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水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 摘要 海洋观测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础。海洋观测仪器则是海洋 观测的工具和手段。海洋资料是海洋观测、海洋调查的初步成果，是发展海洋事 业的重要基础。本文依托的课题：水下流浪潮综合测量系统，是国家8 6 3 计划海 洋监测技术主题中海洋动力环境实时立体监测系统的一个重要组成部分。水下流 浪潮综合测量系统是一种可用于测量波高、波浪传播方向、波周期、流速、流向、 温度、盐度等海洋要素的水下实时综合信号采集及数据处理系统。本文介绍了关 于水下流浪潮综合测量系统中岸站数据接收处理部分的设计总体方案，具体给出 了设计思想、设计方案、以及硬件电路和软件程序的具体实现，并给出了实验结 果分析。 岸站数据接收处理系统分为硬件和软件两大部分。硬件部分采用5 l 系列单 片机实现，水下测量浮标通过r s - 4 8 5 串行口与岸站接收处理系统进行通讯。岸 站接收处理系统的软件使用v i s u a lb a s i c 6 0 编写。v i s u a lb a s i c 6 0 作为一种 基于w i n d o w s 的可视化、面向对象的编程语言，已广泛应用于各种测量应用系统 的开发，它具有开发周期短、功能强大、使用灵活等特点。数据接收处理系统主 要负责对数据进行接收、存储、统计处理和分析。用户可以通过数据接收处理系 统中的人机界面对采集系统进行控制。通过在实验室及海试现场对系统进行的一 系列试验，其试验结果表明，数据接收处理系统各项指标达到设计要求，能较好 地满足对系统稳定性、测量准确度以及使系统真正达到无人值守方面的要求，而 且系统操作简单、界面友好、具有可扩展的特点，该系统数据接收准确，处理结 果真实可靠。 关键词：水下测量仪，数据处理，软件，海浪谱 d a t ar e c eivin ga n dp r o c e s sin gs y s t e mo ft h eu n d e r w a t e r o u rr e n t ：- w a v e - tid eir r t e g r a t e do b s e r v a tio nd e vic e b s t r c t m a r i n eo b s e r v a t i o ni st h eb a s eo fm a r i n er e 9 瞄i r c h d e v e l o p m e n ta n dm i l i wm a d t h eo b s e r v a t i o ne q u i p m e n ti st h et o o la n dm e t h o dt oi m p l e m e n tm a r i n eo b s e r v a t i o n o c e a n o g r a p h yd a t aa 舱n o to n l yt h ep r i m a r yr e s u l to fm a r i n er e s e a r c hb u ta l s oa n i m p o r t a n tb a s ef o rn l a r i = t l ed e v e l o p m e n t t h eu n d e r w a t e re n r r e n t - w a v e - f i d ei n t e g r a t e d o b s e r v a t i o ns y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e m b e r si nt h eo c e a nd y n a m i c e n v i r o n m e n tr e a lt i m et h r e e - d i m e n s i o n a lm o n i t o r i n gs y s t e mi n c l u d e di nt h eo c e a n m o n i t o r i n gs y s t e mp r o j e c ti nt h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a m , i ti sa r e a lt i m ei n s t a ls i g n a l r e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mf o rw a v ch e i g h t , w a v ep e r i o d , c u r r e n tv e l o c i t ya n d d i r e c t i o n , t e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t y t h ed e s i g no f d a t ar e c e i v i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g s y s t e mf o rl a n ds t a t i o ni n c l u d i n gt h eg u i d e ，s c h e m e ，s p e c i