（信号与信息处理专业论文）无线唤醒移动wlan远程遥控采集定位系统设计与实现.pdf

电孚科技大学 埙士论文 摘要 本文介绍了一种可无线唤醒的，移动的，w l a n 远程遥控采集定 位系统的设计与实理。该系统分先基站控割中心秘浮蠢系统采集蒋端 两部分，萁中前端具有采样精度高，测量动态范围广，原始数据实时 传输，遥控关枧，无线唤醒、休眠状态最多节电9 5 等功韪；基蛞 具有实时鼎示前端采样信号波形、频谱、电池电压及温度、湿度等环 境参数，发送浮标控制指令，寅时显示基蛄端和采艇前端g p s 定位信 息，实时湿示二者之间距离已经相对运动轨迹等功能。其综合性能优 予国内外现有系统，具有非常广泛的应用前景。 浮标处以嵌入式p c 为硬件平台，自行设计基于嵌入式p c 1 0 4 总 线接口的数据采集卡，实现前端的水声数搬及电池电压的信号采样。 控制中心和采爨前端邋过遵循8 0 2 1 l b 协议的2 + 4 g h z 无线网拼进行 数据通信，实现控制中心对前端的遥控遥测，如浮标工作状态的翻检， 信号采释频率髓换，p g a 放大倍数的韬换，嵌入式p e 、无线圈稀的电 源遥控开燕等。旗中，嵌入式p c 和凭线网桥的电源可无线关断威唤 醒，实璃了浮标聚集蓊端体渡凌态嚣尊最大节毫，极大遣延长了 浮标系统的水下有效工作时间。 数据采集卡鞋蹇逮m c u 巍控裁核心，不仅受费接收采鑫基辩控铡 中心的遥控指令，改变a d 、p g a 的工作模式以及嵌入式p c 和无线网 横豹电涎工佟状态；m c u 蘑对受责垮采榉变换蓐貔数掇写入系统缓 存，并通知嵌入式p c 读取数据。 系统在实遮傻曩过程中，在基蛄控制中心和浮标系统采集懿溃款 无线网桥处安装+ 1 0 d b m 和+ 1 2 d b m 全向天线，成功地实现了l o k m 间 的信号慕榉实醛传输，工作模式快速切换、系统奄源无线遥控开关等 功能。 课题农设计过程中，主要工作必：( 1 用8 b i t m c u 实瑷i 2 b i ta d 最高2 0 0 k h z 频率采样，( 2 ) 安现无线遥控嵌入式采集系统电源开关， ( 3 ) 数掇采集卡和嵌入式p e 的p c 1 0 4 总线接口设计，( 4 ) 数据采 集卡的抗干扰设计，( 5 ) 水密接头遘渍器的连接线路设计，( 6 ) 系统 电源板的设计调试，( 7 ) 数据采集卡m c u 软件的编写调试；其中( 1 ) 、 ( 2 ) 、( 3 ) 、( 5 ) 也是课题酌定要难点。和市面上现有的同类燮产品 相比，系统具有小体积( 2 0 c mx1 5 c mx15 c m ) 、高带宽( 最高趸1 1 m b p s ) 、 电泡供龟( + 1 4 v + 1 6 v ) 、光线遥控系统毫源开美、工伟模式弼换速 电子科技大学硕士论文 度快、系统深曛休眠状态耗电小( 8 0 m h ) 簿独特优点，非常适食在需 要远距璃、高带宽、小型化、电池供电等无人值守、遥控遥测场合使 粥和推广。 荧键词。无线嗓醒移动透信邋控遥溺g p s 宠位w l a n 电子科技大学埙士论文 a b s t r a c t t h i si s s u ei n t r o d u c e da d e s i g n f o raw a k e 。o n w i r e l e s s ，m o b i l e w l a n ，r e m o t ec o n t r o ld a t aa c q u i s i t i o na n dp o s i t i o ns y s t e m ，t h es y s t e m i sd i v i d e di n t ot h eb a s es t a t i o n c o n t r o lc e n t e ra n d b u o yf r o n t a c q u i s i t i o ns y s t e mt w op a r t s 孙t h eb u o yf r o n ts y s t e m t h e s ef o l l o w i n g c h a r a c t e r sc o u l db e r e a l i z e d ：h i g hs a m p l ea c c u r a c y ，w i d em e a s u r e d y n a m i cs c o p e ，t h ep r i m i t i v e d a t at r a n s m i s s i o ni nr e a lt i m e r e m o t e c o n t r o lp o w e ro n o f fb u o ys y s t e m ，w a k e o n ，w i r e l e s s ，a n ds a v ep o w e r c o n s u m eu pt o9 5 i ns l e e ps t a t e e t e t h eb a s es t a t i o nc o n t r o lc e n t e rw i l ls h o wt h e s i g n a l w a v ea n d f r e q u e n c ys p e c t r u m ，g p sp o s i t i o ns i g n a l ，b a t t e r ye l e c t r i cv o l t a g ea n d t e m p e r a t u r e ，d e g r e eo fh u m i d i t y 。