扫描电子显微镜(简称扫描电镜)是一种大型精密仪器，主要结构包括电子光学系统、信号收集、图像显示和记录系统、真空系统，是机械学、光学、电子学、热学、材料学、真空技术等多门学科的综合应用。 扫描电镜是一种新型的电子光学仪器，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。 扫描电镜分类方法： 1、按照电子枪种类分：钨丝枪、六硼化镧、场发射电子枪(冷场发射、热场发射);2、按照样品室的真空度分：高真空模式、低真空模式、环境模式(冷热高压低压等等);3、按照真空泵分：油扩散泵、分子泵;4、按照自动化程度分：自动、手动;5、按照操作方式分：旋钮操作、鼠标操作;6、按照电器控制系统分：模拟控制、数字控制;......

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数据采集系统（DAS）及事故追忆系统（SOE）

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陕西盾能电力科技有限公司

目前，国内很多企业和个人的电能表现场数据的获得还是依靠人工现场抄数，这种方式工作强度大，获得数据的时效性差，管理成本高，在边远地区、无人值守的地方非常不方便，在高压计量点更具有一定的危险性。基于此，自动化的远程数据采集越来越受到重视。在各种自动化量测与控制应用系统中，经常要实现对远距离的现场中各种参数的监测，根据结果掌握研究对象或生产过程的运行情况，并做出相应的分析与控制。在这种过程中，广泛地使用了现场参数的远程采集技术，从而确保整个系统工作过程安全、有效且具有智能化，并且能提高生产率、降低生产成本。

远程数据采集系统由数据采集部分、存储和传输部分、远程控制站组成。系统设计以基于FPGA的逻辑控制模块作为数据采集部分，嵌入式系统板单片机作为存储和传输部分、PC机作为远程控制站。嵌入式系统板为整个系统的控制核心，在该板上使用Linux作为系统软件。

1、现场可编程门阵列(FPGA)技术

在基于实时嵌入式微处理器的数据采集系统中，嵌入式软件必须从传感器上接收输入数据，数据采集的过程也影响嵌入式软件的设计以及执行时间。传统数据采集的方法是使用入路输入开关从不同传感器上传输数据。而多路开关通道的选择、控制信号的生产和数据读取都是由嵌入式软件来实现。现场可编程阵列(FPGA)的应用，可将某些软件功能由硬件来实现，从而从逻辑上可以大大简化嵌入式软件的设计。在可靠性方面，FPGA有很强的优势，与处理器顺序执行的方式相比，用VHDL设计的硬件，如果设计得当，将不会存在类似于MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题。

进程（Process）与线程（Thread）是现代操作系统进行多任务处理的核心内容。UNIX操作系统通常以进程作为计算机资源分配的最小单位，这些资源包括处理器、物理及虚拟内存、文件I/O缓冲、通信端口等。为了适应多处理器环境下日益增长的细粒度并行运算的需要，现代操作系统提供了线程支持。线程是进程中执行运算的最小单位，它也是处理器调度的基本单位，我们可以把线程看成是进程中指令的不同执行线路。一个线程同所属进程中其他线程共享该进程占有的资源。线程有时被称为轻权进程。

在数据采集系统这类问题中，采集与存储一般由两个不同的线程来实现。另外同时采集不同性质的数据，可以采集部分也要由多个线程来实现。比如本数据采集系统中，数据来源除了AD采集板外，还有方位仪的数据。这样实现时需要三个线程。

相比进程而言，使用线程有着自身的优点。首先，可以简化编程模型，它将

处理多个异步事件的编程模型转化为多个线程来实现，使得每个线程处理同步事件的编程模型。其次，线程在共享资源时更加方便，比如文件的共享，内存的共享等等。另外，使用线程模型可以提高整个系统的吞吐率。最后，交互式的程序利用线程可以提高系统的响应速度。

在本数据采集系统中需要进行短距离无线数据传输。可以采用建立专用无线数据传输系统或借用GSM、CDMA等公网信息平台两种方式来实现。相比较，用无线电台建立专用无线数据传输方式比其它方式具有投资少、开通快、维护简单、适应性强、扩展性好等优点。随着计算机应用技术和通信技术的飞速发展，采用无线数传电台的数据采集与控制系统在油田、水处理、电力、铁路、煤气、地震、气象、环保、GPS等行业开始普及应用。

