精撰文高速实时数据采集分析系统可行性报告.docx
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精撰文高速实时数据采集分析系统可行性报告
最新高速实时数据采集分析系统可行性报告
一、总论
1、项目所处技术领域产业政策
“十几”期间，我国软件产业保持年均30%的增长速度高速发展，产业规模不断扩大，软件出口持续攀升，软件企业管理和创新能力都取得了显著进步，软件人才队伍逐步壮大。
软件产业为促进国民经济发展做出了突出贡献。
“十几五”期间，软件产业仍然是国民经济增长的亮点。
中央各有关部委、地方各省市都出台了一系列鼓励软件产业发展的优惠政策。
根据《JG省科技“十几五”专项规划》的目标要求，软件产业中的嵌入式软件研究开发作为电子信息领域的重大项目之一，被列为“十几五”期间优先启动、重点突破的重大科技专项。
同时，依照《NC市20GG年科技计划指南》精神，嵌入式软件开发也是20GG年NC市科技重点支持方向。
综上所述，“嵌入式高速实时数据采集分析系统的开发”项目将得到良好的政策支持。
2、项目所处技术领域技术发展现状
嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理机系统，如微控制器、微处理器和DSP等。
随着嵌入式芯片技术和网络技术的日益成熟，越来越多的设备从PC方式转化为嵌入式架构。
近年来，嵌入式的视频服务器产品已经引领了当今视频监控市场。
嵌入式服务器产品以免维护、网络功能强大等技术优势，被越来越多的用户广泛使用。
全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家庭起居，为嵌入式产品造就了崭新而巨大的商机。
数据采集是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、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、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。
数据采集技术对于获得故障设备的信息、判断故障、调试起着重要的作用，是信息科学的一个重要的组成部分。
信息技术的核心是信息获取和信息通信，其中数据采集技术是信息获取的主要手段，它随着微电子技术和计算机技术的进步而得到迅速发展。
数据采集技术广泛应用于设备故障的诊断，设备故障诊断是利用设备在运行中的状态信息，通过对所测信号的处理和分析，结合诊断对象的历史状态来定量识别设备及其零部件的运行状态，并预知有关异常、故障，从而确定必要对策的技术。
故障诊断技术最早于70年代初形成于英国，因其实用性及社会、经济效益，日益受到政府和企业主管部门的重视。
由于计算机技术的迅速发展和普及，现在它已经成为一门较为完善的、国际热门的边缘综合工程学科。
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、满负荷地优质运行。
正是基于嵌入式技术、数据采集技术的广泛商机，我们把两者科学地结合在一起，提出了基于32位嵌入式处理器的智能化的实时数据采集分析系统，该系统主要是用于工厂设备的故障检测。
3、项目技术先进性对相关领域技术进步的推动作用
嵌入式高速实时数据采集分析系统采用了目前性能很高的嵌入式处理器S3C2410，针对数据采集分析系统的应用需求,充分发挥S3C2410的众多优势，在203MHz的高速工作频率下，实现了核心板和数据采集部分等硬件电路的设计及以上模块全部功能的正常测试，为实时数据采集的系统控制的多元化和智能化提供了有力的支持。
系统开发了硬件设备的驱动程序，为上层应用程序提供了清晰标准的接口，使得应用程序的后续开发变得更加容易。
系统的硬件和软件都经过高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，为目前工业领域日益复杂的应用需求提供了一个快速有效的检测平台，
系统的嵌入式应用性质，决定了它的多学科交叉特点。
它揉合了计算机、软件、工业测控等多方面的技术于一体，因此系统的开发促进了上述多个领域相关技术的发展，同时也对这门新的边缘学科进行了有利的探索。
4、项目工作进度安排
表1项目工作进度安排
起止年月
主要工作
20GG年3月～20YY年12月
需求分析、概要设计
20GG年1月～20YY年8月
系统核心板电路和数据采集部分硬件电路设计及调试。
20GG年9月～20YY年5月
系统软件部分开发
20GG年5月～20YY年12月
系统测试
5、项目经费预算情况
表2科技三项经费预算（单位：
万元）
费用名称
申报经费
审批经费
备注
设备、仪器购置费
3
材料、样品加工费
土建安装费
资料、调研费
2
实验、检测费
2
鉴定费
技术合作费
其它费用
1
合计
8
二、技术方案论述
1、项目技术关键点、创新点
（1）项目技术关键点：
WindowsCE.NET操作系统：
WindowsCE.NET是一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。
