影像上完成地物的位置坐標和幾何尺寸計算以及標注、鏈接等功能。富信息的數據源能有效支持GIS的數據挖掘工作。這種與地球真實物理環境完全匹配的實景影像地圖我們稱之為“TrueMap真圖”

“5D”數據的完美結合，可搭建滿足鐵路信息化管理需要的全要素、富信息、可視化的“數字鐵路”地理信息平臺,從而實現了鐵路實景化管理。

四、可視化鐵路移動信息采集系統 1.研制背景

2006年武漢鐵路局電務處和武漢大學、武漢立得空間信息技術發展有限公司達成合作協議，共同研制開發鐵路移動信息采集系統。2006年7月利用原襄樊鐵路分局電務試驗車97035在試驗車上簡易運行武漢立得空間信息技術發展有限公司道路移動檢測系統，通過運行能夠滿足我局限界檢測測量、分析、報警和線路站場實時景觀錄像的要求。

2007年2月1日-2月10日，正式在局電務試驗車（999255）對系統的進行安裝調試，2月19日隨局武麻、京九線動態檢查進行了上線試驗調試，實現了靜態同步攝錄、動態三維時幀（2幀/秒）拍攝，基本滿足可行性研究要求并得到充分肯定。

2007年5月15至5月17日，武漢鐵路局組織安排系統尾掛試驗，對京廣線武昌至鄭州段進行了往返數據采集。運行總長度1000多公里，機車運行速度160公里每小時。用1周的時間進行了內業數據處理，編輯成圖，建立全線里程庫、影像庫、視頻庫，測量成果庫。測量精度滿足1：2000地形圖要求以及鐵路限界測量要求。經過一年正式運行，2008年4月30日通過了武漢鐵路局科學技術成果鑒定。

2.系統結構

鐵路移動信息采集系統是當今最為尖端的鐵路地理信息數據采集技術之一，代表著未來鐵路地理信息系統數據采集的發展主流。系統通過在武漢局電務試驗車上裝配GPS（全球定位系統）、CCD數字相機、攝像機、航位推算系統等先進的傳感器和設備，在列車的運行過程中，快速采集鐵路及鐵路兩旁設備的空間位置數據、近景攝影測量立體影像及視頻錄像等數據，同步存儲在車載計算機之中，經專門軟件處理，形成鐵路信息化建設中所需的各種地理信息數據，包括電子地圖、設備資產表、設備限界詳圖、設備對比檢出報表等。詳細見圖1：鐵路移動信息采集系統系統結構圖及圖2：鐵路移動信息采集系統電務試驗車車外設備。

圖1：鐵路移動信息采集系統系統結構圖

圖2：鐵路移動信息采集系統電務試驗車車外設備

3.系統功能

1）線路及站場環境綜合展現

有效融合可測量近景影像、遙感影像、視頻、行政區劃圖、鐵道路網圖、設備綜合信息等進行線路及站場環境的綜合展現。實現從宏觀到微觀的鐵路可視化管理。

2）鐵路建筑設備限界動態檢測 根據基于可測量數字影像，直接在電腦里完成設備限界、設備安全距離、信號設備高度、信號機柱的傾斜、警沖標距的縱向距離進行檢測測量。

3）設備對比檢出

通過實景影像及臺帳信息，對歷史和當前采集的設備限界、信號設備、標志布局情況以及信號機柱的狀況等進行瀏覽對比，對變化情況生成限界變化報表和設備檢出報表。

4）鐵路虛擬運行通道計算擬運行通道計算

基于可測量實景影像數據可以實現鐵路可視化數字模型建立，包括鐵路及附屬設施的三維模型、鐵路附近的地形地貌以及鐵路附近的人工建筑物和各種物體。通過虛擬運行，進行碰撞檢測處理，記錄碰撞事件，碰撞性質，基于此提供虛擬運行報告。報告提供運行狀態的統計信息，如：是否能夠安全通過、存在碰撞的地點、碰撞嚴重性、碰撞次數、造成碰撞的原因、最大可以通行的貨物尺寸等。

5）應急搶險

鐵路應急系統必須基于完全可視化的影像來設計, 基于真圖數據提供的詳盡路網設施信息、地形信息和周遍環境信息，可快速方便地生成應急預案。

災害發生時，指揮人員在調度中心，迅速調用歷史影像，了解災害發生前的環境狀況，對比災害現場，進行搶險指揮。

6）可視化資產管理

在鐵路建成后，輔助竣工驗收、資產（設備）實行可視化管理，以及營運管理，實現臺帳信息、地圖信息和圖片／影像信息的有機結合，為工務的日常管理和維護提供了一個便捷、直觀的維護平臺,幫助分析事故隱患及其根源。7）安全規劃