CRC检错方法的工作原理是：将要发送的数据比特序列当作一个多项式K（X）的系数，在发送端用收发双方预先约定的生成多项式G（x）去除，求得一个余数多项式R（x）。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端。在接收端用同样的生成多项式去除接收到的数据多项式，如果除得尽，表明无差错；如果除不尽，表明有差错；余数将指明出错位所在的位置。CRC是一种线性分组码，具有较强的纠错能力并有许多特殊的代数性质，前k位为信息码元，后r位为校验码元，他除了具有线性分组码的封闭性之外，还具有循环性。其编码和绎码电路很容易用移位寄存器实现，因而在FEC（前向纠错系统）中得到广泛的应用。

5、防止电平触发方式下发生不必要的中断

系统在设计时，一般采集板的数据缓冲区满后，要通知系统板来取走数据，这种握手过程用中断来实现最为有效。在硬中断中，需要考虑的一个十分重要的问题是当中断源申请一次中断在CPU已响应此次中断请求后如何撤消中断请求。如果在CPU执行完此次中断服务程序并在返回原程序断点处之前尚未撤消中断请求，则会引起在CPU返回原程序后再次产生中断（由此类推，还可能引起更多中断），而再次产生的这些中断是不希望的，也是不必要的，因此必须防止其发生。当采用边沿触发方式时不会产生这样的问题，而采用电平触发方式时却很有可能发生这样的问题。

解决这个问题的方法是由CPU控制撤消请求。假定CUP的中断请求INTR采用高电平触发方式，触发器的R复位端和S置位端均为上跳沿起作用。当中断源申请中断时，由产生的上跳变使触发器的Q端输出高电平以向CPU申请中断，而CPU在进入中断服务程序后，利用输出指令通过输出接口使触发器R端产生上跳变，使Q端复位，从而撤消了向CPU的中断请求，保证“申请一次，中断一次”。此方式既避免了上通用性差的缺点，又避免上使CPU效率降低的弊端，因此是一种很好的方法。

1、系统的整体设计方案；

理论上，完整的数据采集系统包括：用于切换输入通道的多路复用器；为不同输入范围提供增益和偏移电压调节的信号调理电路；模拟数据转换器和电压基准，以及处理器、存储器，通讯接口等部分。

根据远程数据采集系统的实际要求，将系统分为三个部分：数据采集部分、存储和传输部分、远程控制站。高速的数据采集由FPGA来实现，存储和传输则由ARM9嵌入式系统板来实现，远程控制站为PC机。FPGA在数据缓冲区填满时向嵌入式系统板发中断信号来通知其取走数据。在ARM9嵌入式系统板使用DMA技术将数据写入磁盘，从而提高系统的吞吐率。在从FPGA获取采样数据的同时，系统周期性的通过RS232串口从罗磁盘设备和GPS设备获取方位信息和时间值，这些值和采样数据在一起按照一定的格式打包，然后写入数据文件。数据文件通过Internet网络传送到远程控制站，在条件不具备时，可以通过无线方式发送数据，提高了系统的适应性。

2、数据采集部分解决方案；

在高性能数据采集系统中，通常采用单片机或DSP作为CPU，控制ADC（模数转换器）、存储器和其外围电路和工作。但基于单片机和DSP设计的数据采集系统都有一定的不足。单片机的时钟频率较低，各种功能都要靠软件的运行来实现，软件运行时间在整个采样时间是占很大的比例，效率低，难以适应高速数据采集系统的要求；DSP的运算速度快，擅长处理密集的乘加运算，但很难完成外围的复杂硬件逻辑控制。

在高速数据采集方面，FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA时钟频率高，内部时沿小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路；最主要的是FPGA可以采用IP内核技术，通过继承、共享或购买所需的知识产权内核提高开发进度。利用EDA工具进行设计、综合和验证，加速了设计过程，降低了开发风险，缩短了开发周期，效率高而且更能适应市场。FPGA的IP端口多，且可以自由编程支配、定义其功能，再配以Verilog语言进行软件设计；FPGA的最大优点是可在线编程，基于FPGA设计的数据采集器可以方便地进行远程功能扩展，可以适应不同应用场合的需要。