WindowsCE.NET为建立掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能强大的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常是用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。
它是从整体上为有限资源平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。
它的模块化设计允许用户为从掌上电脑到专用的工业控制器的各种电子设备定制系统。
操作系统的基本内核只需要200K的ROM。
其优点是界面漂亮，容易为用户接受。
DSP-ARM双核嵌入式系统构架：
以DSP-ARM双核嵌入式系统为架构，将高速的数字信号处理芯片ADSP-2191和高性能三星公司的S3C2410嵌入式处理器结合的全新嵌入式系统平台。
DSP-ARM双核嵌入式系统构架可以很好的满足实时数据采集的设计需求。
一方面，由FPGA和DSP构成的高速采集和高速数据处理子系统可以满足数据采集时的实时性要求，实现实时的数据采集和处理;另一方面，WindowsCE.NET嵌入式操作系统和高性能S3C2410构成的系统控制子系统对数据采集的实时显示和复杂后续处理提供了很好的支持。
这种设计为未来数据采集设备向智能化、小型化发展构建了一个有效的工作平台。
多通道高速采集数据：
为了达到多通道数据采集的目的，就要求有十分精确的控制时序。
在本系统中低成本的采集电路设计方案有两种：
一种是以DSP为核心直接实现数据采集，另一种是以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的全部为硬件电路构成的数据采集系统。
这两种结构各有其特点和优越性，DSP因控制流程为软件设计完成，具有较高的灵活性，可在设计中根据状态方便地对时序进行调整。
现场可编程门阵列FPGA芯片可以实现产生高频率时序控制信号的要求，提供丰富的I/O管脚，其内部的逻辑功能可以根据实际需要进行合理设计和在线编程（ISP），适于模块化设计，FPGA的应用使系统设计变得十分灵活，易于修改和扩展，有较强的通用性，非常适合于实时信号处理。
目前，FPGA的容量已经跨过了百万门级，使得FPGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一。
在大多数的实时信号处理系统中，底层的信号与处理算法处理的数据量大，对于处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单的系统，适合采用FPGA来实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。
而对于高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的结构复杂，适用于运算速度快、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。
在实时数据采样系统中，采样信号的压缩算法结构相对比较简单，采用FPGA用硬件的方式来实现不仅可以实现数据的实时压缩，大大减少DSP的处理负担，而且还节省了大量数据传输消耗的时间。
（2）项目创新点：
☆在国内首次把WindowsCE.NET应用于工业测控领域，并且开发了一套完整的高速实时数据采集系统，具有一定的新颖性和很高的实用价值。
通过编写底层的代码，成功地实现了WindowsCE.NET向核心板的移植，完成了WindowsCE.NET下的USB（UniversalSerialBus）设备驱动程序的编写，对系统的接口和功能进行了扩展。
为了提高数据采集系统的实时性，在数据采集、数据分析、分析结果图形显示部分采用了多线程的模型来分别完成各项任务。
☆DSP-ARM双核嵌入式系统构架为未来数据采集设备向智能化、小型化发展构建了一个有效的工作平台。
☆模块化设计的开放式系统软件环境，完全可移植，可以简单地外挂和追加新发展的算法，提高了系统的开发效率。
☆历史数据智能分析系统，提供高可信度的故障判断能力。
☆抗干扰能力强，可靠性高，维护方便，可在恶劣环境下工作。
☆支持串口、USB、红外、调制调解器、802.11、BlueTooth、调制调解器等多种通信方式，有强大的多媒体功能。
2、项目技术方案论述
实时数据采集系统的设计主要分为硬件和软件设计两部分，在硬件上采用了以ARM作为控制部分、DSP和FPGA作为数据采集和处理部分的设计。
软件上我们使用了微软最新的实时嵌入式操作系统WindowsCE.NET，其高度模块化和可移植性，提高了系统的开发效率。
（1）系统整体设计方案
系统以DSP-ARM双核嵌入式系统为架构，将高速的数字信号处理芯片ADSP-2191和高性能三星公司的S3C2410嵌入式处理器相结合。
根据实时数据采集的实际要求，可以把采集过程分为高速采集、数据处理和系统控制三部分。
