周新淳

（寶雞文理學(xué)院物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞721016）

基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周新淳

（寶雞文理學(xué)院物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞721016）

針對(duì)城市信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸緩慢問題，提出一種基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)。利用FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以最大程度增加信息傳輸速度同時(shí)優(yōu)化遠(yuǎn)程無線傳輸協(xié)議，保證信息能夠更加順暢地交流，對(duì)傳輸模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，確保不會(huì)因?yàn)榇髷?shù)據(jù)信息傳輸導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸速度下降。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)有較高的實(shí)踐性。

FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)；城市信息；信息采集系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段城市化建設(shè)的核心是建設(shè)信息化城市，對(duì)于信息化城市信息采集及信息傳遞一直是重點(diǎn)研究話題[1]。信息采集系統(tǒng)是城市信息交流的樞紐。一方面，可以對(duì)多元、分散、網(wǎng)絡(luò)型和多樣性的信息進(jìn)行更為方便快捷的管理，保證信息化城市建設(shè)中的信息數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行綜合交流，實(shí)現(xiàn)最大速率的傳輸。這樣可以最大程度的刺激城市的發(fā)展，保證信息化時(shí)代的優(yōu)勢(shì)[2-3]。對(duì)未來的城市而言，信息就是價(jià)值，快速的信息交流就是價(jià)值提升的過程。另一方面，信息采集系統(tǒng)對(duì)各領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化、全球化有一定的促進(jìn)作用，會(huì)使城市的空間格局發(fā)生變化。但是傳統(tǒng)信息采集系統(tǒng)的信息傳輸過程十分緩慢，信息不能快速進(jìn)行傳遞已經(jīng)嚴(yán)重的制約了城市的發(fā)展建設(shè)。針對(duì)上述情況，文中提出一種基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)能夠快速的對(duì)信息進(jìn)行傳輸[4]。

1 傳統(tǒng)城市信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸緩慢問題

城市之間的信息交流由原有的模式已經(jīng)向著多元化的方向轉(zhuǎn)變。并且伴隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步[5-6]。對(duì)于信息的交流、采集、管理是未來城市發(fā)展的重心所在，傳統(tǒng)的城市信息采集系統(tǒng)對(duì)于信息的交流十分的緩慢，無法滿足目前日益發(fā)展的需求。城市信息采集系統(tǒng)的信息交流速度已經(jīng)嚴(yán)重的制約了城市的發(fā)展，提高城市信息采集系統(tǒng)的信息交流速度是迫在眉睫的。因此，根據(jù)城市化建設(shè)的需求，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)，有效的解決信息交流緩慢的問題[7-8]。

2 利用FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)建立城市信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)，所采集的信息包括：信息矢量、影像資料、視頻文件等多種類型的信息數(shù)據(jù)，同時(shí)報(bào)包含城市實(shí)體的專屬信息[9]。根據(jù)不同的要求進(jìn)行分析，本身設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)能夠根據(jù)不同類型的信息進(jìn)行分類采集，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)能夠通過外部連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合修正傳輸，然后通過高位編程，對(duì)采集的信息進(jìn)行實(shí)體傳輸，這樣可以保證采集信息的有效性。

圖1 基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 引進(jìn)FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在編碼時(shí)，對(duì)每一個(gè)模塊單元和每一個(gè)矩陣都需要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中公式中：u、v表示的分別是限制變量以及轉(zhuǎn)換變量；x、y為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化量。

公式中是對(duì)u、v兩個(gè)變量進(jìn)行限定。

圖2 FPGA數(shù)據(jù)傳輸流程

使用FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，需要進(jìn)行一定的量差計(jì)算，計(jì)算出最大的限制，保證FPGA數(shù)據(jù)傳輸過程的轉(zhuǎn)換方便，利用DCT變換算法把公式進(jìn)行序列轉(zhuǎn)換：

一維DCT變換的矩陣形式為：

從以上公式可以看出，運(yùn)用DCT算法進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)換，一個(gè)多維的專列矩陣進(jìn)過轉(zhuǎn)換，需要22個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)乘法器[10]，如果進(jìn)行二維甚至是多維的轉(zhuǎn)變那么需要多倍數(shù)的轉(zhuǎn)換器，本文設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)需要進(jìn)行一次轉(zhuǎn)變就能滿足需求，其使用方程為：

式中 ，x（i，j）表示當(dāng)前傳輸過程中在i挑信息中有j條信息被采集，N表示實(shí)際線上采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，m（j）表示使用j條數(shù)據(jù)的平距灰度值。

當(dāng)前采集信息需要進(jìn)行信息的匯總變形，方便進(jìn)行傳輸，轉(zhuǎn)變公式限制為：

圖3 傳輸載體波率圖像

公式中，限制的量必須小于閾值所給的量，d表示目前的轉(zhuǎn)換因子；p和m表示需要進(jìn)行轉(zhuǎn)變的信息頻道。

2.2 遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議優(yōu)化

基于TCP/IP協(xié)議的有效性。為了保證基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)的傳輸效率，通過優(yōu)化計(jì)算進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。