3、存储与传输部分解决方案

存储和传输部分是一个典型的嵌入式系统。该系统以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

ISM频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要医学使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会所定义出来，属于Free License，并没有所谓使用授权的限制，所以使用时不可申请许可证。工作于ISM频段的短距离射频通信技术主要有4

5 态。系统产生故障无法恢复时故障指示灯变红。

该部分由基于TCP/IP的网络传输部分和无线传输部分组成。这里主要关注后者。

整个数据采集系统里大量使用到了串口，有必要对串口通信的协议作专门的设计和说明。串口的通讯速度比较慢，一般传输当中均会有误码产生。传输的误码率与传输线路质量和采用的屏蔽措施有很大关系。串口传输当中误码是不可避免的，如何识别误码，并重传这些误码是解决此类问题的关键。如果出现一个错误就放弃整个文件，可能会造成永远传不成功，如果对错误不理，则会造成传输的文件与原文件内容不同，造成文件错误[42]。针对这种问题我们研究出一种将文件或命令分成长度可变的多个包，分包传送，如果某一包传输错误只重传出错的包的方法。通信涉及远程控制软件，单片机和系统板，我们将它们分别记为系统0，系统1，系统2。下面的讨论以此为准。

首先，通过串口传输的内容要有地址信息。从系统框图上可以看出，系统0与系统1通过串口通信；系统1与系统2也通过串口通信；系统0与系统2不能直接通过串口来通信，而只能由系统1来中转。这样，系统1在从串口收到数据后首先要弄清数据是否是发给自己的，如果是，则自己处理，否则就转发。于是，在发送数据时要添加发送源和发送目的信息，以便于处理。

其次，串口传输的数据单位大小不固定。根据工作流程的描述，串口传输内容包括命令，状态信息，数据文件，配置文件等，根据传输内容的不同，每次传输内容的长短不一。对于命令或状态，几个字节，比较短，一次就可传完；而文件传输过程中，数据文件可以达到几百兆，一般要分成若干个小数据包来分批传送。

另外，串口通信速度比较慢，一般传输过程中均会有误码产生。如何识别误码并重传是解决此问题的关键。例如在文件传输过程中，如果某个地方出错而重传整个文件，可能造成永远都传不成功。

最后，文件传输可能花费较长时间，在传输过程中，考虑到用户可能会中止传输过程，通信协议要考虑到这种需求。 针对以上这些特点，设计出以“长度可变的包”为基本传输单位的串口通信协议。一个包由同步字段，控制字段和若干个信息字段组成。

EP9312(ARM9)嵌入式系统板，连接有一块用于存储采集数据的小硬盘，对应于前面讨论的系统2；一块在设计之中的基于FPGA的采集板。 主要包括以下工作：测试目的和范围、测试平台的搭建、测试过程、参数预置、数据采集、数据传输和数据回放。

本文针对远程数据采集系统项目，对与之相关的一些关键技术进行了深入的研究和实践，提出了一整套满足项目的需求的高速数据采集系统。具体来说，主要进行了以下工作：介绍了远程数据采集系统中所用到的关键技术，包括现场可编程阵列技术、多线程技术、循环缓冲区技术、CRC校验技术、DMA技术等等。这些技术和理论论证了系统的可行性。

宜顺论文网6 同时对下面两部分进行了技术探讨：远程数据采集系统的设计与实现。系统设计以基于FPGA的逻辑控制模块作为数据采集部分、EP9312(ARM9)嵌入式系统板和单片机作为存储和传输部分、PC机作为远程控制站。系统采用无线数传电台技术实现无线数据传输。EP9312嵌入式系统板为整个系统的控制核心，在该板上使用Linux作为系统软件。 对数据采集系统进行整体的测试。包括测试平台的搭建、各功能模块的测试（系统的参数设置、数据采集、数据传输、数据回放）。

首先，我要衷心感谢指导老师高锋老师！导师严谨和实事求是的治学态度、渊博的知识、可敬的学者风范和高昂的工作热情，深深地影响着我。在此，向导师所给予的所有热切关心和巨大帮助表示衷心感谢！

