电离层测高仪数据采集是频高图标定及电离层参数提取的基础,从频高图标定信息中可反演出电离层的电子浓度剖面、真高等特征信息,关键是要获得较高质量的频高图,这就对测高仪的数据采集系统性能提出了较高要求。为实现电离层测高仪数据采集系统高速度、高精度、高稳定性、高灵敏度、高信噪比等高性能,本文设计了带有IP硬核方案的PCI Express总线接口的测高仪数据采集软硬件模块,采用FPGA为系统控制核心,16位高性能模数转换器ADC为采集芯片、自主设计的ICSA总线为数据传输通道实现了测高仪数据采集系统平台,同时在WDM驱动框架下利用Win Driver结合Visual C++平台实现了采集系统驱动程序编写及上位机应用软件设计,将该系统应用于测高仪并整体调试,在野外观测台站进行较长时间的试运行,获取了大量的频高图观测数据,并与原ISA总线的频高图进行对比和原始数据分析,获取了有新意的初步观测研究成果。首先,根据数字测高仪(PDI-2)数据采集系统的需求,通过不同总线介绍选择以PCI Express总线应用到测高仪采集系统中。依据采集系统整体方案,利用模块化、可扩展性的思路完成硬件模块设计。硬件模块主要由FPGA(EP4CGX150CF23C8N)主控制器及外围配置电路、16位高速模数转换器ADC(LTC2192)电路、PCIE接口电路、SRAM逻辑设计、自定义ICSA总线驱动器电路等组成。该硬件模块通过EPCS4SI8N对FPGA进行任务配置,ADC模块完成对电离层回波信号采集量化通过差分信号线与FPGA进行传输到上位机,根据布局布线的准则结合电路对差分信号线要求完成PCB六层板设计。其次,设计测高仪采集系统的软件模块。软件模块分为驱动程序设计和上位机数据显示。在驱动程序设计上,本文通过对WDM驱动框架的研究下利用Win Driver软件和Visual C++平台生成系统的驱动程序。在应用程序部分,根据数据的显示与存储需求,利用Visual C++平台编写相关的函数完成数据直观显示,测高仪采集的频高图以DIF/ODF格式保存下来,用以方便脱机研究电离层。最后,系统应用在数字测高仪(PDI-2)平台整体调试,获取了大量的观测数据,得到初步研究成果。整体调试中包括系统与驱动程序之间的通信,通过Verilog HDL编写相关接口模块并测试DMA的连续读写速度。数据对比与分析是在武汉、北京、海南地区野外观测台站进行运行获取观测数据,通过与原ISA总线系统对比结果可知,该系统在数据传输速度、频高图的完整性和清晰性都得到提高,系统性能稳定可靠。在数据分析部分,是将获取到的未经过数字信号处理的原始数据结合MATLAB显示了回波信号中O波和X波的幅度变化,并给出了三亚地区一天的多普勒频移变化情况。本文设计的电离层测高仪高速采集系统,采用FPGA,16位高性能ADC、PCIE总线和自定义ICSA总线应用到系统中。该采集系统相比原ISA总线系统在精度与传输速度上得到提高,采集得到的频高图O波与X波轨迹更为清晰完整,得到的多普勒频移可用于研究电离层不规则体的发生。系统运行稳定,符合测高仪采集系统的性能要求。