f i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n de x p e r i m e n tr e s u l ti sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h ed a t ar e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mf o rl a n ds t a t i o ni n c l u d e sh a r d w a r ea n d s o f t w a r e m i c r o c o n t r o l l e ro f5 1s e r i e si sa p p l i e di nt h eh a r d w a r ea n dt h eu n d e r w a t e r b u o yc o m n m r t i c a t e sw i t ht h er e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mo ft h el a n ds t a t i o nb y r s - 4 8 5s e r i a li n t e r f a c e s t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi sp r o g r a m m e di nv i s u a lb a s i c 6 0w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ed e v e l o p m e n to f a l lk i n d so f o b s e r v a t i o ns y s t e md u et o i t ss h o r td e v e l o p m e n tc y c l e ，s t r o n gc a p a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c e t h ef u n c t i o no ft h e d a t ar e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e r ni sr e c e i v i n ga n dg o r i n gt h ed a t aa n dt h e n p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h e ms t a t i s t i c a l l y t h eu s e rc a l lc o n t r o lt h er e c e i v i n gs y s t e m t h r o u g ht h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h et e s ti nt h el a ba n dt h ef i e l ds h o w st h a tt h e s y s t e m a c h i e v e sa l lt h ed e s i g nt a r g e t si n c l u d i n gs t a b l e n e s s ，p r e c i s i o na n d a u t o m a t i z a t i o nw i 血a ni n t e r f a c et h a ti se a s yt op r a c t i c ea n de x t e n s i b l ea n di tc a n r e c e i v ed a t ac o r r e c t i v e l ya n dg e tac r e d i b l er e s u l ta r e rp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：硼d e r w a t e ro b s e r v a t i o nd e v i c e ，d a t ap r o o e s s ，s o f t w a r e , w a v es p e c l l i m l 水下流浪潮综合铡量仪数据接收处理系统 u 刖罱 海洋观测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础。海洋观测仪器则是海洋 观测的工具和手段。当今时代是“信息时代”，就人类与自然界的关系来说，首 先要获取信息，然后才谈得到处理信息、传播信息、利用信息。因此，获取信息 是最基本、最重要的一环。从这个意义上说，海洋自动观测仪器是海洋事业中的 一个重要组成部分。我国是个海洋大国，但还不是海洋强国。我国的海洋经济发 展、海洋开发利用、海洋减灾防灾、海洋环境保护、海洋综合管理、海洋科学研 究、海洋权益斗争和海洋军事活动等都需要从海洋自动观测技术获得支持。拥有 先进的海洋自动观测仪器是我国成为海洋强国必要的前提条件之一 孙仲汉， 1 9 9 9 。 在海洋环境监测领域，测量海洋中水文要素的仪器按布放方式划分主要有两 大类：一类是表面测量系统，另一类是水下测量系统。两种系统都可测量浪、潮、 流等海洋水文学最基本的要素。作为表面测量系统，一般采用浮标作为载体，可 实时传输数据。