感谢浙江大学远程教育这个平台，在两年的求学生涯中，给我提供学习与交流的平台，给我创造了就业后续学历的机会！

感谢国网浙江省电力公司宁波供电公司营销部的电能表远程数据采集系统负责人，提供了专业的知识及相关资料！

感谢国网浙江省电力公司宁波供电公司宁波供电营业厅的班长，在工作的同时开展学习与探讨，给予很大的帮助！

最后，感谢我的家人和所有给予本人关心、支持和帮助的人们。

(1)纪越峰.现代通信技术（M）.北京：北京邮电大学出版社，2002 (2)肖忠祥.数据采集系统原理.西安:西北工业大学出版社,7

野外考察是获取数据资源的重要方法之一，它是保护自然保护区物种免受 人为破坏和开展大熊猫等物种的生态生物学研究的基础。卧龙及周边其它大熊 猫自然保护区每年都需要开展定期和不定期的野外调查，以获取物种分布和人 为干扰等数据。自然保护区的野外调查分为野外监测和野外巡护，获取的数据 包括动物生境信息、大熊猫粪便咬节、样线调查、竹子样方和植被样方等。 目前，卧龙以及其它大熊猫自然保护区的野外调查数据获取方式是科研人 员提前准备好一定格式的纸质报表，在野外考察过程中手写录入。待回到办公 室后，再将获取的数据录入计算机系统。这种方法的缺点：（1）需要录入两次， 效率较低，而且容易出错；（2）实时性差；（3）格式不规范；（4）无法集成 采集多信息源（文本、图片、音频、视频等）；（5）纸质材料在野外环境下容 易破损和丢失，不便保存，也影响到数据的有效长期保存。另外在卧龙保护区 的保护和科研工作中，都要进行野外巡护，通常来说工作人员都是携带相关的 设备去野外进行调研，然后记录下这次野外巡护过程中经过的地点，在这些地 点拍的照片或者记录的信息，作为这次巡护过程的信息保存下来。目前这种记 录过程都是靠人工完成，而且无法把巡护的路径和照片等信息进行自动集成整合，实现野外巡护多源信息的自动化集成和保存。所以需要一套野外观测数据 的自动化采集与巡护信息系统。

《全球定位系统（GPS）测量规范（GBT）》 《全球定位系统城市测量技术规程（CJJ 73-97）》 《国家三角测量规范（GB/T ）》

《数字地形图系列和基本要求（GB/T ）》 《数字测绘产品质量要求第 1 部分（GB/T 0）》 《软件工程术语（ GB/T 11457）》 《计算机软件开发规范（GB 8566）》

《计算机软件产品开发文件编制指南（GB 8567）》 《计算机软件质量保证计划规范（GB/T 12504）》 《计算机软件配置管理计划规范（GB/T 12505）》 《软件配置管理计划（CADCSC）》

野外数据采集与巡护信息系统主要是根据自然保护区科研人员野外监测和巡护的需求，能够动态定制数据采集信息，在野外考察过程中通过携带的移动 设备实现数据的数字化采集，并能够将采集到的科学数据通过网络或者存储卡 自动导入后台数据库系统中。同时实现巡护路径和巡护信息获取与保存、无缝 集成和可视化展现，实现保护区巡护信息的有效管理，为巡护工作提供参考， 更好的促进保护工作。该系统应主要实现如下功能：

1）基础数据维护：维护野外采集点的信息。

2）采集任务管理：生成采集任务，并将其发送到采集终端上。

3）采集数据管理及分析：接受采集到的信息，并根据业务需要进行分析和 管理。

4）身份认证：完成野外作业人员的身份认证管理。保证调查结果真实有效。 5）任务获取：完成野外人员采集任务的获取。可获取阶段性任务和实时任务。 6）采集数据填报：完成外业人员监测数据的填报和获取数据填报相关的辅 助数据。包括自动生成：时间、地点（坐标、海拔）等信息。

