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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-EX162.0