具有代表性的仪器有美国的1 1 5 6 型浮标、荷兰的波浪骑士以及国 内研制的s z f 型多功能波浪浮标 唐原广，2 0 0 0 。作为水下测量系统，多采用压 力原理进行测量，这样就不需在海面布放浮标，投放方便，降低了观测费，有利于提 高测量系统的安全性。因此，压力式水下测量仪被视为恶劣环境海区中理想的测量 仪器，得到广泛应用 赵进平，朱光文，2 0 0 4 。我国现有的海洋监测技术水平与发 达国家相比差距较大，国内使用的此类仪器几乎全部依赖进口，具有代表性的是 挪威a a n d e r a ai n s t r u m e n t s 公司的耵r 9 、美国i n t e ro c e a n 公司的s 4 浮标以及 w o o d s h o l e 研究所研制的s e a p a c 系列波潮流仪 侍茂崇，高郭平、鲍献文，2 0 0 0 。 为改变我国海洋监测技术落后的现状，增强国家海洋监测技术的实力，从“九五” 国家8 6 3 计划开始就在海洋领域设立了海洋监测技术主题。此次水下流、浪、潮 综合测量技术课题是“十五”国家8 6 3 计划海洋监测技术主题中海洋动力环境实 时立体监测系统中的一个重要组成部分。水下流、浪、潮综合测量技术的主要成 果是水下流、浪、湖综合测量仪。该系统由三大部分组成：水下测量仪部分、可 用于实时传输信号的水下高强度通讯电缆部分、岸站数据接收处理部分。该系统 可用于测量波高、波浪传播方向、波周期、流速、流向、温度、盐度等海洋要素。 系统布放时不需搭建水下平台，可在各种气象条件下，布放于水下一定深度范围 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 内的任意位置，可长期、自动、连续地收集信息，较之表层资料浮标而言更加安 全。图0 1 及图0 2 分别为：工业控制计算机及岸站数据接收机和水下通讯电缆 实物图以及水下测量仪实物图。其中橙色的为水下高强度通讯电缆，办公桌上的 仪器为岸站数据接收处理部分。分别是岸站数据接收机和工控机。 图o 1 工控机及岸站数据接收机和水下通讯电缆图图o 2 水下测量仪 当水下流、浪、潮综合测量仪布放在水中后，所测得的数据可通过数据信号 电缆实时传输到海上平台、岸站或资料浮标上；同时流、浪、潮综合测量仪的内 部还自备大容量可充电电池，可长期在无缆的情况下通过自记的方式将所测得的 数据保存在仪器内部的u 盘存储器中。同进口系统相比该系统解决了数据实时接 收的问题，使其应用领域更加广阔， 通常提到的数据采集是指将外部世界存在的温度、压力、流量、位移等 模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。 而数据采集处理系统它涉及到信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。 在科学研究中，应用数据采集处理系统可获得大量的动态信息，这些信息为研究 瞬态物理过程提供了有力的工具。数据接收处理系统的任务，就是将采集到的传 感器信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由 计算机进行相应的计算和处理，得出用户所需的数据结果。与此同时，将计算得 到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的实时监控。 本文介绍的水下流、浪、潮综合测量仪数据接收处理系统属于整套数据采集 处理系统的上位机岸站接收处理部分。它主要由岸站数据接收机、工业控制计算 机和配套的数据接收处理软件组成。岸站数据接收机与水下测量系统之间采用高 2 水下流琅潮综合测量仪数据接收处理系统 强度的通讯电缆连接。系统工作时，通过岸站数据接收机带有的串行通讯端e l 实 时向水下测量仪发送指令，监测水下测量仪的工作状态，控制水下测量仪的工作 方式，并将水下测量仪采集到的各种数据通过串行通讯的方式实时接收转送给工 控计算机。工控计算机应用数据接收处理程序对岸站数据接收机传送的原始数据 进行实时读取、存储并进行数据统计和分析处理。 查! 堕望塑堡鱼塑里堡墼塑茎些竺里墨竺 1 系统硬件设计 1 1 数据接收处理系统硬件设计方案 在介绍数据接收处理系统的硬件设计方案之前，首先简要的将水下流、浪、 潮综合测量系统地框架结构介绍一下该系统由三大部分组成：水下测量浮标部 分、可用于实时传输信号的水下高强度通讯电缆部分、岸站数据接收处理部分。 水下测量浮标将测得的海洋要素数据通过水下高强度通讯电缆实时传输到岸站 数据接收处理系统。水下流、浪、潮综合测量系统的工作原理框图如图1 1 所示： 图1 1 水下流、浪、潮综合测量系统工作原理图 在进行岸站数据接收处理系统的硬件设计时，主要设计其具有以下功能： 可实时接收并处理水下测量仪传输的数据； 可实时采集大气气压的数据： 4 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 可控制水下测量仪的工作状态； 可为水下测量仪提供工作电源。 水下流、浪、潮综合测量系统的岸站数据接收处理系统工作流程如图1 2 所示，该系统主要由岸站数据接收机、工业控制计算机、大气压力传感器、串行 通讯等几部分组成。 图1 3a t 8 9 c 5 1 器件管脚图 图1 2 岸站数据接收处理系统流程图 岸站数据接收机与水下测量仪之问采用高强度的通讯电缆连接。电缆内芯包 含信号电缆和电源电缆，可实时传输数据信号并为水下测量仪提供电源，同时该 电缆还具有一定的强度，可作为水下测量仪的锚系。