系統將整條鐵路裝到電腦里，真實的再現，對沿線的安全環境有一個全面的了解，輔助進行鐵路安全規劃。

8）既有線改造勘測，輔助設計

可測量實景影像數據連續記錄了整條鐵路的地理信息，是可挖掘的，可隨時計算影像上所見的任意點相對鐵軌面中心點的坐標，實現隧道、跨線橋梁、沿線電力線路、信號機、平交路口、建筑物的厘米級精度勘測測量，生成斷面圖、建筑物設備與鐵道空間位置關系圖等。

五、運用效果

2008年通過鑒定至今，武漢鐵路局可視化鐵路移動信息采集系統為安全生產發揮了積極的作用，具體體現如下：

1.定期采集施工和運營線路數據，通過影像數據，及時發現保護區范圍內施工及運營線路及站場的危險源和隱患，并督促解決。

2.實行鐵路建筑設備限界動態檢測，特別是電氣化區段與接觸網等供電安全距離的檢測，保障了電氣化區段設備和人身安全。

第二篇：南京化工廠數據采集與程控調度機一體化系統

南京化工廠數據采集與程控調度機一體化系統一、企業介紹

南京化工廠隸屬于中國石油化工集團公司，始建于1947年，是全國大型有機化工和精細化工生產骨干企業，原化工部確定的我國化學工業16個生產基地之一，1995年進入國家經貿委確定的全國512家重點企業序列。工廠現有在崗職工2500余人，各類專業技術人員700人，總資產7億元。

南京化工廠生產有機中間體、橡膠助劑和氯堿三大系列40個品種，產品自我配套能力強，精細化程度高，自成體系，優勢互補。經過50多年來持續不斷的技術改進和幾輪技術改造，產品質量穩步提高，規模效益逐步顯現，經濟技術指標跨入國內外先進行列，產品于1997年通過ISO9001質量體系認證。工廠下設12個化工車間、4個輔助車間、3個專業公司、1個專業化污水處理廠，擁有35套生產裝置，其中硝基苯、硝基氯苯、RT培司、間苯二酚、氯化苯、防老劑4020、防老劑4010NA及防老劑RD等裝置的生產規模處于領先地位，產量可達420kt/a。工廠技術力量雄厚，科研生產和質量檢測手段先進，其“蘭花牌”商標為江蘇省名牌商標。

近年來，南京化工廠緊跟時代步伐，依托中國石油化工集團公司，深入實施大企業、經濟國際化、科技興廠、名牌產品、人才戰略，推進體制、機制、管理、技術、文化創新,優化產業結構，培育核心競爭力，提升傳統產業，為實現跨越式發展奠定了堅實的基礎。

在經濟全球化的背景下，南京化工廠注重發展外向型經濟，面向全球，加強對外合作，參與國際分工，與跨國公司建立了穩定的貿易合作關系。2001年，以中國加入世貿組織為契機，組建了全資子公司——南京九州化工進出口有限責任公司，按照國際慣例，獨立開展業務，實施產品多元化進、出口，經營領域日益拓寬。

南京化工廠地處南京市北郊，長江之濱，風景秀麗的燕子磯畔，區位優勢明顯，交通便利快捷，擁有鐵路專用線、自備機車、專用碼頭、輪駁船和完善的儲運系統，產品市場覆蓋全國31個省、市、自治區，并遠銷歐美、東南亞等20多個國家和地區。

二、生產調度工作對信息化的需求

生產調度工作是化工企業生產運行管理的一個重要環節，調度工作是一個實時性極強的工作，而調度工作又與生產的各種信息緊密相關。通過電話匯總全廠生產信息來組織指揮生產或依靠調度員深入生產一線來獲得信息，往往由于語言表達不確切或信息滯后等原因造成對現場出現的各種復雜的情況不能及時的進行分析、判斷和決策，尤其在生產過程中各種工藝參數都在變化，如電器開關跳閘、設備故障、工藝控制參數超標等等，依靠簡單的調度手段，容易延緩處理時間。同時在調度工作中對重要的生產工藝參數以及生產過程中出現的故障都需要準確及時的記錄并作為資料保存，為生產活動的分析提供依據。因此必須建立一個強有力的、科學化的調度指揮系統。