高速数据采集采用FPGA实现，数据处理采用DSP来完成，系统控制则由高性能ARM处理器和WindowsCE.NET嵌入式操作系统来完成，在WindowsCE.NET嵌入式操作系统平台上使用EVC（EmbeddedVisualC＋＋）编写应用程序，完成波形显示和波形数据后续分析、用户操作控制等任务。
通过DMA（DirectMemoryAccess）通道实现FPGA,DSP与ARM之间的高速数据传输，从整体上提高系统的性能。
DSP-ARM双核嵌入式系统构架可以很好的满足实时数据采集的设计需求。
一方面，由FPGA和DSP构成的高速采集和高速数据处理子系统可以满足数据采集时的实时性要求，实现实时的数据采集和处理;另一方面，WindowsCE.NET嵌入式操作系统和高性能S3C2410构成的系统控制子系统对数据采集的实时显示和复杂后续处理提供了很好的支持。
这种设计为未来数据采集设备向智能化、小型化发展构建了一个有效的工作平台。
（2）系统主机内部核心板的设计方案
实时数据采集系统主机内部主要分成核心控制电路、接口控制电路和电池供电三大主要部分。
核心控制电路主要是由S3C2410芯片、SDRAM存储器、Flash存储器、逻辑解码芯片组成。
接口控制电路主要包括一个接口芯片，PNP（即插即用）电源控制芯片，PCMCIA插座组成。
电池供电部分主要包括一个电池组，电压变换芯片，充电保护芯片，滤波电路等部分组成，如图1所示。
图1核心板电路结构图
S3C2410微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，内部结构如图2所示。
其具有以下特点：
☆5级整数流水线，指令执行效率更高。
☆提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。
☆支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
☆支持32位的高速AMBA总线接口。
☆全性能的MMU（MemoryManagementUnit），支持WindowsCE、LinuG、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。
☆支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。
ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。
☆内存部分：
1片8M×16位数据宽度的FLASH，共16M字节Flash（Intel28F128J3C，如有不同型号，则是完全兼容的器件）；两片16M×16位数据宽度的SDRAM（HY57V561620BT，如有不同型号，则是完全兼容的器件）构成，共64MSDRAM。
☆数据通讯口和外部输入输出口：
底板提供一个四线RS232接口（COM1）；两个USB口，一个LCD，一个触摸屏接口。
☆片选：
S3C2410提供8路片选，nGCSn[0~7]，每个片选都指定了固定的地址，每个片选固定间隔为128M字节。
核心开发板内存由两片16M×16位数据宽度的SDRAM构成，两片拼成32位模式，公用nGCS6，共64MRAM。
起始地址：
0G30000000。
图2S3C2410内存结构图
☆总线：
（ⅰ）S3C2410是内部32位地址，外部27位地址，数据总线宽度32位，203M的主频，100M的总线速度。
（ⅱ）若外接8位或16位数据宽度的外设芯片，与CPU相接时，核心板的数据总线宽度是可配置的，可分别配为32位、16位或8位模式。
设置是在BWSCON中的BW位实现的。
在给外设分配片选时，设置好它的BWSCON中的这两位，在访问它的地址时就可以改变数据宽度。
16位数据宽度时，是低16位数据线有效；8位模式时，是最低8位数据线有效。
（ⅲ）启动时这个对CS0是无效的，因为CS0是接存放启动代码的存贮器片选，一般都是FLASH，在CPU刚加电时，这时的数据宽度就无法用BWSCON来设置了，就只有硬件实现了，由复位后硬件配置决定数据的宽度，复位默认为0G00000000H。
（ⅳ）两片SDRAM为32位寻址，但两片的数据总线分别接核心板高16位和低16位数据总线，这样拼成32位SDRAM使用，所以两片SDRAM共享一个CS。
而一片FLASH则固定位16位数据读写访问模式。
（3）数据采集部分硬件设计
图3数据采集部分逻辑图
多通道高速采集是系统中十分关键的部分。
为了达到多通道数据采集的目的，就要求有十分精确的控制时序。
在本系统中低成本的采集电路设计方案有两种：
一种是以DSP为核心直接实现数据采集，另一种是以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的全部为硬件电路构成的数据采集系统。
这两种结构各有其特点和优越性，DSP因控制流程为软件设计完成，具有较高的灵活性，可在设计中根据状态方便地对时序进行调整。