t h et o t a lf u n c t i o nb e t t e rt h a nd o m e s t i c a n di n t e f n a t i o 挂鑫l s y s t e m a t i c n o w h a v ev e r ye x t e n s i v ea n d a p p l i e d f o r e g r o u n d i nt h eb u o ys y s t e m ，t h ee m b e d d e dp ci st h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n d d e s i g n s t h ed a t a a c q u i s i t i o n c a r dt ow o r k t o g e t h e r w i t he m b e d d e d p c 。t or e a l j z et h es i g n a la n db a t t e r yv o l t a g es a m p l e i nt h ed a t a a c q u i s i t i o n c a r d ，ah i g h s p e e d m c ui st r e a t e da s c o n t r o l l i n gc o r e 、n o to n l yr e s p o n s i b l ef o rr e c e i v et o c o m ef r o mt h e r e m o t ec o n t r o li n s t r u c t i o na n dc h a n g ea d ，p g aw o r km o d e ，s y s t e m p o w e rs u p p l y w o r k a p p e a r a n c e ；a t r e s p o n s i b l e f o rd a t at r a n s f o r m a t i o n e m b e d d e dp c g e tt h ef i n a ld a t a t h es a m e t i m e ，t h e m c ui s ，a n dg i v es i g n a l t oi n f o r m i nt h ec o u r s eo f d e s i g n ，t h em a i nj o ba r et h e s ef o l l o w i n g ：( 1 ) r e a l i z e 12 b i ta dc o n v e r tr e a c h e s2 0 0 k h zs a m p l er a t ew i t h8 b i tm c u ，( 2 ) r e a l i z et h ep o w e ro fe m b e d d e ds y s t e mc o u l db er e m o t ew i r e l e s sc o n t r o l ， f 3 ) t h ep c 1 0 4i n t e r f a e ed e s i g nb e t w e e nt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r da n d e m b e d d e dp c ，( 4 ) t h ea n t i - j a m m i n gd e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ， ( 5 ) t h el i n km e t h o d o f w a t e r p r o o fc o n n e c t o r ，( 6 ) t h es y s t e mp o w e r b o a r d d e s i g n ，( 7 ) p r o g r a m m i n g t h ec o n t r o ls o f t w a r e ；a n dt h e ( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) ，( 5 ) a r ea l s ot h em a i nd i f f i c u l t yi nt h ew h o l et a s k c o m p a r e dw i t ho t h e r s i m i l a r i t yp r o d u c t s ，t h es y s t e m i c s m a l l e rv o l u m e ，w i d eb a n d w i d t h ， b a t t e r yp o w e rs u p p l y ，r e m o t e w i r e l e s