南京化工廠作為一個具有50多年歷史的老企業，產品品種多、品種之間配套性強、且生產過程大多易燃、易爆、高溫、高壓、有毒，如何把生產調度人員從被動的緊張的局面中解脫出來，減少人為的不確定因素，加速各部門之間的信息傳遞，使生產運行管理工作最優化顯得十分必要，長期以來，我廠一直堅持生產調度管理系統向著科學化、自動化、智能化方向發展。早在1991年我廠就建立了一套“生產調度計算機輔助監測專家系統”，對全廠各主要工藝參數以及開關量進行實時監測，并完成數據處理、圖形顯示、越限報警以及制作報表等功能。

隨著企業生產規模的不斷擴大，在廠領導的關心和支持下，在2000年初我們以新上一臺CTC160程控調度機為契機，總結“計算機輔助監測專家系統”的成功經驗，與調度機生產方——杭州指揮通訊設備有限公司經過多方探討、協商、互相合作成功開發了一套具有現代化水平的生產調度管理系統——南京化工廠數據采集與調度機一體化系統。

三、系統構成及功能設置

⒈ 系統構成：本一體化系統由數據采集系統、調度機部分以及局域網三部分組成，系統結構圖如下：

⑴ 數據采集系統。南化數據采集系統使用國外優秀的工控組態軟件Citect和性能價格比較高的ADAM 4000系列數據采集模塊，運行在WINDOWS NT4.0操作平臺上，采集信號可以是傳統上的模擬信號4—20mA或1—5V，也可以是數字信號。電信號經過采集器后，變成數字信號，并以RS-485總線形式，利用企業內部電話網傳送到調度室數據采集服務器上。數據采集系統動態顯示現場各采集點的數據（數據刷新≤1S，精度上與現場儀表數據相差≤0.5%），并且把采集數據進行各種處理，如生成各種報表：班報、日報、月報等，生成趨勢曲線且曲線連續。調度人員通過計算機可以實時了解現場各種生產情況，一旦出現異常情況，調度人員可以第一時間獲得信息并迅速進行協調、處理。從而使調度管理工作一改以往的被動調度到主動調度，大大提高了調度管理效率。

⑵ 調度機部分。數據采集系統成功地與CTC 160門數字程控調度機實現一體化，平時，通過調度機與各崗位進行通訊聯絡并利用計算機對電話內容進行錄音，一旦出現越限報警，數采系統將發出聲光報警并通過調度機使現場相關話機振鈴，同時利用系統預先設計的自動語音播報系統告之相關工作人員各種異常信息，提醒工作人員對異常情況進行檢查，并迅速采取相應的措施。

⑶ 局域網部分。通過建立小型局域網實現數據共享，我們在三位廠級領導辦公室設置了三臺計算機，通過局域網可以隨時訪問數據采集系統服務器上的數據、數據同步顯示，為廠領導實時了解全廠生產情況并做出各種決策提供了更加及時準確的依據。

⒉ 數據采集系統主要功能設置

⑴ 采集站：針對工廠特點，我們設置了十二個數據采集站，其中8通道模擬輸入模塊13只，16通道開關輸入模塊12只。對全廠各主要生產裝置的重要工藝參數以及開關量（共80個模擬量、123個開關量）進行采集，每個采集站動態顯示現場各采集點的數據（每秒刷新一次），同時各采集站內分別設置了生產工藝流程圖、工藝卡片以及生產裝置實景圖等三個菜單項，可方便的點擊進入，供調度員進行觀測、學習。其中工藝流程圖采用模擬動態畫面并契入采集到的工藝參數值實時動態顯示。

⑵ 主測參數表：對不同車間、崗位采集到的影響全局的重要參數（公用工程系統的主要運行參數）進行匯總，集中監控。⑶ 趨勢圖：通過對各采集數據的處理可方便的生成趨勢曲線，曲線連續且每2秒刷新一次，趨勢圖中的曲線可任意添加或刪除，所有曲線都可以往前追溯一年之內的歷史數據，調度人員可以通過查看曲線全程了解各種生產情況。

⑷ 全廠地貌：提供全廠地貌圖并在對應位置標出全廠十五個高壓配電間所在地點的圖標，點擊圖標可方便的查閱各高壓配電間的系統圖，一旦供電系統出現故障可迅速的對系統圖進行調閱。

⑸ 全廠供電：提供全廠10kV供電線路系統圖，并標示出相應的開關位置。利用開關量模塊采集器對相應的開關量信號進行采集并顯示在供電線路系統圖上，一旦10kV線路出現跳閘，數采系統將能立即監測到相應的跳閘開關，10kV供電線路系統圖中對應的發生跳閘的開關將由正常運行時的綠色變成紅色閃爍，并發出聲光報警，同時數采系統將自動進入預先定義的專家決策系統，專家系統將準確的給出發生跳閘的線路、具體的影響范圍以及緊急處理的預案，這樣調度員將在第一時間獲得相關信息，從而能在較短的時間內按預案要求進行緊急處置，最大限度的降低了因電器線路跳閘對生產產生的沖擊。