7）数据传输：通过无线WIFI、运营商网络完成外业数据到数据中心的及时 传输和或异步导入。

8）消息管理：具有多种手段的消息传递的方式，保证业务正常及时的进行。 （2）与中心系统配合完成巡护信息录入： 1）制定巡护计划及巡护内容。

2）巡护计划可以定期制定，或临时决定，巡护内容可以预先设置。 3）输入实际巡护时间及路线，并将采集信息反馈到中心。 4）录入巡护内容数据。

5）实现对巡护计划及内容的查询，并根据预先的计划作提示功能。 6）提供对巡护内容的统计功能。

数据采集主要通过定制的采集终端实现，采集完成后，通过WIFI、运营商 3G 网络等将采集信息上传局端采集系统。具体网络结构如下：

具体功能模块设计如下：

1）定制模块：数据定制模块以Web 方式提供用户定制界面，用户选择所需 要的采集信息，并生成定制信息的描述文件。

2）数据采集模块：数据采集模块主要是根据用户生成的定制信息描述文件， 动态生成能在移动设备上运行的采集程序，为用户提供友好的采集界面，同时 能自动获取地理位置信息和时间信息，以准确定位用户采集信息的位置和时间， 减少用户的操作时间：防止人为输入导致的错误。

3）数据同步模块：数据同步模块主要是实现两大功能：第一是把相关字典 信息同步到移动设备上，这样用户在野外采集信息时候可以选择而不是输入字 典信息（如物种信息）；第二是把用户采集的数据通过网络或者存储卡实现和 后台数据库的同步，以实现采集数据有效保存。

4）巡护路径和巡护信息的获取和保存模块：首先获取巡护设备中的路径信 息和其它设备（如照相机等）采集的其它巡护信息（如照片等）。再根据数据 库结构和关联性写入到后台数据库中，实现持久化的保存。

5）巡护信息的集成和可视化展示模块：把路径信息和巡护信息无缝集成， 并通过WebGIS 平台实现巡护路径及其相关信息的可视化展示。

6）巡护相关历史信息的查询：科研人员通过该模块可以查询原来的巡护路 线，以更好地制订现在或者未来的巡护路线。

野外数据采集与巡护信息系统包括野外数据采集子系统和野外巡护信息子 系统，野外数据采集子系统的具体业务实现流程如下：首先，用户（数据库管理员）基于已建好的后台关系数据库，根据具体的 采集需求进行定制操作（包括为每个采集页面的所有录入字段设定标题、编辑 风格、数据源等信息，以及设定移动设备上的采集菜单项、每个子菜单项对应 的采集页面集合），定制子系统将用户的定制信息保存成固定格式的 XML

另外用户可以设定数据库中的某些关系表作为字典数据表，定制子系统从这些 字典表中抽取出字典数据，保存成嵌入式关系型数据文件格式。然后，用户利 用数据同步子系统的数据导入功能将 XML 文件和字典文件复制到移动设备上； 最后，运行移动设备上的数据采集程序，即可获得用户需要的数据采集系统。 用户录入的信息保存在移动设备上的嵌入式数据库文件中，最后通过数据同步 子系统的数据导出功能将这些数据从移动设备导出到后台数据库。 野外巡护信息子系统的具体流程如下：首先，运用 GPS 记录仪，自动记录工作人员巡护的 GPS 轨迹，工作人员 再通过照相机等其它设备采集其它信息。其次，巡护数据获取模块从 GPS 定位 设备获取位置信息、从照相机等设备获取巡护信息，并存入到后台巡护数据库 中。然后，巡护信息集成把路径信息和巡护信息无缝集成，转换成能在WebGIS 平台展现的文件（如 KMZ 文件等），并利用WebGIS 平台可视化展示。最后，工

作人员可以通过检索巡护数据库的巡护历史数据，去罗列以前的巡护航迹，为 现在或者未来的巡护作参考，从而实现更好的保护工作。

本系统根据整体情况需求，配置55 台工业级数据采集终端（主机设备由主 机系统统一考虑配置），工业级采集终端设备主要技术指标要求如下： 1. 触摸屏，屏幕大小不低于3.5 英寸，彩色显示不低于320*240 像素； 2.锂电池，待机时间要求8 小时以上（可包含外接电池）； 3.有扩展插槽；

4.主机通讯：与主机通讯至少有其中一项：USB、RS232； 5.处理器：主频不能小于533MHz ；

7.内存：RAM 不少于128M；ROM 不少于128M，并且有可扩展内存插槽， 扩充内存不低于4G 内存； 8.工作温度：-10°C-40°C； 9.密封规格：IP65 以上；

10：集成GPS，可采集航点、航线、航迹，自定义属性数据。导航精度不 低于5 米；

11：集成彩色摄像头，像素不低于300 万。 12.工业级PDA