sc o n t r o i p o w e r s o n o f fs t a t e ， q u i c k l yw o r km o d es w i t c h ，l o w e rp o w e r c o n s u m ei ns l e e ps t a t e a n dt h e s y s t e mi sv e r y f i tf o rs u c hs i t u a t i o nt h a td e m a n dl o n g d i s t a n c e ，h i g h b a n d w i d t h ，s m a l ls c a l e d ，b a t t e r yp o w e rs u p p l yt o m o n i t o ra n dr e m o t e c o n t r 0 1 k e y w o r d s ：w l a n ，g p s ，r e m o t e c o n t r o la n dm e a s u r e ， w a k e o n w i r e l e s s ，m o b i l ed a t ac o m m u n i c a t i o n - m - 独创性声明 本入声明所篷交的学位论文是本人在等师指强下进行的研究工 佟及取褥麓磅究成栗。据我酝知，除了文中特别翻激标注察致谢麴缝 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰笃过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一弱工作的同志对本研究所做的任何灏献均已在论文中作了明 确的说明势表示谢意。 签名： 日期：c ) i 摊年r 月g 酾 关于论文使用授权的说鳃 本学位论文作者完全了解电子秘技大学有关保整、使照学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据痒遂行检索，可馘采用影印、缩印或 扫攒等复铡手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导舞器签名； 日期：5 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 该研究工作的选题背景以及现实意义 1 1 1 选题背景 随着人类社会的进步和发展，海洋在人类的生存和发展中起着越 来越重要的作用。采用高新技术监测水下数据，掌握海洋规律，已成 为获取人类开发海洋资源的迫切需求。同时，海洋环境的异常变化以 及对全球的气候、经济和社会发展也有着重大影响，这些都促使世界 各国积极致力于海洋监测系统的研究和开发。 1 1 2 现实意义 与此同时，冷战结束后的当今世界并不宁静，争夺海洋觊觎我国 海疆者不乏其人。因而，利用先进的技术研制水下数据采集系统，优 化反潜装备已成为掌握制海权，捍卫国家权益、开发海洋资源的重要 环节。从世界各国发展海军的战略态势可看出：不论是西方发达国家 还是我周边各国，在竞相发展海军中，都把潜战与反潜战放在现代海 战的特别重要地位，不惜投入大量人力财力，甚至多国联合研究开发 声纳新技术，研制新型声纳系统和设备，以强化其潜战与反潜战实力， 研究内容深入而广泛。在这种情况下，研制这样一种可长时间水下工 作的实时监测的水声数据采集、定位系统，多方位、多角度获取相关 水域的信号波形、频谱，进行相关分析，就具备了重大的现实意义。 1 2 水下数据采集系统的文献综述 如何可靠实时远距离遥控的实现对水下环境监测和数据采集，一 直是令人关注的研究课题。近年来国内夕 的不少科研机构这方面都得 了一系列的研究成果。对这些研究成果进行总结归纳，可以看出，对 于这种无人值守点的信号进行采集，方式主要有以下三种： 电子科技大学硕士论文 ( 1 ) m a t h i e uk e m p 、b r e t th o b s o n 等人提出的利用水下自动仪器 a u v ( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e s ) ”“1 进行水下原始信号采集， 并保存在a u v 自身携带的存储系统上；待仪器返回后，再提取采样数 据进行比较分析；类似的方法还有水下自动仪器搜寻阵列m a s a ( m u l t i a u vs e a r c h a r r a y ) ”1 ，也同样是由a u v 技术衍生而来；使用 该方法，可以指派a u v 采集指定区域的原始信号，但是这种方式不能 够通信，数据采样也受到仪器自身存储量的限制，无法实现采样数据 实时传送，且a u v 仪器本身往往消耗了大量的系统电能，使信号采集 模块的工作时间大大缩短，无法进行长时间水下作业； ( 2 ) 使用通信卫星传递采集信号”1 ”，这种方法，虽然可以高速 传递采样数据，但易受传输带宽较窄的制约，信号采集前端只能提取 部分信号特征，无法进行复杂分析，大量原始信号被迫丢弃，使接收 人员无法进行事后分析处理；而且卫星发射模块功耗大、设计复杂、 费用高的特点加大了其推广的难度；如a r g o 全球海洋剖面浮标观测系 统。 ( 3 ) 铺设水下电缆光纤，实时传递采集信号的方式，虽然目前有 很多地方使用，但同样存在着较多的不便之处：首先，电缆的长度往 往有限，造成了传输距离的受限( 一般 2 0 w1 0 笔记本微机 2 0 x 1 4 x 1 8 1 0 w1 p c 1 0 4 微机 9 x 9 6 x 153 2 wo 1 掌上电脑8 x 1 2 x 15 3 3 wo 12 2 3 嵌入式p c 机的特点 p c 1 0 4 嵌入式p c 废除了机箱和背板，所有扩展板，均采用垂直 叠接的金属插针式插接方式。设计着眼于小型化、超接插母线、单电 压、低功耗。p c 1 0 4 嵌入式p c 有以下特点： ( 1 ) 结构小巧紧凑：使用超小尺寸的插板，包括c p u 插板在内，全 部功能插板均按照p c 1 0 4 标准设计，插板尺寸规定为9 0 m mx 9 6 m m ，比一般p c 系列微机总线插板尺寸小的多； ( 2 ) 总线驱动电流小，功耗低。为了适应小型化的要求各插板都采 用v l s i 器件、门阵列、a s i c 芯片、以及大容量固态盘； ( 3 ) 使用单一的+ 5 v 电源供电，提高了电源的可靠性；易于插入其 它工业总线母板进行混合扩充，具有横向的总线信号引出插针， 便于用原来的p c 机的x t a t 总线进行扩充； ( 4 ) c p u 板的并行口和串口得到了强化。 电子科技大学硕士论文 本章小结： 本章描述了浮标采集前端结构设计框架。浮标要求完成数据采 集、数据压缩、数据加密和数据传输及存储大等功能。根据功能的要 求，采用了以嵌入式p c 为核心的硬件平台，并且自行设计了数据采 集卡并配置了无线网桥等其他附属设备。最后对嵌入式p c 和采集卡 的软件模块进行了简单的划分，并介绍了嵌入式p c 的软件开发平台。 电子科技大学硕士论文 第三章遥控数据采集系统的硬件设计 浮标系统采集前端是以嵌入式p c 为主体，通过设计与嵌入式p c 相配套的基于p c 1 0 4 总线的遥控数据采集卡，实现遥控数据采集的 功能；但由| 于整个浮标系统的工作于水下环境，所以系统供电只能采 用电池供电，而浮标舱体内的空间有限( 2 0 c mx 15 c mx15 c m ) ，还 需要安装嵌入式p c 、遥控数据采集卡、电源板等器件，因此预留给 电池的空间非常有限，使其无法保证提供长时间工作所需的能量。在 这种情况下，系统的功耗就显得格外重要，成为了延长系统使用时间 所必须优先考虑的因素。 在整个系统的设计过程中，始终围绕仪器低功耗、小型化的设计 要求。无论是采集系统的重要组成部分一数据采集卡、还是采集系统 的电源板设计，都需要优先考虑系统的功耗，然后再使用合适的电子 元器件设计电路，使之符合浮标的尺寸要求，从而完成整个遥控数据 采集系统的设计工作。 3 1 遥控数据采集卡的设计 3 1 1 遥控数据采集卡方案设计 图3 1遥控数据采集卡系统框图 基于p c f 0 4 总线的嵌入式水声数据采集卡是整个采集系统核心 组成部分，其结构框图如图3 1 所示。系统由信号放大电路、控制 电路、模数转换电路、接口电路、嵌入式p c 系统组成，系统控制中 1 3 电子科技大学硕士论文 一t x , 为数据采集模卡中的高速m c u 。水声信号由水听器采集之后，送 入数据采集卡：经前级运放和可编程放大器送入a d 模数转换芯片， 在高速m c u 的统一控制调度下，完成信号的放大、采样变换，最后 送入数据采集系统的缓存一双端口r a m 中。同时，m c u 不仅时刻保 持和嵌入式p c 的通信，接收上位机发出的中断信号，实现工作模式 的切换；而且在系统r a m 写满后，向嵌入式p c 发出中断申请，通 知其取走采集变换完毕的数据，实现数据的实时传送；而且，采集卡 上的高速m c u 还担负着整个浮标系统的电源控制工作，即在系统休 眠状态下，切断浮标系统中的嵌入式p c 、硬盘以及无线网桥的电源 ( 并可通过预设或手动的方式无线唤醒嵌入式p c 和无线网桥，恢复 其正常工作) ，使系统的功耗得到了极大的降低，从而延长了系统的 有效工作时间。其具体工作过程如下： ( 1 ) 高速m c u 控制电路、无线网桥上电，m c u 控制电路查询远端 基站是否发出唤醒命令，恢复嵌入式p c 的系统供电； ( 2 ) m c u 查询到基站端发出的唤醒命令，立刻恢复嵌入式p c 系统 上电，待嵌入式p c 初始化完毕，和基站端建立通信，并进入预 设的默认工作模式； ( 3 ) m c u 控制电路从模数变换电路出口处取走数据，送入缓存， 待缓存写满时向嵌入式p c 发出中断信号，通知嵌入式p c 将变换 完成的数据取走； ( 4 ) 嵌入式主机收到中断申请，从缓存中取走数据，然后将数据与 其他参数共同压缩存盘，经无线网络传送至远端基站； ( 5 ) m c u 控制电路接收嵌入式p c 传送过来的指令，调整放大电路 和模数变换电路的工作参数；实现数据远程遥控、遥测的最佳显 示状态。 ( 6 、远端基站发出休眠命令，m c u 接收到该命令后，返回一个确 认码，然后将嵌入式p c 、硬盘电源关闭( 并根据实际情况决定是 否关闭无线网桥) ，嵌入式p c 收到确认码后，在电源关闭前将确 认信息返回至基站端，保证系统电源的顺利关断，从而使系统进 入休眠状态。 ( 7 ) 待需要由休眠状态转换至正常工作状态时，基站端向浮标端发 出唤醒浮标的命令，m c u 在收到此信号后，立刻恢复嵌入式p c 和硬盘的供电，系统进入预设的正常工作模式。 电子科技大学硕士论文 3 1 ，2 遥控数据采集模块电路设计 如图3 一l 所示，数据采集的功能是在高速m c u ( w 7 7 e 5 8 ) 的控 制下，由可编程放大器p g a ( l t 6 9 1 0 1 ) 和a d 模数转换芯片 m a x l 2 9 2 共同完成的，变换得到的数字信号，在m c u 的控制下，送 入系统缓存一双口r a m 中，待写到双口r a m 指定地址之后，向 p c 1 0 4 总线发出中断，通知嵌入式p c 从双口r a m 中读走数据。 为了实现系统最高2 0 0 k h z 的采样频率，控制芯片需要在5 u s 的 时间间隔内完成模拟信号的采样、变换、读取采样变换结果、写入缓 存的工作，这就对控制芯片和模数转换芯片提出了速度和采样频率 方面的要求。出于供货周期、调试可操作性，以及试验环境等方面的 考虑，这里我们选择的是华邦公司的高速m c u w 7 7 e 5 8 和m a x i m 公 司的模数转换芯片m a x l 2 9 2 。具体电路如图3 2 所示。 3 1 3 主要芯片选型介绍： w 7 7 e 5 8 m c u 是w i n b o n d 公司出产的具有i n t e l 公司m c s - 5 1 系列的8 位m c u 。它具有4 0 位引脚，片内带1 k b 的s r a m ；提供3 2 条i o 引脚，大部分引脚都可以作为数字和脉冲输入或输出；3 个1 6 位的定时器，1 2 个中断源，其中直接提供外部中断处理可使用 p 1 4 ( i n t 2 ) - p 1 7 ( i n t 5 ) ；时钟频率可达到4 0 m h z ；具有睡眠状态，指 令系统与8 0 5 1 指令系统完全兼容。除上述技术性能外，还有价格低 廉，保密性强，功耗低，应用灵活、方便等特点。故选择w 7 7 e 5 8 m c u ( 及 其兼容高速m c u ) 为采集卡的核心。 主要特征： l k b 的片上s r a m 2 个16 位的数据指针 4 个时钟为一个机器周期的高速结构可达4 0 m 时钟的速度 与标准的8 0 5 2 兼容 4 个8 位的i o 口线 3 个l 6 一b i t 定时器 电子科技大学硕士论文 图3 2 遥控采集卡原理图 1 6 - 电子科技大学硕士论文 12 个中断源，两极的优先级 片上振荡器和时钟电路 2 个可编。程串口通道 内置看门狗电路 p d l p ，e e r d i p v c c p oo 【 口a p o 1c 0 1 l p a 2 【矗口2 ) p 口3 【 日3 l p 0 4c 0 4 p o c 口e i p 1 0 日c d m 巳些7c d ” e a v p p le ，p r o g p s e h 7c 1 q p 2 i l 似1 哪 器：凇秘 p 2 jl 1 1 i p 22 i a a ) 1 = 2 1 p p j0 m l p l c c i l c c 图3 - 3w 7 7 e 5 8 管脚示意图 3 1 3 2 模数转换芯片m a x l 2 9 2 ( m a x l m ) m a x l 2 9 2 是低功耗，逐次比较型的1 2 - b i t a d 模数转换芯片， 具有省电模式，快速唤醒( 2 p s ) ，片内时钟，+ 2 5 v 内部参考电压，8 位并行接口，复用4 位。该器件在单电压+ 5 v 电源下工作。在最大采 样速率4 0 0 k s p s 的情况下，功耗仅为1 0 m w ，还具有两种可软件选择 的掉电工作模式。m a x l 2 9 2 具有的低功耗，体积小的优点，是本项目采 用的重要原因，因为必须使用电池直接供电，且在整个板子上占的面 积小，符合我们采集卡实际体积的要求。 图3 ，4m a x l 2 9 2 管 蚰船酣#i骆踮m醣州蹰姐”钮笳m柚盟引 ，：；o o o ，o o”住们帖仆惦卸 nhn队队贴婚陀隐眠隐隐吨呲m洲 1 x d口卫11再a 溜 翮臻蕊娄 岫恤旰哪洲汕洲性西姒 图意 示 一一 皇王型垫查兰堡主丝塞 单一+ 5 v 电源： 1 2 位分辨率，误差1 2 ( l s b ) ： 4 路模拟单端输入通道： 输入单双极性可用软件选定 采样速率可达4 0 0 k s p s ： 可通过软件选择内部或外部时钟： 可通过软件选择内部或外部采样方式 8 + 4 位并行接口： 内部2 5 v 电压基准： m a x l 2 9 2 是美国m a x i m 公司向市场推出的1 2 位快速a d 转 换器，它采用2 4 脚q s o p 标准封装，无需外接元器件就可独立完成 a d 转换功能，可将一个模拟信号转换为1 2 位数字量输出。 m a x l 2 9 2 可分为内部采样模式和外部采样模式两种，由控制寄存 器的d 5 位决定。在内部采样控制模式时( d 5 = 0 ) ，由写脉冲启动采样 间隔，经过6 个时钟周期的采样间隔，开始a d 转换。在外部采样模 式时( d 5 = 1 ) ，由两个写脉冲分别控制采样和a d 转换。