⑹ 系統報警：分為硬件報警和采集點報警兩種。系統實時監視各采集模塊的狀態，準確記錄工藝參數出現越限報警時的數值、時間以及經過處理后恢復正常的時間，做到有案可查，為生產分析提供了可靠的依據。

⑺ 系統數據庫：通過對采集數據的處理，生成各種報表（班報、日報、月報），可方便的進行打印并作為資料保存。

⑻ 用戶注冊：出于對系統安全方面的考慮，系統對于一些機密性的資料或重要的參數設置等，通過設置嚴格的等級權限來加以保護，共分為一般調度員、調度管理員、系統管理員三個等級。

⑼ 系統維護：通過用戶注冊密碼確認后方可進入系統維護菜單項，對系統進行相關維護，如報警的設置與刪除、參數值的修改、調整等，操作比較方便。

⒊ 專家決策系統和自動語音播報系統

作為整個軟件的一部分，在數據采集與調度機一體化系統中，我們針對工廠實際情況，加入了專家決策系統和自動語音播報系統 ⑴ 專家決策系統：專家決策系統起著輔助決策和輔助咨詢的作用，一旦通過采集點采集到的被測量值出現異常情況（為防止出現誤報，要求連續5秒保持狀態），系統將自動檢索并進入用于事故處理的專家決策系統畫面，調度員將能夠迅速獲得相關異常信息，并提供了緊急處理預案輔助調度員決策指揮。專家系統匯集了調度人員幾十年工作中積累的豐富經驗，該系統的建立使調度工作更加豐富、完善，從而成為深受調度工作人員歡迎的智能工具。

⑵ 自動語音播報系統：自動語音播報系統是實現調度機與數據采集系統一體化的重要部分。一旦出現越限報警等異常情況，系統將根據相關檢索，找到對應的提示短語，通過調度機振鈴，自動向相關崗位發出語音提示，提醒對方進行檢查并采取緊急措施進行處理。該系統還有一個優點在于如出現大面積的供電線路跳閘等緊急情況，崗位上大量的電話同時打上來，通過自動語音播報系統利用調度電話可向相對次要的崗位進行簡單語音說明情況，要求其采取應急處理措施、并注意安全。而調度員則可以集中精力對出現問題的部位以及影響到全局的崗位和牽涉到安全的地方進行緊急協調處理，避免滋生災害的產生。

四、系統運行情況和效果評述

該系統從2000年開始在調度室投入運行至今，故障率較少、可靠性較高，達到了預期設計要求。深受調度工作人員歡迎，成為調度人員在工作中不可替代的一雙眼睛。其優點主要體現在以下幾個方面：

⑴ 信息的傳遞和處理迅速、準確、可靠，為正確的指揮生產和領導決策提供了可靠依據。調度員通過該系統可以迅速、準確的掌握全局或局部的生產情況，改被動調度為主動調度，增強了調度指揮的主動性和靈活性，大大的提高了調度指揮的快速性和準確性、從而極大的提高了工作效率。另外，通過網絡的設置，廠領導和部門領導可以很直觀的了解到最新的生產情況，從而為領導做出各種決策提供了更加及時準確的依據。

⑵ 將生產運行管理和安全監控熔為一體。通過對工藝運行參數的實時監測和越限報警設置，調度員也可以及時發現事故隱患，及時調整或采取防范措施，避免事故的發生和擴大。⑶ 系統的功能設置，有利于各種情況分析。系統提供的各種圖形（如趨勢圖、狀態圖）、報警的設置與記錄以及數據的存儲等功能，為進行生產情況分析、事故分析提供了可靠依據。例如：外供電波動對我廠電解系統的安全穩定運行影響很大，以前和供電部門交涉總是出現扯皮現象，后來通過我廠提供的準確的外電網電壓波動趨勢圖，對方才予以了足夠重視，有效的避免了因為外電網波動對電解系統可能造成的沖擊。

⑷ 經濟效益顯著。通過該系統對生產進行有效監控，保證了生產裝置的安全、穩定、經濟運行，為提高產品質量、降低消耗提供了可靠保障，取得了較為明顯的經濟效益。

該系統的使用為提高我廠調度管理工作水平起到了積極作用，受到了各方面包括同行的好評，但是，該系統并不是很完善的，有些方面有待進一步的完善提高，例如：在網絡方面，我們準備與擬建中的工廠局域網進行聯網，同時也想把環保在線監測系統也并入到該系統中，總之，隨著工廠的不斷發展，科學技術的不斷進步，我們將始終堅持調度管理工作科學化的發展方向，不斷提高調度工作的現代化水平。

