（水声工程专业论文）数据采集与显示控制系统设计.pdf

a bs t r a c t d a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ea r ev e r yi m p o r t a n tp a r t s o fd i g i t a ls l g n a l p r o c e s s i n g b a s e d o nt h em a s sl i t e r a t u r em a t e r i a l s ，t h i sp a p e r d e s i g n sa s u b m e r s i b l eb u o yd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g es y s t e mb a s e d o nm c u t h es y s t e m c o n s i s t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h 挪d w a r ef o c u s e s0 1 1t h ed e v e l o p m e n to fab u o yc o n t r o ls y s t e mb a s e do n m s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e r , s e r i a lp o r td e v i c en e t w o r ks e r v e r , w i r e l e s sb r i d g ed e v l c e a n das u b m e r s i b l eb u o yd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nv e c t o rh y d r o p h o n e ， a v rm i c r o c o n t r o n e r c o m p a c tf l a s hc a r d ，s r a m d i v i d e da c c o r d i n g t ot h e f u n c t i o n s t h eh a r d w a r eo ft l l es u b m e r s i b l eb u o yd i g i t a la c q u i s i t i o na n ds t o r a g e s v s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do ft h r e ep a r t s ：s i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，d a 协 t r a n s m i s s i o n t a k i n gt h et h r e ep a r t sa st h ec o r e ，p a r t ss e l e c t i o n ，c i r c u i td e s i g na n d p c bp r o d u c t i o na r ec o m p l e t e d i nt h es o r w a r e ，m c ud a t aa c q u i s i t i o np r o c e d u r ei sc o m p i l e db ya d o p t i n g a v ra s s e m b l yl a n g u a g ea n dd i s p l a yc o n s o l ei sd e v e l o p e du n d e rt h ee n v i r o n m e n t o f s u a lc + + t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e sa n dp o i n t sf o ra t t e n t i o n i n d e t a i ld u r i n gh a r d w a r ed e b u g g i n ga n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，w h i c h i n c l u d e st h ea dc o n v e r s i o na c c u r a c y , t h ee x t e r n a ls r a m a d d r e s sm a p p i n g ，c f c a r ds t o r a g ef o r m a ta sw e l la sr e a l t i m ec l o c kr e a d i n ga n dw r i t i n gt i m es e q u e n c e d i s p l a yc o n s o l ea p p l i e s s o c k e tp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yt oc o m p l e t er e l i a b l e w i r e l e s sc o m m u i l i c a t i o nn e t w o r kt r a n s m i s s i o n a n dp r o p o s e sam e t h o d o 士 g r a p h i c a ld y n a m i cd i s p l a y w i t hn of l i c k e rc o m b i n i n gw i t ht h e m u l t i t h r e a d p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y t h e f i n a lc h a p t e ro ft h ep a r tt h o r o u g h l yd l s c u s s e s r e a d i n ga n dw r i t i n gd i s ks e c t o r st e c h n o l o g yu n d e rw i n d o w se n v i r o n m e n ta n d d i r e c ta c c e s s i n gw i t hf i l em o d ef o rc fc a r di sr e a l i z e d f i n a l l y , t h i sp a p e rg i v e sa b r i e fd e s c r i p t i o no f t h et e s tp r o c e s s i n