系统工作时，通过岸站数据 接收机的串行通讯端口实时向水下测量仪发送指令，控制水下测量仪的工作状 态，并将水下测量仪采集到的各种数据通过串行通讯的方式实时接收转送给工控 计算机。在岸站数据接收机上增加一个气压传感器，用以测量大气压的变化。通 过数据接收机将测得的大气压数值通过串行通讯方式送入工控计算机中用以校 正潮位的测量误差。 查! 堕堡塑堡鱼塑墨堡塑量坚竺里墨竺 1 2 数据接收处理系统硬件具体实现 岸站数据接收机内部电路的电气连接示意图如图1 4 所示。实现具体电路 的器件依据系统的设计功能和设计要求进行选取。在后面各小节中将作详细的介 绍。 缆 图1 4 岸站数据接收机电气连接图 6 ；-i：db 吣 度 j i ，甲 强r。向 水下流浪潮综合铡量仪数据接收处理系统 1 2 1 单片机的选择 单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处 理器c p u 、r a m ，r o m 、i o 接口电路、定时器计数器以及串行通讯接口等部件制 作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机，常用于智能仪表和工业控制 领域 胡汉才，2 0 0 4 1 。 在选择岸站数据接收机的控制芯片时，考虑到岸站数据接收机主要负责采集 和传输压力传感器采集到的大气压数据，并将此数据处理后送至工控计算机，此 过程的运算量并不是很大，对于程序存储器的存储空间要求也不高，基于以上考 虑，采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机。a t 8 9 c 5 1 是一个低电压，高性能0 4 0 s8 位单片机，片内含4 kb y t e s 的f l a s h 可擦除、可编程只读程序存储器，可经受 1 0 0 0 次的写入擦除；片内还含有1 2 8b y t e s 的随机存取数据存储器( r a 坳，器 件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准m c s 一5 1 指令系 统。由于这款单片机内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，内置功能强大， 使其可以为不同需求的用户提供高性价比的解决方案。 a t 8 9 c 5 1 作为低功耗、高性能8 位单片机，有4 0 个引脚，3 2 个外部双向输 入输出( i o ) 端口，同时内含2 个外中断口，2 个1 6 位可编程定时计数器，2 个 全双工串行通信口。a t 8 9 c 5 1 的引脚图如图1 3 所示。a t 8 9 c 5 1 可以按照常规方 法进行编程，也可以在线编程，它将通用的微处理器和f l a s h 存储器结合在一起， 特别是可反复擦写的f l a s h 存储器可有效地降低开发成本 余永权，2 0 0 2 a t 8 9 c 5 1 的功能特点 余永权，2 0 0 2 】： 兼容m c s 一5 1 指令系统3 2 个双向i o 口 两个1 6 位可编程定时计数器1 个串行中断 两个外部中断源 可直接驱动l e d 低功耗空闲和掉电模式可编程u a r l 通道 4 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s h共6 个中断源 全静态操作o - 2 4 m h z 1 2 8 x 8 b i t 内部r a m 3 级加密位软件设置睡眠和唤醒功能 7 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 1 2 2 大气压力传感器的选择 由于水下测量仪在设计时，测量波高的压力器件选用的是采用微硅技术制作 的高精度绝压传感器，其采集的原始压力数据为绝对压力，其中包含有水深压力 和大气压力，原始压力数据并没有对大气压进行校正。因此在设计岸站数据接收 机时，设计外接一个压力传感器，用以测量大气压的变化。将测得的大气压数值 通过串行通讯方式送入岸站数据接收机中用以校正压力测量结果。 用于测量大气压的压力传感器选用的是英国d r u c k 公司的r p t 4 1 0 f 型压力传 感器。r p t 4 1 0 f 为硅谐振大气压力传感器，其标准精度为2 0 1 2 时：5 0 p a ；- 1 0 1 2 + 5 0 时：l o o p a ；其量程为：6 0 0 h p a 1 l o o h p a ( 绝压) ；其输出6 0 0h z 至1 l o o h z 的t t l 方波。r p t 4 1 0 f 的压力接口为4 咖的细管，电路接口为5 路接 线端子。各引脚的功能见表l5 。 为了方便岸站数据接收机对压力传感器r f r r 4 1 0 f 进行控制和数据采集，在硬 件设计时，将r p t 4 1 0 f 压力传感器5 路接线端子的电路接口转接在一个标准的九 芯串行接口上。 引脚编引脚功能 号； l 频率输出 2 电源正 3 电源负 4 5 外触发器( 开关) 表1 5r p t 4 1 0 f 引脚功能表 1 2 3 通讯设计 通信，对于设各来说就是两个设备之间的数据交换。计算机中高电平代表一 种状态，低电平代表另一种状态；在组合了多种电平之后，就形成了设备之间的 数据交换。在计算机系统中，串行通信是指主机与外设之间以及主机与主机之间 数据的串行传送，它与通信制式，传输距离等许多因素有关。 在设计岸站数据接收机的通信方式时，考虑到通信的环境、距离以及实用性， 选择通过数据电缆连接的有线通讯传输方式。