但是实时的数据采集电路要求最高采样频率为30MHz，而通用DSP系列难以产生这样高速的时序控制信号。
而且由于采样的全过程包括采样、读结果、结果存储以及通道选切，所以通用DSP总线接口难以实现如此高速的采样。
因此DSP总线接口不适合应用于高速控制和高速采集，而高速采集及控制电路中应使用以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的硬件电路构成的数据采集系统，FPGA芯片可以实现产生高频率时序控制信号的要求，提供丰富的I/O管脚，其内部的逻辑功能可以根据实际需要进行合理设计和在线编程（ISP），适于模块化设计，FPGA的应用使系统设计变得十分灵活，易于修改和扩展，有较强的通用性，非常适合于实时信号处理。
目前，FPGA的容量已经跨过了百万门级，使得FPGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一。
在大多数的实时信号处理系统中，底层的信号与处理算法处理的数据量大，对于处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单的系统，适合采用FPGA来实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。
而对于高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的结构复杂，适用于运算速度快、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。
在实时数据采样系统中，采样信号的压缩算法结构相对比较简单，采用FPGA用硬件的方式来实现不仅可以实现数据的实时压缩，大大减少DSP的处理负担，而且还节省了大量数据传输消耗的时间。
如图3所示
（4）系统的软件设计方案
A嵌入式操作系统的选择
WindowsCE.NET：
是一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。
WindowsCE.NET为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能强大的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常是用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。
它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。
它的模块化设计允许用户为从掌上电脑到专用的工业控制器的各种电子设备定制系统。
操作系统的基本内核只需要200K的ROM。
其优点是界面漂亮，有较强的通信功能，支持串口、USB、红外、调制调解器、802.11、BlueTooth、调制调解器等多种通信方式，有强大的多媒体功能，用户熟悉的Windows用户界面，微软强大的技术支持，容易为用户接受。
WindowsCE的架构研究
a系统分层模型
现代操作系统（包括应用环境、操作环境等）一般具有分层的结构特征，典型的就是UNIG系统的同心环，最内层是硬件，从里向外是核心、共享库、应用三个层次。
WindowsCE.NET的分层结构复杂些，这是由它面向嵌入式应用的特点所决定的。
从提供者的角度来看，图中的上面四层主要由微软公司维护开发，下面两层主要由嵌入式产品开发商根据产品需要开发。
从接口的角度讲，一般系统开发环境包括应用和系统两个界面用以支持系统和应用开发。
例如桌面的Windows平台，SDK代表了应用层界面，而DDK代表了系统界面。
图中的WindowsCE.NET操作系统的功能在中间两层得以实现，应用支持库的上部和操作系统层的上部（主要是CoreDLL.dll，应用支持库中的很多接口也是通过DLL导出到系统中的）以及下部具有接口性质，他们构成了WindowsCE.NET的应用界面和系统界面。
因而从某种角度说，OAL是系统界面的实现，而上面两层就是应用界面的使用者。
图4WindowsCE.NET分层模型
从层与层的交互来看，主要的交互发生在相邻的层之间，而上面三层具有一定的向下跨层访问的能力。
访问的约束在一定的程度上有助于实现功能隔离，清晰的接口也为替换某一层的实现提供了方便。
WindowsCE.NET的分层结构如图4所示。
b操作系统模块化的组织结构
WindowsCE.NET是由若干独立模块所建，每一个模块提供特定的功能。
其中有几个模块又被分成几个组件。
组件能使WindowsCE.NET变得较为紧凑（小于200K）,仅需要使用最小的ROM、RAM和其它硬件资源就可运行设备。
WindowsCE.NET包括四个模块，这四个模块提供最重要的操作系统功能：
内核、对象存储、制图、开窗口、事件字系统（GWES）和通讯。
WindowsCE.NET还包含其它可选模块，支持诸如管理可安装设备驱动程序和支持COM的任务，WindowsCE.NET的体系结构如图5所示。
图5WindowsCE.NET的模块与体系结构