ga b o u tt h e c o o r d i 眦t i o nb e t 、v e e nd i s p l a yc o n s o l ea n dh a r d w a r ee q u i p m e n t t e s t i n gr e s u l t s s h o ws y s t e mi sr u n n i n gv e r yw e l la n dc a nb ea p p l i e dt ot h ed a t aa c q u i s i t i o na n d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s t o r a g ef i e l d so fu n d e r w a t e ra c o u s t i ce n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g e ；a v r ；c fc a r d ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ； s o c k e tp r o g r a m m i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：捌狁 v 7 v 日期：7 卅 年乡月翊 。 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) 日期： ：胡 、7 年；月如日 导师( 签字) 。鼍年月 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 1 1 课题来源及意义 1 1 1 课题背景与来源 第1 章绪论 众所周知，海洋总面积占据了地球表面积的7 0 以上，随着人类社会的 不断发展，能源消耗急剧增长，如何开发和利用海洋资源已经成为2 1 世纪世 界各国必须面对的课题。海洋是地球上蓝色的宝石，人们预言2 1 世纪的人类 将更多地依靠海洋资源，将更多地从海洋中获取食物、能源、矿石，从海洋 中探索地球的奥秘，从海洋的深处探索生物的起源。在迄今人们所熟知的各 种能量中，声波在海洋中有最佳的传播性能。 声波在水中的波长比较长，是目前唯一能够有效地在海洋中远距离传播 的辐射形式，被广泛应用于海底探测、海洋自然灾害预报、水下通信与遥控、 海洋导航、海洋生物保护及海洋军事等方面。声波所携带的信息，可以通过 海洋到达水声接收传感器或传感器阵，水声探测设备对传感器或传感器阵拾 取的声场信息进行处理，从而对目标的各种参数做出判决。 而低频信号在水下具有传播距离远、衰减慢、损失小的特点，它的应用 正获得越来越多的关注。另外，舰船、潜艇的辐射噪声中，低频成分非常显 著。因而，研究它们的辐射噪声中的低频分量对于目标识别和目标分类具有 重要意义。为了研究低频信号的水下传播特性，需要通过试验方法获得一定 量的低频水声信号的数据，所以，本文设计的一种水声信号数据采集系统， 正是基于这一理念之上。 1 1 2 课题的目的与意义 随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制 和科学研究中己成为必不可少的部分。数据采集经过几十年的发展，已经成 为一门很成熟的技术，它一般主要完成两部分的工作：一是信号的采样，主 要由采样保持电路完成；二是采样值的量化，主要由a d 变换器完成。现在 a d 的集成化很高，很多都内置了采样保持放大器和电压参考源等单元电 路，为应用的简化提供了方便。模拟信号经过前置放大器放大后进入采集系 1 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 统，先经过信号调理电路进行信号的放大、滤波、使信号的带宽限制在需要 的范围内，并使信号的幅度与a d 的量程相匹配。经过以上处理后，信号被 送入采样保持器进行采样，然后被模数转换器进行量化，量化后的数据被送 入存储器进行存储或者以供处理1 。 在不同的应用领域中，对数据采集与处理系统的功耗、便携性、成本等 方面有着不同的要求，就本文而言，将矢量水听器、单片机、s r a m 、c f 卡 以及无线通信等技术结合起来而构建的数据采集系统就是一套低功耗低成本 的潜标数据采集无线传输系统。 1 2 数据采集系统的历史与发展现状 数据采集系统，就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件作适当转 换后，再经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送入控制器 进行数据处理或存储记录的过程卜1 。 1 2 1 数据采集技术的国内外研究背景与现状 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代的军事应用，大约在6 0 年代后期， 关于数据采集设备成套的产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属 于专用的系统。 但随着微型机的发展，到了2 0 世纪7 0 年代中后期，诞生了以采集器同 计算机融为一体为代表的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良， 超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。 在不断发展过程中，数据采集系统逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系 统，另一类是工业现场数据采集系统。 到了2 0 世纪8 0 年代，随着计算机的普及应用，数据采集系统获得了空 前的发展，开始出现通用的数据采集与自动测试系统。该时期的数据采集系 统主要有两类，第一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。 例如：国际标准i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接e 1 总线系统就是一个典型的代表。这类系统 主要用于实验室。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，例如：s t d 总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接 口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现场应 2 哈尔滨t 程人学硕士学 _ f 7 ：论文 用较多。在这两种系统中，无论那种系统，如果采集测试任务需要改变，只 需将新的仪用电缆接入系统或者将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平 台的重建。