水下浮标与岸站数据接收机之间的 8 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 串行通讯设计采用符合工业标准的r s - 4 8 5 通信方式，岸站数据接收机与工控计 算机之间采用符合工业标准的r s - 2 3 2 通信方式。 r s 一2 3 2 与r s - 4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会( e i a ) 制订并发布的，r s 一2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e i a - 2 3 2 - e ，作为工业标准，以 保证不同厂家产品之间的兼容。 典型的r s - 2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输 出正电平在+ 5 + 1 5 v ，负电平在一5 一1 5 v 电平。当无数据传输时，线上为t t l 电平，从开始传送数据到结束，线上电平从t t l 电平到r s - 2 3 2 电平再返回订l 电平。接收器典型的工作电平在+ 3 + 1 2 v 与一3 一1 2 v 。由于发送电平与接收电 平的差仅为2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力较差，再加上双绞线上的分布电 容，r s 一2 3 2 方式下，其传送距离最大为约1 5 米，最高传输速率为2 0 k b s 。r s 一2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、发设备) 通讯而设计的，其驱动器负载为3 7 k q 。 所以r s - 2 3 2 适合本地设备之问的近距离通信 胡汉才，2 0 0 4 。 r s 一4 8 5 由r s - 2 3 2 发展而来，是为弥补r s - 2 3 2 的不足而提出的。它改进了 r s - 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，增加了多点，双向通信能力，即允许多个 发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩 展了总线共模范围，后命名为t i a e i a - 4 8 5 - a 标准。由于e i a 提出的建议标准都 是以“r s ”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以r s 作前缀 称谓。与r s 一2 3 2 不一样，r s 一4 8 5 的数据信号采用差分传输方式，通常情况下， 发送驱动器a 、b 之间的正电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑状态；负电平在一2 一6 v ， 是另一个逻辑状态。另有一个信号地c ，另外在r s - 4 8 5 中还有一“使能”端， 。使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用 时，发送驱动器处于高阻状态，称作。第三态”，即它是有别于逻辑“1 ”与“0 ” 的第三态，r s 一4 8 5 其最大传输距离约为1 2 1 9 米，最大传输速率为l o m b s 。平衡 双绞线的长度与传输速率成反比，在l o o k b s 速率以下，才可能使用规定最长的 电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般1 0 0 米长双绞线最 大传输速率仅为i m b s 龚健伟，熊光明，2 0 0 4 。 考虑到岸站数据接收机与上位计算机之间距离较近，同时r s - 2 3 2 端口是计 算机的标准配置，所以选择使用传输距离较短的r s - 2 3 2 通信方式。由于连接水 9 型塑竖塑堡墼堡堡墼竺塑 下浮标与岸站数据接收机的电缆长度为3 0 0 余米，已远远超出了r s 一2 3 2 通信方 式的最大传输距离，故选择传输距离较远的r s 一4 8 5 通信方式。两种通信方式的 转换由岸站数据接收机设计实现。 1 3 本章小结 本章给出了岸站数据接收处理系统的硬件设计方案。阐述了数据接收处理系 统的工作流程根据设计方案和要求，对硬件设计中的关键器件进行了介绍。给 出了对应的设计方案，并简单介绍了设计要点。 1 0 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 2 系统软件总体设计 2 1 软件总体设计 2 - 1 1 数据接收处理系统软件开发语言 v i s u a lb a s i c 6 0 是w i n d o w s 环境下优秀的面向对象的可视化程序没计语言 之一。其图形工具和高级语言结构使程序框架能简便、快速的转化为最终的可运 行程序，使w i n d o w s 应用程序的开发变得简便 克里斯h 帕帕斯，威廉h 默 里，2 0 0 1 。它使用事件驱动编程机制，通过事件来执行对象的操作。通过这种机 制可以很容易的将复杂的系统划分为多个功能模块，由用户操作引发某个事件来 驱动完成某种特定的功能，或者由事件驱动程序调用通用过程来执行指定的操 作，提高编程效率。此次之所以选择v i s u a lb a s i c 6 0 来编写数据接收处理系统， 除了因为其具有以上提到的诸多优点外，还考虑到用v i s u a lb a s i c 6 0 来处理水 下测量浮标原始数据的便利性。