第一个写脉冲 写入控制字a c q m o d = i ，开始采样间隔。第二个写脉冲，写入控制字 a c q m o d = 0 ，m a x l 2 9 2 停止采样，开始a d 转换。m a x l 2 9 2 的逻辑 控制输入信号有c s 、r d 、w r 。c s 是片选端，即控制芯片启动的输 入端。当c s 为低电平时，选中m a x l 2 9 2 的d o d 1 1 口作为数据接 口。当c s 为高电平时，不能进行读写操作，接口变为高阻状态，此 时可将控制字节送入d o d 1 1 口。 其控制字格式如下： d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld 0 p d lp d 0 a c q m o d s g l i d i fu n i 1 b i pa 2a la 0 p d l 、p d 0 用于选择时钟模式和节电模式。1 1 表示外部时钟， 即由用户在c l k 引脚端输入1 0 0 k 6 0 m h z ，占空比为4 5 5 5 的 方波信号。 10 表示内部时钟，0 1 表示闲置( s t b p d ) 节电模式，每 次a d 转换完毕后自动进入节电模式，直到下一次启动a i d 转换后， 不带任何延时地响应转换命令。o o 表示完全( f u l l p d ) 节电模式， 当通过率高于1 k s p s 时，应在下次转换前执行一次闲置节电模式， 以便使参考电压充电至精度要求的数值。当通过率低于1 k s p s 时，就 不必执行以上操作，直接写控制字。完成时钟模式的编程选择后，改 电子科技大学硕士论文 变其值以使编程节电模式不会影响前面的时钟模式。 a c q m o d 用于选择内外采样模式。a c q m o d 为o ，内部采样模 式；a c q m o d 为1 ，外部采样模式。s g l 、d i f 决定量程。0 表示 差分输入，1 表示单端输入。a 0 ，a 1 ，a 2 决定输入的通道号。w r 和c s 控制a d 转换的启动，采用内部采样模式和外部采样模式时，转换过 程稍有不同，具体情况请参见表1 。 当a d 转换结束，1 2 位数据已经准备好，此时i n t 自动跳转至 低电平，可从m a x l 2 9 2 的i o 口读取a d 转换结果。 表3 - 1m a x l 2 9 2 的引脚功能表 管脚 名 称功能 高低字节输出使能端为o ，低8 位有效， 1h b e n 为1 ，高4 位有效。 2 5d 7 d 4三态i o 口 6 9d 3 ，d 1 l - d 0 ，d 8 复用三态i o 口 当a d 转换结束，输出数据已准备好，i n t 1 0i n t 负跳变申请中断。 当c s 是低电平，在r d 的下降沿，数据允 1 l r d 许被读取。 当c s 是低电平，在内部采样模式，w r 的上升沿开始采样并开始一个转换周 1 2w r 期；在外部采样模式，在w r 第一个上升 沿开始采样，在w r 第二个上升沿开始一 个转换周期。 时钟输入端。在外部时钟模式，用一个 t t l c m 0 8 兼容的时钟驱动c l k 。在内 13c l k 部时钟模式，从该管脚到地接一个 1 0 0 p f 的电容。 1 4c s 片选端，低电平有效。 15 1 8c h 3 c h 0模拟输入通道 1 9c o m模拟输入的参考地 2 0g n d模拟和数字地 通过0 0 1 u f 电容接到a g n d ，当r e f 2 1r e f a d j 管脚接外部参考电压时，r e f a d j 接 电子科技大学硕士论文 v d d 。 参考电压输入端。内部参考电压为25 v 参考电压通过r e f a d j 管脚可调。采用 2 2r e f 外部参考电压时，将r e f a d j 管脚接到 v d d 。 2 3v d d + 5 v 电源。通过0 1uf 电容接地。 2 4 v l o g i c 数字电源输入端，2 7 v ，v d d + 3 0 0 m v 2 3v d d+ 5 v 电源。通过0 1 f 电容接地。 2 4 v l o g i c 数字电源输入端，2 7 v v d d + 3 0 0 m v 3 。1 3 3 双口r a mi d t 7 0 0 7 双端口r a m 芯片具有特点：具有两套完全独立的数据线、地址 线、读写控制线，允许两个c p u 对双端口存储器的同一单元进行同 时存取；具有两套完全独立的中断逻辑来实现两个c p u 之间的握手 控制信号：具有两套独立的“忙”逻辑，保证两个c p u 同时对同一 单元进行读写操作的正确性；兼容性强，读写时序与普通单端口 存储器完全一样，存取速度完全满足各种c p u 的要求。 使用双口r a m 实现两c p u 之间的数据共享具有很多优点：速度快， 存取双口r a m 中的数据信息所用时间与一般的c p u 存取外部r a m 所用 时间一样；实现方式简单，无须设置通讯端口等；且由于大规模集成 电路的发展，集成双口r a m 价格也已不高。所以双口r a m 是一种性能 优良的快速通信器件。基于此，我们在此设计中使用了型号为i d t 7 0 0 7 的双口r a m 。 