雷电监测数据采集系统设计

论文摘要

雷电灾害作为一种自然灾害,一直对人类的生命财产构成威胁,其危害在全球范围内普遍存在,因此雷电的研究及防护具有非常重要的意义。雷电监测数据采集作为雷电监测、研究及防护的基础,以探测闪电的物理参数为基本任务,为深入的雷电机理研究、地区天气资料、雷电预警等方面提供科学依据。本文主要研究针对雷电时差定位与分类要求的雷电监测数据采集系统。该系统利用GPS的时间、位置信息及1PPS信号为各监测点建立统一、精确的时间基准及相对位置关系;利用GPS的高精度1PPS信号校准数据采集卡的采样时钟,为数据采集系统提供高质量的同步采样时钟信号;利用FPGA构造脉冲峰值采集算法实现了在高采样率下实时提取闪电辐射包络信号的峰值特征,减少数据量并降低后续处理的难度;对电场变化低频信号采用数据段采集方式,在减少数据量的同时实现了数据的连续采集与存储,为闪电的分类等提供数据依据;利用因特网实现了各监测站点的远程控制及数据下载。测试验证了该系统的同步性能及对脉冲峰值特征的准确捕捉性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 雷电监测的意义
• 1.2 闪电的放电过程和描述参量
• 1.2.1 闪电的分类
• 1.2.2 闪电的放电过程
• 1.2.3 闪电放电过程的描述参量
• 1.3 雷电监测的发展概况
• 1.3.1 地基雷电定位技术
• 1.3.2 星载雷电探测、定位技术
• 1.4 系统总体设计方案
• 1.4.1 数据采集子系统
• 1.4.2 网络传输子系统
• 1.5 论文的主要工作
• 1.6 本章小结
• 第二章 雷电监测数据采集子系统硬件设计
• 2.1 GPS 接收机
• 2.1.1 GPS 简介
• 2.1.2 GPS 接收机模块
• 2.2 GPS 时钟模块设计
• 2.2.1 GPS 时钟模块组成及原理
• 2.2.2 FPGA 内部电路
• 2.2.3 调谐电压控制算法
• 2.2.4 GPS 时钟模块外围硬件扩展
• 2.3 PCI 数据采集卡
• 2.3.1 PCI 数据采集卡硬件结构
• 2.3.2 秒同步与脉冲峰值采集
• 2.3.3 数据段采集
• 2.3.4 数据采集卡与工控机的数据传递
• 2.4 本章小结
• 第三章 雷电监测数据采集子系统测量控制软件设计
• 3.1 测量控制软件总体结构
• 3.2 底层库设计
• 3.2.1 底层库用到的数据结构
• 3.2.1.1 脉冲峰值采集通道
• 3.2.1.2 数据段采集通道
• 3.2.1.3 GPS 信息串口数据
• 3.2.1.4 脉冲记录秒数据包
• 3.2.2 脉冲记录秒数据包的打包原理
• 3.2.3 底层库对外接口
• 3.2.4 底层库与驱动接口
• 3.3 文件库设计
• 3.3.1 文件库设计目标
• 3.3.2 文件建立规则与实现
• 3.3.3 文件库使用的主要数据结构
• 3.3.4 文件存储结构
• 3.3.5 数据回读
• 3.3.6 文件库对外接口
• 3.4 用户界面程序设计
• 3.4.1 面板设计
• 3.4.1.1 主界面设计
• 3.4.1.2 文件回读与数据导出对话框
• 3.4.2 用户界面程序状态转换与流程设计
• 3.4.3 采集态数据流
• 3.4.4 软、硬件看门狗 WatchDog
• 3.4.5 控制文件及系统的远程控制
• 3.5 本章小结
• 第四章 雷电监测数据采集系统网络传输子系统设计
• 4.1 系统总体设计
• 4.1.1 网络连接及子网穿越
• 4.1.1.1 UDP 穿越NAPT 简介
• 4.1.1.2 服务器注册及子网穿越
• 4.1.2 关键数据结构
• 4.1.2.1 网络请求报文
• 4.1.2.2 网络内容传输控制报文
• 4.1.2.3 网络传送应答报文
• 4.1.2.4 消息类型列表
• 4.1.2.5 相关常量
• 4.1.3 重要基类
• 4.1.3.1 服务器基类
• 4.1.3.2 客户端基类
• 4.1.4 客户-服务器的文件传送
• 4.2 服务器端程序设计
• 4.2.1 服务器端程序主要逻辑结构
• 4.2.1.1 服务器主线程流程
• 4.2.1.2 工作线程
• 4.2.1.3 心跳线程
• 4.2.2 服务器端程序的主要类
• 4.2.2.1 CFileServer
• 4.2.2.2 CThreadManagerServer
• 4.3 客户机端程序设计
• 4.3.1 低层库的主要数据结构
• 4.3.1.1 服务器节点信息结构CNodeInfo
• 4.3.1.2 任务信息数据结构CTaskInfo
• file_info'>4.3.1.3 下载文件信息struct _file_info
• 4.3.2 低层库的主要逻辑结构
• 4.3.2.1 客户端启动流程
• 4.3.2.2 服务器监听
• 4.3.2.3 服务器检测
• 4.3.3 客户端程序的主要类
• 4.3.3.1 服务器信息类CRecvServer
• 4.3.3.2 客户端管理类CThreadManagerClient
• 4.3.4 客户端动态库对上层的接口
• 4.3.5 客户端上层应用程序设计
• 4.3.5.1 客户端上层应用程序流程
• 4.3.5.2 客户端上层应用程序的界面设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统测试
• 5.1 GPS 时钟模块测试
• 5.2 数据采集卡测试
• 5.2.1 两系统同时基脉冲峰值时刻误差测试
• 5.2.2 两完全独立系统脉冲峰值时刻误差测试
• 5.2.3 测试结果分析
• 5.3 测量控制软件测试
• 5.4 网络传输子系统测试
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果
• 附件
• 附件A GPS 时钟模块测试报告
• 附件B GPS 时钟模块实物图
• 附件C 雷电监测数据采集系统数据采集子系统