具体的依据及与此相关的内容会在第五章数据处 理部分作详细的介绍，就不在此多作解释。 2 1 2 数据接收处理系统各模块简介 程序设计采用模块化设计方法，各模块的功能是互相独立的，由一个主程序 模块统一组织、调用。数据接收处理系统软件的程序模块包括：主程序模块、数 据通讯与存储模块、数据处理和分析模块、绘图模块、波商数据的谱分析模块等。 各模块的功能简要介绍如下： 主程序模块是整个系统的中枢，对用户的操作进行响应。在其中描述整个系 统的结构。它能够根据不同的事件负责组织、调用各功能模块；协调各模块之间 的数据传递与共享；对用户的错误操作进行响应和提示。 数据通讯与存储模块主要负责与岸站数据接收机和水下测量仪进行通讯，向 它们发送工作指令，并依据返回的状态字对水下测量仪的工作状态进行判断，做 出相应的响应。同时该模块还负责将接收到的实时数据落盘，存储到计算机硬盘 的指定路径里。 数据处理和分析模块主要负责对保存在工控计算机硬盘里的原始数据进行 数据类型转换，对由于水深造成压力数据的衰减进行补偿，对原始压力数据进行 统计分析，修正由于潮位变化引起波高误差，以及由此衍生的统计值误差。然后 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 对经过校正的原始数据进行统计值计算。 绘图模块将经过数据处理和分析模块处理过的数据绘制成各种方便用户对 数据进行直观分析的二维曲线。 波高数据的谱分析模块通过随机海浪理论中介绍的谱分析的方法对波高数 据进行了能量谱分析，并绘制了波高的能量谱图。 在后面的章节中，会分别对各个模块的功能和实现方法予以介绍。 2 2 人机界面设计 人机交互界面是应用系统与人之间的信息传递渠道。它包括人对应用系统的 状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果两个方面。在智 能化仪器仪表、数据采集系统等应用中，对该模块的设计，在一定程度上影响着 整个应用系统的智能化程度和操作的直观性。键盘、显示器是完成人机交互功能 的常用外部设备 李志全等，1 9 9 9 。 为了建立友好的人机界面，方便对原始数据的修正、统计，查询和绘图，在 进行软件设计时除了将原始数据和统计结果储存为文本文件外，还利用多窗体形 式分别显示各种操作、统计数据和二维图形。 图2 1 为数据接收处理系统的启动界面。在编程时，设计使该界面在屏幕停 留2 秒钟，同时利用此时间，在后台将数据接收处理系统的各模块进行初始化设 置，为各种公共变量赋初值。 图2 2 为数据接收处理系统的菜单功能选择界面。菜单栏的具体结构如图中 所示。该界面即为主程序界面。在该界面中设计有个菜单栏，用户通过点击下 拉菜单中的选项进入不同的功能模块进行相应的操作。 其它各功能模块的人机交互界面将分别在介绍各功能模块的设计方法时给 出，在此就不做重复介绍。 2 3 本章小结 本章给出了岸站数据接收处理系统的软件设计方案。对编程语言的选择，模 块化设计的总体设计思想以及各模块的功能进行了简要介绍。介绍了人机界面的 设计思想，给出了部分界面截图。 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 图2 1 数据接收处理系统启动界面 厂瞽藩一迸一 再王苫赢苫 图2 2 菜单功能选择界 水下流浪潮综合溯藿仪数据接收处理系统 3 控制和通讯软件设计 3 1 数据格式及通讯协议介绍 岸站数据接收机与水下测量仪的通讯接口采用r s 一4 8 5 通讯方式，传输波特 率设置为1 2 0 0b p s 。规定传输时的数据格式统一为：1 位起始位；8 位数据位； l 位停止位；无奇偶校验位。通讯电缆采用4 芯电缆，其中电源线2 根、信号线 2 根。 电缆端接插件接口标准为d b 一9 母头，如图3 1 所示。引脚定义为：l 脚d a t a ， 2 脚d a t a + ，6 ，7 引脚为电源正，8 ，9 引脚为电源负。 9 4 8 3 7 2 6 1 6 2 7 3 8 4 9 5 计算机上为公头连接线上为母头 图3 1d b _ 9 标准接口引脚图 岸站数据接收处理系统通过发送控制命令文件来对水下测量仪进行操作。 命令文件内容及格式的定义( a s c i i ) ，如表3 2 所示。 文件内容定义字节长度 ( 即5 8 5 8 5 b ) 开始标志3 x x x x时间；年4 x x 时间：月 2 x x 时间：日 2 x 时间：星期 l x x 时间：时 2 x x 时间：分 2 1 4 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 x x 时间：秒 2 x x 命令编码 2 ( 即5 d 5 d s d )结束标志 3 表3 2 控制命令文件格式 控制命令文件中的命令编码是用于对下位机水下测量系统进行控制的，具 体的编码形式及码字意义见表3 3 命令序号命令定义命令编码备注 l 监测设备启动 1 0 2监测设备停止2 0 3 监测设备时间校准 3 0 4 监测设备正常观测状态4 0 5 监测设备加密观测状态 5 0 6 监测设各自检程序启动 6 0 7 监测设备自检信息提取 7 0 监测设备自检信息生产文件发 回数据处理中心 8监测设备标定程序启动8 0 9获取监铡设备实时数据9 0 + b c d 编码发送读取指令后设备才发送数 ( h l ) 据 ( 调试时取消h l 为b c d 码 了这个参数o o 为基本数据 h l ) 0 1 1 0 为设置采样频率 l l 1 9 为设置采样时长( 分钟) 1 0 获取监测设备存储数据9 2 + b c d 编码 ( h 1 h 2 l 1 1 2 ) ( 调试时取消 了这个参数 h 1 2 l 1 1 2 ) 表3 3 命令编码定义 1 5 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 例如：命令文件内容为 2 0 0 5 1 2 2 3 6 1 5 0 0 0 0 5 0 ，表示2 0 0 5 年1 2 月2 3 日星期五 1 5 点0 0 分o o 秒发给设备的命令，命令码为5 0 ，控制设备进行加密观测，即一 小时设各测量一次。 