表1 FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)信號(hào)類型

進(jìn)行信息傳輸之前首先需要進(jìn)行信息標(biāo)記，焦急過程保證傳輸?shù)挠行?，通過矩陣方程可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼轉(zhuǎn)換，還可以排除雜亂因子，又能進(jìn)行快速校對(duì)。保證數(shù)據(jù)的完整性。矩陣方程為：

矩陣中的每一個(gè)元素都是一個(gè)信息屬性，但是W本身不是信息屬性。為了能夠更加精確的計(jì)算，需要進(jìn)行特征關(guān)聯(lián)，實(shí)際上是對(duì)每一個(gè)信息屬性進(jìn)行加權(quán)，便可以達(dá)到對(duì)信息的屬性的特征提取。提取加權(quán)的矩陣化式為：

公式中：H表示壓縮后的信心傳輸載體，通過載體一次傳輸可以進(jìn)行快速的信息交流。信道選擇運(yùn)算：

公式中：Si表示信道的傳輸能力；一個(gè)是最大值一個(gè)是最小值，在二者區(qū)間就可以進(jìn)行。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)了仿真試驗(yàn)進(jìn)行有效的驗(yàn)證。本次試驗(yàn)選擇的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇某地區(qū)進(jìn)行公路信息的采集。分別使用本網(wǎng)設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的方法，對(duì)該地區(qū)的公路信息進(jìn)行采集。采集100條數(shù)據(jù)后發(fā)送給控制平臺(tái)。首先使用傳統(tǒng)的系統(tǒng)進(jìn)行采集傳輸，然后使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置轉(zhuǎn)化信息量u、v分為為2.69、5.0；Q的取值范圍設(shè)定在5到15之間，W矩陣設(shè)置200，由于需要進(jìn)行100條數(shù)據(jù)傳輸，因此設(shè)置Si的取值在10到20之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖表所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過圖中可以明顯的看出，本設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)能夠在短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度比本文設(shè)計(jì)的要慢上一倍左右。

通過表可以看出本文設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)能夠在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的信息傳輸，同時(shí)不需要進(jìn)行修正。試驗(yàn)結(jié)果足以證明本文設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)能夠更加快速進(jìn)行信息傳遞，解決了信息傳輸慢的問題。

表2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出的基于FPGA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的智慧城市信息采集系統(tǒng)，能夠解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中傳輸速度慢的問題，同時(shí)保證傳輸質(zhì)量。希望通過所提系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠給城市信息采集系統(tǒng)建設(shè)提供幫助。

[1]楊健.基于FPGA的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C]//西南三省一市自動(dòng)化與儀器儀表學(xué)術(shù)年會(huì)，2012.

[2]李恒毅，趙歡，劉芳，等.基于FPGA的智能流控交通燈設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù):學(xué)術(shù)交流，2016，12（2）:177-178.

[3]翟偉，紀(jì)元法，孫希延，等.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)串口采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（4）:275-278.

[4]張莉，李敬文，陳永祿.基于FPGA和USB的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2008（8）:47-49.

[5]曹旭東，狄?guī)妥?，許洪波，等.基于FPGA技術(shù)的模擬地震信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（4）:558-560.

[6]焦喜香，羅進(jìn)川，向海生.基于FPGA的超高速數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（13）:160-161.

[7]張瑤，婁小平，張文昌，等.基于FPGA的快速脈沖數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（5）:1695-1698.

[8]韓西寧，許暉，焦留芳.基于FPGA的同步數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（1）:89-91.

[9]楊江濤，邱暢.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C]//Asia-Pacific Youth Conference on Communication，2011.

[10]何亓，張會(huì)新，劉波，等.基于FPGA的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（8）:64-66.

[11]孫昌君，李立京，鄭帥，等.基于DSP和FPGA的被動(dòng)聲探測(cè)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017（6）：105-107，111.

[12]陳德運(yùn)，高明，李偉，等.新型ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013（5）：87-92.

[13]張志煒，呂幼新.基于SATA硬盤和FPGA的高速數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011（21）：166-169.

[14]朱奕丹，方怡冰.基于FPGA的圖像采集與VGA顯示系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011（5）：1258-1261，1264.

[15]朱建光，余紅英.基于ARM和FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].伺服控制，2010（3）：75-77.

Intelligent city information collection system design based on FPGA data transfer technology

ZHOU Xin?chun
（BaojiUniversity ofArtsand Sciences，InstituteofPhysicsamp;OptoelectronicsTechnology，Baoji721016，China）

To solve the problem of slow data transmission in urban information collection system，a smart city information acquisition system based on FPGA data transmission technology is proposed.The data transmission can increase the maximum speed of information transmission and optimization of remote wireless transmission protocol using FPGA data transmission technology，to ensure that the information can be more smoothly，the appropriate conversion of the transmission model，make sure not to because of the large data transmission system to decrease the speed of transmission.The simulation experiment proves that the intelligent city information collection system based on FPGA data transmission technology has higher practicality.

FPGA data transfer technology；city information；information acquisition system；the system design

G420

A

1674-6236（2017）22-0110-04

2017-02-22稿件編號(hào)：201702102

寶雞市科技局項(xiàng)目（16RKX1-16）；寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目（ZK2017010）

周新淳（1983—），男，陜西寶雞人，碩士，講師。研究方向：通信技術(shù)、單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)。