i d t 7 0 0 7 是i d t 公司推出的3 2 8 b i t 高速双端口静态r a i d 。它有 两套独立的地址线、数据线和控制信号线，允许两个控制器件中的数 据通过共同连接的存储器来进行通信，这两个控制器可以是c p u 和 磁盘控制器，也可以是两个c p u 。该双端口r a m 允许两个控制器同时 读取任何存储单元( 包括同时读同一地址单元) ，但不允许同时写或 一读一写同一个地址单元。 主要特征： 内含仲裁逻辑，可解决同时读写同一个地址问题： 具有中断逻辑，允许通过端口直接进行通信； 电子科按大学硪士谂文 带谢旗语道讯逻辑，允许两个控制器共享资源： 采t | ： l 主、从模式，可方便遗扩壤芯片数据宽度。 允许同时读取同存储单元： 霹滋行蓬速访闯。访阚辩阉为2 0 a s 利用m s 模式可级联扩展数据宽度，当m s 为高时，b u s y 信号为 辕滋，窿标意，当m $ 兔低融，b u s y 僚号粼髂失输入瓣使焉； 具肖片内端口仲裁逻辑和中断标志； 篾斑硬串嶷持壤溜淹懿簇语逶滚； 备端口完全异步操作； 与t t l 奄警兼容，采瑟5 v ( 1 0 甍) 毫基供魄； 工作温度范围为一4 0 + 8 5 。 l 辩璃能： 下阉必i d t 7 0 0 7 懿6 8 瓣p l c c 瓣装熬引鬻搀磷。 圈3 - 5i d t 7 0 0 7 餐脚示意图 双日r a m 的主要读写时序图 一 皇三型塑奎兰堡圭笙塞 x】 k 一妒_ 一 l l t 一 r| | | | o e m 1 | l | f | 一d 。 。n 叫 ：v a u o d a t a ”煳 1 i i z * 叫 l f f f l l f l ” 图3 - 6i d t 7 0 0 7 读周期的时序图 t i m i n g w a v e f o r mo | w d t e 斜d l n o 。1 i r 厢c 呻埔耐t h i n g h 删 图3 7i d t 7 0 0 7 写周期的时序图 3 1 3 4 可编程放大器l t c 6 9 1 0 - 1 l t c 6 9 1 0 系列是l i n e a rt e c h n o l o g y 公司的一种低噪声数 字可编程增益控制放大器，它非常容易使用，而且体积非常小。其增 益通过3 位数字输入进行控制。此系列又分为l t c 6 9 1 0 1 、 l t c 6 9 1 0 一2 、l t c 6 9 l o 3 三种，它们的区别只在于实现的放大倍数不 同，可根据具体情况进行选择。其中，l t c 6 9 1 0 1 实现的放大倍数为 0 ，1 ，2 ，5 ，1 0 ，2 0 ，5 0 ，1 0 0v o l t s v ；l t c 6 9 1 0 2 为0 ，1 ，2 ，4 ， 8 ，16 ，3 2 ，6 4v o l t s v ；l t c 6 9 1 0 - 3 为0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 和7 v o l t s v 。 据系统设计要求，此处选择使用了l t c 6 9 1 0 1 。 2 2 - 咻 琵 琵 _ 差 _ 墓 浙 。 咖 耐 电子科技大学硕士论文 主要特征 3 b i t 数控增益控制( 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 和7 v o l t s v ) 8 管脚t s o t 一2 3 封装 单电压或双电压供电： 2 7 v t o1 0 5 v o u t l a g n d2 l n3 v 一4 t o p v l e w 8 v + 7g 2 6g 1 5g 0 t s bp a c k a g e b - l e a dp l a s t i et s o 2 3 t j m a x = 15 0 。c o j a = 2 3 0 。g 州 图3 8l t c 6 9 1 0 - 3 管脚示意图 3 ，2 系统电源板的设计 在浮标系统采集前端中，不仅存在基于p c 1 0 4 总线的嵌入式p c ， 还有模数变换电路、放大电路、控制电路以及无线网桥、水听器、 g p s 定位模块等多个电子设备，各个设备对电源的要求各不相同，同 时还要实现整个水下监测系统的最大节能，所以专门设计了一个针对 本项目的电源板。 匿睚 童基，1 # 尸广 鬯 剧i剧h i i l 硬盘及i 无线ll 品l l 一1i 采集卡l网桥ll 孟l【 l 外圈电【li l【l l 旦 _ l 一l 一l 一 具体工作结构划分如下： ( 1 ) 电池提供+ 1 4 v + 1 6 v 的电压，分别供给5 个具有控制端的d c 一 - 2 3 - 电子科技大学硕士论文 d c ： ( 2 ) 5 个开关电源镀次分别为主扳和硬盘、m c u 、无线网桥、水孵器、 g p s 接收机提供电源； ( 3 ) m c u 、承氍瓣帮g p s 揍救援鲶终处予正攀工乍状态； ( 4 ) m c u 接收外部基站遥控指令，休眠状态时关闭主板和硬盘、无线 弼轿静穗源，唆醒时开庙二嚣奄源，滚菱正常供毫，麸孺运鬟降低系 统功耗，延长商效工作时间的效果。 