当水下测量仪接收到岸站数据接收处理系统发送的命令后，会向岸站数据接 收处理机发送返回指令。用来说明控制命令是否执行，具体的编码形式及意义如 表3 4 所示。 l 命令序号命令定义 命令编码备注 l 设备接收命令成功 o k l 没有前导和结尾 l 2设备接收指令错误e r 2没有前导和结尾 表3 4 返回指令 岸站数据接收处理系统在每个整点后的3 分钟开始接收水下测量仪数据。水 下测量仪返回的数据格式为：5 8 5 8 5 b + 原始数据 水深( 1 6 进制) + x 方向流速( 1 0 进制) + y 方向流速( 1 0 进制) + 方位( 1 0 进制) 2 0 4 8 + 统计特征值( 1 0 进制) + 校验和( 1 6 迸制) + 5 d 5 d s d 。 其中原始数据长度为2 0 4 8 组，每组数据格式为：硼删 姗d ( x x x y l n 1 d d d d 。 其中：嘲啡嘲删( 四字节) 为水深值，格式为一个3 2 一b i t e 浮点数；x x x x ( 双字 节，范围0 0 0 0 - 3 5 0 0 砌) 为流速x 方向的分量，y 1 r 1 n f ( 双字节，范围0 0 0 0 - 3 5 0 0 唧) 为流速y 方向的分量；d d d d ( 双字节，范围0 0 0 0 - 3 5 9 9 ) 为方位数据。其中数 据传送的格式为从高位字节到低位字节依次传送；x 、y 方向数据的高位字节的 第六位为最低有效位( d 6 ) ，它代表流速的方向，协议规定：0 为x y 正方向； l 为x y 负方向。 3 2 串行通讯的实现 3 2 1 串行通讯编程方式的选择 经过前面对系统软件与硬件设计的总体介绍，我们对数据接收处理系统已经 有一个大致的了解。在规定了控制命令、数据格式和通讯协议之后，就可以依照 协议进行串行通讯模块的软件编写。由程序运行操控硬件进行串行通讯，对 v i s u a lb a s i c 6 0 来说可以有两种编程方式：利用w i n d o w sa p i 函数或者通过v b 提供的a c t i v e x 控件m s c 锄来实现。 利用w i n d o w sa p i 函数进行串口编程虽然实现了设备无关性，但此种方法不 1 6 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 仅要声明和调用大量a p i 函数，还涉及到进程调度问题，程序编写复杂繁琐，多 数情况下应用于v c 开发环境。m r c i o s o f t 公司在v i s u a lb a s i c 6 0 这个版本中 提供了m s c o m m 这个a c t i v e x 控件，它使得开发串行通讯程序的工作变得十分简 单。v i s u a lb a s i c 6 0 提供的m s c o m m 控件间接的调用了w i n d o w sa p i 函数，使 编程人员在程序设计时不必再考虑复杂的系统函数，使编程工作变得简便，同时 它又能满足实际情况下的工控要求 求是科技，2 0 0 3 。充分利用已有的a c t i v e x 控件实现快速开发正是v i s u a lb a s i c 6 0 这门语言的优点。v i s u a lb a s i c 6 0 提 供的m s c o m m 控件其内部封装了串行通信中的低阶操作，用户只需要通过编程响 应m s c o m m 控件的触发事件即可实现硬件的r s 一2 3 2 串行通讯，而并不需要了解其 它相关的复杂低阶动作。基于前面叙述的特性，岸站数据接收处理系统通讯模块 的程序设计，选择使用v i s u a lb a s i c 6 0 中的m s c o 哪控件来实现对系统各部分 问的串行通讯。下面就具体的对m s c o m m 控件的几个特殊属性进行说明 李玉东， 李罡，李雷，2 0 0 0 ： 1 ) r t h r e s h o l d s t h r e s h o l d 属性 在对象m s c o m 的属性窗口中找到r t h r e s h o l d 属性，将其置为n ，表明在 w i n d o w s 应用程序接受到n 个字符后即产生o n c o m m 事件，n 可以为任意值，但是 注意其不能超过输入缓冲区的大小。把数据的处理程序编写在o n c o m m 事件中， 这样就可以对接收的数据进行实时处理。同样的，将s t h r e s h o l d 属性设置为0 ， 表明在发送字符时不产生o n c o m 事件。 2 ) c o m m p o r t 属性 该属性的值用于设置通信时用到了哪个端口( 串口) 。一个m s c o m m 控件只能 控制一个端口，如在应用程序中要访问多个串口，则必须使用多个m s c o n 彻控件。 