第三篇：單片機數據采集與雙機通信系統的設計任務書

智能儀器設計實習

設 計 任 務 書

題目單片機數據采集系統的設計專業、班級學號姓名主要內容、基本要求、主要參考資料等：

主要內容：

功能要求：完成單片機數據采集系統

1）使用單片機采集數據。

2）將采集到的數據送上微機顯示、處理。

上述內容為基本要求，可按照自己的理解增加功能使之更完善。

基本要求：

? 明確設計任務，復習與查閱有關資料。

? 設計所用硬件芯片按給定使用。

? 按要求對設計進行簡要說明，總體設計方案，各部分的詳細設計。

? 寫出體會和總結。

要求全部使用A4紙打印稿，不少于5000字。

主要參考資料：

? 李朝青編．《單片機原理及接口技術》(簡明修訂版)．北京航空航天大學出版社，1998 ? 馮克．《MCS-51單片機實用子程序及其應用實例》．黑龍江科學技術出版社，1990 ? 楊欣榮等．《智能儀器原理、設計與發展》．中南大學出版社，2003 ? 孫傳友等．《感測技術基礎》． 電子工業出版社，2001

? 王福瑞等．《單片微機測控系統設計大全》．北京航空航天大學出版社，1999 ? 科技期刊：《單片機與嵌入式系統應用》、《實用測試技術》、《自動化儀表》、《傳感器世界》、《測控技術》、《電子技術應用》等2001年以后各期。

完成期限： 2013年12月16日

指導教師簽名：

2013年 12月16日

第四篇：FPGA數據采集與回放系統設計論文

FPGA數據采集與回放系統設計論文

在個人成長的多個環節中，大家或多或少都會接觸過論文吧，論文是我們對某個問題進行深入研究的文章。怎么寫論文才能避免踩雷呢？下面是小編為大家整理的FPGA數據采集與回放系統設計論文，歡迎閱讀，希望大家能夠喜歡。

1系統及其原理

基于通用信號處理開發板，利用FPGA技術控制AD9233芯片對目標模擬信號采樣，再將采樣量化后的數據寫入USB接口芯片CY7C68013的FIFO中，FIFO寫滿后采用自動觸發工作方式將數據傳輸到PC機。利用VC＋＋6．0軟件編寫上位機實現友好的人機交互界面，將傳輸到PC機上的數據進行儲存和實時回放。本系統主要實現以下兩大功能：1）ADC模塊對目標模擬信號進行采樣，利用FPGA技術將采樣后的數據傳輸到USB接口芯片CY7C68013的FIFO中存儲。2）運用USB2．0總線數據傳輸技術，將雷達回波信號數據傳輸到PC機實時回放。分為應用層、內核層和物理層3部分。應用層和內核層主要由軟件實現。應用層采用VC＋＋6．0開發用戶界面程序，為用戶提供可視化操作界面。內核層基于DriverWorks和DDK開發系統驅動程序，主要起應用軟件與硬件之間的橋梁作用，把客戶端的控制命令或數據流傳到硬件中，同時把硬件傳輸過來的數據進行緩存。物理層主要以FPGA為核心，對USB接口芯片CY7C68013進行控制，通過USB2．0總線實現對中頻信號采集。系統設計采用自底向上的方法，從硬件設計開始逐步到最終的應用軟件的設計。

2硬件設計

FPGA在觸發信號下，控制ADC采樣輸入信號，并存入FIFO中。當存滿時，將數據寫入USB接口芯片CY7C68013，同時切換另一塊FIFO接收ADC轉換的數據，實現乒乓存儲，以提高效率。FPGA模塊的一個重要作用是控制USB接口芯片CY7C68013。當ADC采樣后，數據進入FPGA模塊，FPGA控制數據流將其寫入CY7C68013的FIFO中，以便于USB向PC機傳輸。CY7C68013的數據傳輸模式采用異步slaveFIFO和同步slaveFIFO切換模式。通過實測，前者傳輸速度約為5～10Mbit／s，后者傳輸速度最高可達20Mbit／s，傳輸速度的提高可通過更改驅動程序的讀取方式實現。

3軟件設計

3．1USB驅動程序設計

USB2．0總線傳輸技術最高速率可達480Mbit／s。本系統采用批量傳輸的slaveFIFO模式。CY7C68013芯片內部提供了多個FIFO緩沖區，外部邏輯可對這些端點FIFO緩沖區直接進行讀寫操作。在該種傳輸模式下，USB數據在USB主機與外部邏輯通信時無需CPU的干預，可大大提高數據傳輸速度。Cypress公司為CY7C68013芯片提供了通用的驅動程序，用戶可根據需求開發相應的固件程序。