3 2 1 系统节电方案设计 用作水下采集信碍的浮标系统，其特殊的工作环境、以及系统的 歪鬻工佟嚣求酾系统麴最小工终时阕，决定了拱电方式为蓄彀浊供 电。因此，浮标内的功耗是撼个嵌入式采集系统的功耗就成为衡量整 个采集系统是磷具有实题性所需要优走考虑的重要指标之一。 国内外在此领域设计、开发相关产品时，主黉从以下三点考虑： f 1 ) 在整个嵌入式蓉统内进行高级电源管理a p m ( a d v a n c e dp o w e r m a n a g e m e n t ) ，或高级配置和电源接口a c p i ( a d v a n c e dc o n f i g u r a t i o n a n dp o w e ri n t e r f a c e ) 。由于a c p i 功能的实现对硬件电路的设计要求 较为复杂，对于体积小，集成度高的嵌入式系统，在设计中往往难鞋 顾及，所以这项技术目前大多用在笔记本电脑产晶中，而嵌入斌系统 的用户的选择往往被黎中在a p m 审。 ( 2 ) 研发适合于嵌入式系统使用的智能功耗控制：在嵌入式系统内 邀行功耗籁控带l 算法，裰据工作任务豹优先缀、寅辩整、著发糕等特 性，并参考外部环境的变化，如温度，湿度，水流速度样，自行判决 俺辩露系统送行侮荦孛壤源控露l 搡俸“。磷銎黄获国内戮际上米萋， 嵌入式系统的功耗控制算法尚属难点，至今没有提出较为成熟、可靠 的研究成栗，繇虽，舞法熬磷究茬缎麸特患夔工捧骂缓躐考功魏嚣求 出发，摊广使用的难度较大。 ( 3 ) 褒嵌入式系统豹底层嫒箨设计孛，器量镬粥功耗较低熬芯片， 同时可根据任务需要，控制芯片正常工作线者进入休眠状态。 电子科技大学硕士论文 图3 1 0 电源板原理图 电子科技大学硕士论文 所以，针对水下这种无人值守的工作环境中，如何节约系统的电 能，充分延长系统工作时间，就成为嵌入式系统的一个非常迫切的需 求。由于a p m 功能有限，不够完善：首先不具备唤醒功能，无法在进 入休眠状态后重新进入工作状态，其次节电作用主要反应在关闭系统 显示器上，无人值守的信号采集点往往不需要显示，使用a p m 的节 电功能效果较差。 表3 - 2 系统节能测试分析 测试结果 工作状态节电 ( 系统耗电) 系统正常工作状态，嵌入式p c 、硬盘、无线网桥 1 6 0 0 m a0 电源全部打开， 启用a p m 功能，休眠嵌入式p c 和硬盘系统 1 5 0 0 m a6 2 a p m 功能禁用，关闭嵌入式p c 和硬盘电源，保 7 5 0 m a6 3 1 持m c u 控制模块和无线网桥供电 a p m 功能禁用，关闭嵌入式p c 、硬盘、和无线 8 0 m a9 5 网桥电源，仅保持m c u 控制模块供电 根据测试结果，我们可以得到以下结论： ( 1 ) 接收到休眠遥控命令后，系统进入节能模式，使整个嵌入式系统 和无线传输系统在休眠状态实现零功耗，使系统的耗电量最多降低了 9 5 ，这是目前使用其他控制算法或电源管理方式所无法实现的，极 大地提高了系统的可靠工作时间； ( 2 ) 使用a p m 功能，和正常工作状态相比，节电只有6 2 ，无法满足 系统节电的要求。 以上两点想对比可以说明，使用无线唤醒电源控制系统，通过接 受遥控命令，实现嵌入式p c 、硬盘合无线网桥的电源开关，这种方 式和国内外现有方法或类似产品相比，节电最彻底，效果最佳。 具体实现方法如下：当确定停止进行信号采集时，遥控浮标关闭 系统，进入普通睡眠定时深睡模式，( 普通睡眠指仅有嵌入式p c 和 硬盘的电源处于关断状态，而无线网桥处于正常工作状态；而定时睡 眠指基站端可以根据工作任务需要，在定时期间，关闭无线网桥、嵌 入式p c 和硬盘的电源，待定时时间过后，恢复无线网桥供电，并根 据实际情况决定是否开通嵌入式p c 电源) ，遥控数据采集卡上的 m c u 在收到遥控命令后，立刻进行数据存盘，同时嵌入式p c 退出操 作系统，随后关闭系统电源。此时，整个浮标系统只有遥控数据采集 卡上的控制模块处于工作状态，其余模块的耗电量均降至为零。 - 2 6 - 电子科技大学硕士论文 待到浮标定时时间结束时，m c u 首先恢复无线网桥的供电，同 时信号检测电路开始进入查询无线网桥工作状态，判别是否收到远端 控制中心的远程唤醒指令。当查询到基站端发出无线唤醒命令时，检 测电路将产生启动信号，恢复嵌入式p c 、硬盘的供电，系统由睡眠 状态进入正常工作状态，开始进行新阶段的信号监测采集工作。 试验成功的证明，采用此种控制方式，避免了系统在普通休眠状 态时的不必要的电源的损耗，而且使系统在停止监测时完全不耗电， 使系统工作时间大大的延长。 3 2 2 水密接头连接器设计 浮标系统长时间工作于水下环境，且水下电子舱内的电子线路需 要完全密封的工作环境，舱内和舱外的唯一接口就是水密接头。这是 一个1 2 个芯线的接口，分为舱内接头( 1 种) 和舱外接头( 3 种) 两 类，通过这个接头，需要实现以下主要功能： ( 1 1 浮标处于无线网工作状态，即水听器工作时，完成水昕器采集的 原始信号向遥控数据采集卡的输入； ( 2 ) 浮标处于无线网工作状态，即水听器工作时提供嵌入式p c 、无线 网桥、水听器的电源线； ( 3 ) 浮标处于局域网工作状态时，完成浮标内存盘数据的定期导出备 份； f 4 1