3 ) s e t t i n g s t 属性 该属性的格式由4 个设置值组成，其格式为：“b b b b ，p ，d ，s ”其中b b b b 表示系统的波特率；p 为奇偶校验位；d 为数据位数；s 为停止位数。这些设置 应与通讯协议的规定相匹配。 4 ) i n p u t m o d e 属性 i n p u t m o d e 属性读取或设置从接收缓冲区读取数据的格式，当i n p u t m o d e 的 属性设定为c o m l n p u t m o d e t e x t ( 0 ) 时，表示以文本格式( a s c i i ) 取回数据；当设 1 7 水下流浪潮综合测量仪数据接收处理系统 定为c o m i n p u t m o d e b i n a r y ( 1 ) 时，表示以二进制格式( b i n ) 来取回数据。 5 ) r t h e r s h o l d 属性 r t h e r s h o l d 属性设置在o n c o m m 事件激活莳接收缓冲器收到的字节数。当接 收到的字节数达到r t h e r s h o l d 设置的字数时，就会引起o n c o m m 事件。在通讯程 序中就是利用这个属性实现数据的接收。 m s c o m m 控件的属性除以上介绍的之外还有其他的许多属性，但其中大都是常 规的公共属性，可以按照系统默认的设置，关于该控件的其他属性，相关的文献 和资料里提供有详细的介绍和解释 李玉东，李罡，李雷，2 0 0 0 】。将m s c o m m 控件 的参数设置完毕后，编写接收和发送程序，就可以实现工控计算机和水下测量仪 的串行通信了 3 2 2 串行通讯模块的实现 实现测量系统与p c 机的通信，首先在、r b 程序中嵌入m s c o m m 控件，并设置 通信参数，即m s c 咖控件的初始化。参数设置界面如图3 5 所示。其中包含的 主要功能是设置端口号，波特率、数据位、停止位、奇偶校验位及设置硬件握手 协议等，同时要注意，此处参数的设置应与下位机保持一致。根据通讯协议的规 定，水下流浪潮综合测量仪的参数为：波特率1 2 0 0 b p s ，无奇偶校验检查，8 位 数据位，1 位停止位。发送时间间隔设定是针对自动发送功能设置的，即每间隔 设定的时间便将待发送内容发送一次。由于水下流浪潮测量仪与p c 机之间的数 据传输不易出错，即使出错，对仪器操作影响也不大，所以接收水下测量仪发送 的数据文件时，程序设计采用事件驱动方法，即通过编写i s c o m m 控件对o n c o m m 事件的响应处理程序来完成数据文件的接收，此时需将r t h r e s h o i d 属性设置为 1 ；发送数据时不要求触发o n c o 哪事件，所以s t h r e s h o l d 属性设置为0 ；接收 和发送缓冲区的字节数设置为默认的1 0 2 4 字节可以满足要求；初始化时可以通 过分别设置i n b u f f e r c o u n t 、o u t b u f f e r c o u n t 属性为0 来清空发送和接收缓冲区； 为了接收水下测量仪发送的二进制数据信号，i n p u t m e d e 属性设置为 c o m l n p u t m o d e b i n a r y 模式。 1 8 水下流浪潮综合铡量仪数据接收处理系统 图3 5 串行通讯模块界面 完成m s c o m m 控件的初始化后，模块程序就进入数据的接收和发送阶段。为 避免冲突，接收数据时触发o n c o m m 事件，采用事件驱动方法；而发送数据时， 直接采用文本框( t x t c t r ) 的k e y p r e s s 事件，将按键值同时传递给文本框和发送 缓冲区，不触发o n c o m 事件。在程序设计中采用接收和发送两个文本框进行数 据的接收和发送，并保持两个文本框的显示一致，这样即能避免数据冲突，又使 对水下测量仪的控制直观明了，并为数据的查看提供便利条件。在串行通讯模块 中设置了数据的发送，接收，保存和清除，以及端口设置功能。串行通讯模块的 程序界面如图3 6 所示。在图中接收回显区的文本框里显示接收到的数据内容， 右边的复选框中的选项用于设置回显区的数据显示方式。如：是否以十六进制显 示，是否以a s c i i 码方式显示，是否显示数据地址等。在窗体下方的状态栏中除 了显示当前的日期和时间之外，还实时显示系统接收到的字节数。单击操作提示 中的数据保存按钮就会将系统接收到的数据保存到用户指定的保存路径。单击清 除按钮，程序就会将串行通讯模块的各项设置初始化，同时清空缓存区和接收回 显区。发送区的设置是为了让用户对下位机发送控制命令字，来控制下位机的工 作状态，控制命令字的具体规定，在之前一节中已经给出了详细的叙述。用户在 发送区的文本框中输入控制命令字的内容之后，单击操作提示区的手动发送按 钮，系统就会将数据通过串口发送给下位机。单击自动发送按钮，系统就会按照 用户在参数设置时输入的时间间隔自动定时发送，同时自动发送按钮会转换到停 止发送状态，用户再次单击，就停止了系统的自定发送动作串行通讯软件的设 计流程图如图3 7 所示。 通过上面介绍的方法就实现了水下测量仪与工控计算机之间的串行通讯模 块设计。 1 9 图3 6 串行通讯模块界面 3 3 本章小结 本章介绍了数据接收处理系统中关于系统控制和通讯部分的设计方案。首先 给出了数据接收处理系统中控制和通讯软件的总体设计任务，介绍了控制命令和 通讯协议以及软件的模块化设汁。接着从软件的研制任务以及方案可行性论证出 发，介