3．2FPGA模塊程序設計

系統中FPGA模塊的'核心作用是控制AD9233芯片進行采樣。AD9233作為高速采樣芯片，其最高采樣速率達125Mbit／s，最大模擬帶寬為650MHz。通過改變采樣速率可使該系統采集不同速率需求的信號，擴展了該系統的應用范圍。描述FPGA控制USB數據寫入接口芯片FIFO的狀態機如圖6所示。狀態1表示指向INFIFO，觸發FIFOADR［1：0］，轉向狀態2；狀態2表示若FIFO未滿則轉向狀態3，否則停留在狀態2；狀態3表示驅動數據到總線上，通過觸發SLWR寫數據到FIFO并增加FIFO的指針，然后轉向狀態4；狀態4表示若還有數據寫則轉向狀態2，否則轉向完成。

3．3上位機設計

為實現人機交互，利用VC＋＋MFC在PC機上編寫了可視化操作界面，即上位機。上位機既用于數據采集的控制，同時也用于采集數據的實時回放。上位機界面如圖7所示。上位機主要功能：

1）按下“檢測USB”按鈕，可檢測USB是否連接正常，并顯示USB基本信息。

2）按下“開始采集”按鈕，可將采集的數據傳輸到PC機并實時回放數據波形；再次按下“開始采集”按鈕，可暫停數據波形回放。

3）按下“保存數據”按鈕，可將采集的數據以＊．dat文件的形式存儲到PC機硬盤。

4）按下“結束采集”按鈕，可關閉采集系統并退出界面；或按下“確定”和“取消”按鈕，也可直接退出界面。

4系統實測

為了測試數據采集與回放系統，利用通用信號處理開發板設計了DDS模塊。該DDS模塊產生一個正弦波作為測試信號，通過AD9744芯片轉換后變為模擬信號輸出，并將此輸出信號接至示波器以便驗證系統。數據采集與回放系統的實物圖及系統實測波形與回放波形。

5結束語

通過實際測試，基于FPGA的數據采集與回放系統達到了預期設計的要求。此系統能夠對目標模擬數據進行采集，并能對采集的數據實時回放，且可將數據以＊．dat文件的形式存入PC機硬盤；系統具有高速的采集傳輸功能，上位機能夠實時、動態地回放數據；信號采集板和處理板共用一套硬件，避免了重復制板，在實際調試時可方便地在信號采集與信號處理的工作模式間來回切換，提高了工作效率。原驅動程序官方版本為了滿足通用性和穩定性的要求，限制了傳輸速率，本設計開發了相應的USB驅動程序，提高了傳輸速率。

第五篇：基于USB的數據采集系統的研究與設計--總結

基于 USB 的數據采集系統的研究與設計

目前，市場上有幾百種 USB 設備，包括 USB 集線器、打印機、掃描儀器、存儲器、數碼相機和調制解調設備等。在數據采集系統中應用 USB2.0 接口總線，首先計算機系統要支持 USB2.0 協議。目前計算機幾乎都支持 USB1.1 協議，如果支持 USB2.0 協議，那么系統的 USB 主機就必須包含USB2.0 根集線器，用于給系統提供一個或多個設備端口；同時，系統還必須安裝相應的驅動程序。

USB總線的物理連接和電氣特性

USB數據傳輸采用四根電纜，其中兩根（D+、D-）是用來傳送數據的串行通道，另兩根（VBUS、GND）是符合標準的電源線，為下游的USB設備提供電源。其中，D+、D-是串行數據通信線，它支持兩種數據傳輸速率，對于高速外設，USB以全速 12Mbps或高速 480Mbps傳輸數據；對于低速外設，USB則以 1.5Mbps的傳輸速率傳輸數據。USB總線會根據外設情況在不同的傳輸模式中自動地轉換。VBUS通常是+5V電源，GND是地線。

USB 的電源

USB 的電源主要包括兩方面：

電源分配：即 USB 的設備如何通過 USB 總線獲得主機提供的電源； 電源管理：即通過電源管理系統，USB 的系統軟件和設備如何與主機協調工作。

（1）電源分配

每段 USB 都在電纜上提供了數量有限的電源。主機向與它直接相連的 USB 設備提供電源，并且每個 USB 設備都有自己的電源。那些完全依靠電纜提供能源的設備稱作“總線功能”設備。相反，那些有