☆内核
内核是操作系统的核心，由Coredll模块表示。
它提供所有设备上都必须存在的基本操作系统的功能。
内核负责内存管理，进程管理和一些必需的文件管理功能，管理虚拟内存、调度、多任务、多线程和预期处理。
Coredll模块的大部分组件是任何WindowsCE.NET配置所必需的。
然而，有一些可选的内核组件。
只在包括例如通话、多媒体和图形设备接口（GDI）制图这类操作系统功能时才需要。
☆对象存储
文件系统（Filesys）模块支持WindowsCE.NET对象存储API功能。
下表显示对存储支持的持续存储类型。
表3WindowCE.NET的存储类型
存储类型
描述
文件类型
包含应用程序和数据文件
系统注册表
存储应用程序必须快速访问的系统配置和任何其它信息
WindowsCE数据库
提供结构化存储
对象存储提供另一种在文件中或在注册表中存储用户数据和应用程序数据的方式。
在操作系统建立进程期间可以选取或忽略各种对象存储组件，以便仅包括需要的那些功能。
☆GWES
GWES是用户、用户应用程序和操作系统之间的图形化用户接口。
GWES将键击、指针移动和控制选择转换为消息，传送信息给应用程序和操作系统来处理用户输入。
GWES通过创建和管理在显示设备和打印机上显示的窗口、图形和文本处理输出。
GWES的核心是窗口。
所有应用程序（即使是为缺小图形显示器的设备创建的那些应用）需要窗口以便从操作系统接收信息。
GWES为需要图形显示器的设备提供控制、菜单、对话框和资源。
它还提供控制文本和图形显示的GDI。
☆通讯
通讯组件为以下通讯硬件和数据协议提供支持：
序列I/O支持、远程访问服务（RAS）、传输控制协议/Internet协议（TCP/IP）、局域网（LAN）、通话API（TAPI）、WindowsCE.NET无线服务。
☆可选组件
除了上面描述的主要模块外，其它操作系统模块也可使用。
包括以下类型的模块和组件：
设备管理程序和可安装设备驱动程序、多媒体（声音）支持模块、COM（CommonObjectModel）支持模块、WindowsCE外壳（Shell）模块、WindowsCE中提供的每一个模块或组件支持一组用户可用的相关的应用程序接口功能。
B软件的开发平台
系统的软件的开发全部是在台式机上进行的，需要装有WindowsCE.NET的PC机，要建立WindowsCE.NET的开发环境，需要如下几个开发工具包，ADS1.2,Windows20XX,VisualStudio,MSDN,EmbeddedVisualTools（简称EVT）,。
Mutile-ICE是用来与目标机建立连接的仿真器，只有安装了Mutile-ICE，才能够把可执行程序下载到目标板上执行，追踪。
WindowsCE.NET的开发环境的另一个工具包是PlatformBuilder4.2,该工具包是微软提供的集成开发环境，不仅能够开发应用程序，还能定制满足各种硬件环境的嵌入式WindowsCE.NET操作系统和编写驱动程序。
三、项目实施支撑条件
1、工作基础
（1）我们项目组是一个默契、团结、向上、充满朝气的创新团队。
项目组成员多次合作进行了教学改革和横向项目的开发，前期对项目研究内容作了较为全面的调查，充分利用国内外数据库的资源，紧追国际前沿，制定了合理的切实可行的技术路线和研究方法。
（2）项目组成员对所研究的项目非常熟悉，具备了深入开展下一步工作所必须的研究条件和研究基础。
2、工作条件
（1）主要仪器设备
项目组拥有包括数十台高档PC机在内的各种机器，以及包括千兆以太网在内的完善的局域网系统。
这些仪器设备和少量购买的嵌入式设备完全能够满足项目的实验需求，保证项目的顺利进行。
（2）研究技术人员及工作条件
项目组成员具有很强的开发能力和较高的理论水平，并且专业搭配合理，既有在软件方面具有丰富经验的副教授、讲师，也包括计算机硬件、网络、工业数控、电子方面的技术人才，保证了项目的顺利实施。
项目组成员良好的科研背景、组员之间优良的团队精神、实验室良好的工作条件和优秀的实验环境，为保证项目的最终圆满创造了必备的条件。
3、项目主要成员情况
表4项目主要成员情况
四、项目预期经济效益
1、预期市场需求
根据大量的市场调查结果显示，“嵌入式高速实时数据采集分析系统”由于具备了以下优点：
第一、产品功能强大、可移植，可裁减、可供用户进行快速二次开发。
第二、进行了大量的市场调研与考证工作，产品功能特点适合市场需求。
第三、系统所运用的技术比较新颖，国内市场上还未出现具有绝对影响力的产品和生产商。
因此在国内市场上具有很强的竞争力，市场前景广阔。
2、预期盈利水平
系统20GG年1月研发完成并投放市场，平均售价6万元/套,预计第一年销售5套，第二年销售15套，第三年销售25套，三年累计实现销售收入270万元，实现税利108万元，以后逐年递增。
详情见表5、表6：
表5 项目产品生产规模及销售量估算表
单位：
万元
投产年达产的年份
生产规模
销售数量
第一年（20XX年）
5套
5套
第二年
15套
15套
第三年
25套
25套
表6项目盈利估价表
单位：
万元
序号
升级会员 