另外電源的設備稱作“自供電”設備。而且，集線器也可為連接在它上面的 USB 設備提供電源。

（2）電源管理

USB 主機與 USB 系統有相互獨立的電源管理系統。USB 的系統軟件和主機的電源管理系統相互作用，處理系統的電源事件，如掛起和恢復等。另外，USB 設備還有額外的功耗管理特性，允許軟件對他們進行功耗管理。USB 總線拓撲結構

USB將USB設備和USB主機連接在一起。USB的物理互連是一個分層的星形拓撲結構，集線器在每個星形的中心。每段線路都是主機與集線器或功能設備之間，或者集線器與另一個集線器或功能設備之間的點對點連接 USB通信流

USB 在主機的軟件和 USB 功能設備之間提供了通信服務。功能設備根據不同的客戶軟件與功能設備的相互作用對通信流有不同的要求。通過將 USB 功能設備的各種通信流分離，USB 能更好地全面利用總線。通信流利用總線訪問來完成主機和功能設備之間的通信。通信流在設備的端點中止，設備的端點可以

識別所有通信流。

USB 邏輯設備對 USB 系統來說是一個端點的集合。接口是端點聚集而成的端點集，是功能設備的體現。USB 系統軟件用默認的控制管道管理設備?？蛻糗浖霉艿朗ㄅc端點集相關）來管理接口。客戶軟件要求數據通過USB在主機上的緩沖區和USB設備上的端點之間移動。而在 USB 上移動之前，由主機控制器（或者 USB 設備，由傳輸方向決定）將數據進行封裝。當總線訪問是在 USB 上移動數據包時，主機控制器也協同操作。

設備端點（Device Endpoint）

端點是 USB 設備唯一可識別的部分，是主機和設備間通信流的終點，每個 USB 邏輯設備都由獨立端點集（這個集合就是接口）組成。當設備連接時，系統為每個邏輯設備分配了唯一的地址，設備的每個端點在設計時就給定了一個由設備決定的唯一的標識符—端點號。每個端點都有由設備決定的數據流方向。設備地址、端點號和方向的組合允許唯一指定一個端點，每個端點都單一的連接，支持一個方向的數據流輸入（從設備到主機）或輸出（從主機到設備）。

管道

USB管道是設備端點和主機軟件之間的聯系。管道可以通過存儲器的緩沖區在主機軟件與設備端點

之間傳輸數據。有兩種相互獨立的管道通信模式：

1.流：在管道中傳輸的數據沒有 USB 定義的結構。

2.消息：在管道中傳輸的數據有某些 USB 定義的結構，只能用于控制傳輸。

幀和微幀（Frames and Microframes）

USB 工作在全速/低速狀態時，主機控制器每隔 1 毫秒發送一幀數據；而工作在高速狀態時，主機控制器每隔 125 微秒就發送一幀數據。一幀（或微幀）數據可包含幾種事務。USB 數據傳輸類型是從 USB 系統軟件的管理角度來描述的。傳輸（Transfer）是指在客戶軟件和它的功能模塊之間的一個或多個信息傳輸的總線事務。傳輸類型決定于客戶軟件和它的功能模塊之間的數據流特性。USB 定義了 4 種傳輸類型，以滿足在總線上進行不同類型的數據的傳輸需要。

USB數據傳輸類型

批量傳輸用于傳輸突發的大量的數據，全速模式時以 8，16，32 或 64 字節（高速模式時是 512 字節）的信息包傳送。由于對出錯的數據自動的進行重發，批量數據可確保無誤發送。

控制傳輸至少有兩個階段：建立階段和狀態階段?？刂苽鬏斠部梢愿鶕煌那闆r選擇是否需要在建立階段和狀態階段包含一個數據階段。

中斷傳輸主要用于定時查詢設備是否有中斷數據要傳輸，是一種主機定時偵聽設備。設備的端點

模式器的結構決定了它的查詢頻率，在 1-255ms 之間。中斷傳輸在高速時的數據載荷可達 1023 字節，在全速時的載荷量小于 64 字節。中斷傳輸主要應用于鍵盤、操縱桿和鼠。

同步傳輸用于保證時間優先的數據流，如音頻和視頻數據流，傳輸的時間對于數據來說是非常必要的條件，在全速模式時，一個同步包包含 1023 字節；在高速模式時，一個同步包包含 1024 字節。

數據采集系統的硬件

數據采集系統在總體上分為硬件和軟件兩大部分。數據采集系統的硬件部分

主要包括芯片的選擇、數據采集和傳輸電路以及電源轉換電路等。數據采集系統的軟件部分主要由三部分組成：USB 固件程序(Firmware)、USB 設備驅動程序以及應用程序；三部分程序之間相互協作來完成整個采集系統的功能。

USB芯片選擇

目前 USB 芯片大致分為 5 大類型：

1）單獨運作的 USB 接口芯片；

2）內含 USB 單元的微處理器（MPU）；

3）特定的接口轉芯片，如 USB 轉 RS-232 或 USB 轉 ATA/ATAPI 等；

4）PC 端或主機端的 USB 控制器；

模數轉換芯片的選擇

目前，隨著數據采集應用的日益普遍，為了滿足不同場合和分辨率的要求，模數轉換芯片也是種類繁多。選擇 A/D 轉換芯片需要考慮器件本身的性能和具體的應用要求。選擇 A/D 轉換芯片要考慮一些參數指標，如芯片精度、芯片的轉換速度和芯片的轉換量程等。

1)精度：與系統測量的信號范圍有關，但估算時要考慮到其他因素，轉換器位數應該比總精度要求的最低分辯率高一位。常見的 AD 器件有 8 位，10 位，12 位，14 位，16 位等。

2)速度：應根據輸入信號的最高頻率來確定，保證轉換器的轉換速率要高于系統要求的采樣頻率。

3)模擬信號類型：通常 AD 器件的模擬輸入信號都是電壓信號，而 DA 器件輸出的模擬信號有電壓和電流兩種。

為了匹配 USB2.0 的高速傳輸特性，滿足廣泛的實際需要，本設計選用的是采樣速度快、分辨率高的 A/D 轉換器 MAX125。

數據采集系統的固件程序設計

固件程序主要負責完成兩項任務：一是作為駐留在設備中的內部應用程序，響應主機的列舉請求，實現配置設備并將設備的配置信息(如支持哪些傳輸類型和端點)告知主機，進而為主機和設備之間進行數據通信做好準備工作：二是作為整個設備的控制中心，根據用戶應用系統的特定要求，實現對外圍設備的具體控制。USB控制器芯片借助CPU執行固件程序來控制芯片的活動，以實現數據傳輸功能。固件的設計就是使在USB總線上的傳輸能獲得快速的、有效的數據傳輸速度。它的操作方式與硬件聯系緊密，包括USB設備的連接、列舉、重列舉、USB協議和中斷處理等。

列舉和重列舉

列舉和重列舉是 USB 設備的一個非常重要的機制。是在初始階段必須經歷的階段，只有這兩個過程成功的完成，USB 設備才可能實現系統中設計的功能，否則，設備只能是一個主機不能識別的最原始的設備，或者是功能不完全的設備。

設備端點的配置

端點配置是在TD_Init()函數中實現的。USB數據通過端點緩沖區進入FX2 和從FX2 中取出。為了保證 480Mb/s高速的傳輸速率，外部邏輯經常在沒有FX2 內嵌的CPU參與的情況下，直接與端點FIFO交換數據。USB設備啟動時，要配置端點使它獲得足夠的帶寬和FIFO深度，使數據傳輸更加平穩和高速。

當應用程序要求CPU處理外部邏輯和USB之間的數據流時（或者根本就沒有連接外部邏輯時），固件可以將端點緩沖區作為RAM塊或（使用特定的自動增量指針）FIFO訪問。

設備驅動程序的組成驅動程序是一些例程的集合，它們被動的存在，等待主機系統軟件（PnP管理器、I/O管理器、電源管理器等）來調用或激活它們。WDM驅動程序的功能模塊基本由五個部分組成:入口例程，即插即用例程，分發例程，電源管理例程和卸載例程。

1.入口例程：處理驅動程序的初始化；

2.即插即用例程：處理 PnP 設備的添加，刪除和停止；

3.分發例程：處理用戶應用程序發出的各種 I/O 請求；

4.電源管理例程：處理電源管理請求；

5.卸載例程：處理驅動程序的卸載。

USB 設備驅動程序的開發

目前，用于開發設備驅動程序的工具大概有以下幾種：

1.直接使用Windows DDK：這種方法開發難度大，而且有很多煩瑣的工作要作，大部分都是通用的基礎性的工作，但是，使用這種方法，需要對WDM驅動程序的整體結構有一個很好的認識和把握。

2.使用Driver studio：工具難度會低一些，工具軟件己經作了很多基礎性的工作。也封裝了一些細節，使用者只需要專心去執行需要的操作。但由于封裝的問題，可能會帶來一些bug，有可能導致項目的失敗。

3.使用Win Driver：幾乎沒有難度(從開發驅動的角度)。很容易，但只能開發硬件相關的驅動，事實上所寫的只是定制和調用了它提供的通用驅動而已，工作效率不是很高。但開發花費的時間很少。