至2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业 计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低， 体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在 军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制 造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统。数据采 集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数 据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增 加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新 的系统p 卅1 。 1 2 2 数据采集存储技术的发展现状 采集系统中的另一项关键技术就是数据的存储技术。目f j i ，采集系统中 所涉及到的存储介质主要有以下几种： 1 静念存储器 静态存储器( s r a m ) ，存储优点是：存取速度快，回放容易；缺点是： 需要电池保护数据，且容量相对较小，保存大量数据需要多片芯片的组合。 2 闪存存储器 闪存( f l a s h ) 存储器是利用闪存技术达到存储电子信息的存储器。其 发展迅速，容量不断增大，并且数据不需要电池保护，与硬盘相比以“电子 转动”取代了硬盘的机械转动方式，而且价格也日趋下降。现在各种体积小、 容量大、功耗低和价格便宜的f l a s h 存储器不断涌现，诸如c f 卡、 m i c r o d r i v e 、s d 卡及记忆棒等。 3 冗余磁盘阵列技术。 、 冗余磁盘阵列技术( r e d u n d a n ta r r a yo f i n d e p e n d e n td i s k ，r a i d ) ，即是 把多块独立的硬盘组合起来形成一个硬盘组，从而提供比单个硬盘更高的存 储性能。尽管这种大容量，高速的存储技术的优势非常明显。但是现有的 r a i d 技术产品都是基于p c i 总线的，不能脱离笨重的计算机，对于一些恶 哈尔滨一i ：程大学硕十学位论文 劣的环境，现场进行数据采集极其困难。 基于以上几项存储技术的优缺点，本文主要针对实验需求，转弊为利， 利用多种存储介质的组合来完成不同数据的存储要求。 1 3 论文的任务 1 3 1 系统的总体结构， 潜标数字采集存储系统，顾名思义，系统采集存储部分潜于水下，实现 水下声信号的采集与存储。系统主要由主站、从站浮标、从站潜标三部分组 成，其总体结构如图1 1 所示。 i ，一，j 从站潜标系统 图1 1 系统总体结构图 系统主站部分以船基或岸站为平台，由计算机显控软件和主站无线网桥 组成，是系统参数和命令的传送中心。从站包括从站浮标系统和从站潜标系 统。浮标系统密封于罐体，漂浮于水面，由无线网桥、串口设备联网服务器、 浮标控制板组成，是系统的中继单元，负责命令和数据的转发控制。潜标系 统密封于罐体，位于水下0 “0 米深处，由矢量水听器，模拟处理板，数字处 理板构成，是系统的采集存储单元。主站和从站之间距离采用无线网络通信 方式，从站潜标和从站浮标之间采用串行通信方式，传输介质为电缆。 1 3 2 系统的主要功能 系统是集数据采集，存储和传输于一体的多功能数据采集系统。信号采 4 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 集时，矢量水听器采集到的原始信号通过潜标模拟板和潜标数字处理板，经 过滤波、放大和a d 转换后，被送入主处理单元进行相应的处理，最后连同 实时时钟数据一起被存入存储器；数据上传时，潜标存储器内的数据经过浮 标系统转发到主站计算机内；计算机也可通过下传命令参数至浮标系统和潜 标系统，以实时控制和监测系统的工作状态；系统可工作在不同深度，取决 于浮标系统和潜标系统之间的电缆长度。 综上所述，系统主要实现以下几种功能： ( 1 ) 低频噪声信号采集 ( 2 ) 数据大容量存储 ( 3 ) 远距离可靠传输 ( 4 ) 多深度测量 1 3 3 系统的性能指标 。 通过潜标采集存储系统的总体结构和主要实现功能，可得出系统设计方 案主要包括硬件和软件两个部分。 1 硬件设计 潜标模拟处理板具有四路模拟处理通道，潜标数字处理板包括主处理单 元、模数转换单元、数据存储单元、数据传输单元、实时时钟单元。浮标控 制板包括浮标控制单元，串口设备服务器接口单元，d c d c 模块单元。 2 软件设计 软件设计包括主站软件和从站软件两部分。主站软件为系统显控应用程 序设计。从站潜标软件包括数据采集模块，数据存储模块，数据传输模块， 实时时钟读写模块。从站浮标软件包括浮标控制模块。 综上，根据系统工作具体需求，其设计的主要技术指标为： 工作时间长，可达数小时甚至数天连续不拆罐工作时间； 低频信号采样，关心信号频段范围在o 1 0 0 h z 之间； 远距离数据无丢失、无重复、无差错可靠传输，传输距离大于2 5 k m ； 数据传输速率在3 8 4 0 0 b i t s ； 数据存储容量大， 4 g b a d 转换精度，至少8 b i t ； 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 4 论文的主要工作 论文主要完成潜标采集系统的硬件设计和软件开发，包括芯片的选型、 电路模块设计、调试、显控平台实现。重点对潜标数字处理板和显控平台这 两部分所涉及的关键技术进行研究，具体包括以下几个方面。 1 根据国内外数据采集技术的发展现状，设计了一套水声数据采集系 统，设计总体结构，提出技术指标。 2 结合系统设计方案，简单介绍从站浮标系统结构与功能；详细阐述潜 标系统数字处理板的开发与设计过程，包括模数转换电路、数据存储电路、 数据传输电路、实时时钟电路等一系列模块电路。并且对其硬件和软件调试 过程中的所设计的关键技术和注意事项进行逐一剖析。 3 开发系统的显控平台应用程序，对实现过程中主要技术细节进行了详 尽的阐述，包括套接字编程技术、多线程并行处理技术、w i n d o w s 图像编程 技术以及双缓存绘图技术。 4 简要介绍了w i n d o w s 环境下直接读写磁盘扇区技术。 5 最后对显控平台的调试、系统性能测试情况和实验结果进行说明。 6 哈尔滨一t ：程大学硕十学位论文 第2 章系统硬件平台的设计与实现 由潜标系统的总体结构可知，硬件设计主要在从站部分。图2 1 为系统 从站的结构框图。从站包括从站浮标控制系统与从站潜标数字处理系统。浮 标控制系统是连接潜标数字处理系统和主站的桥梁，完成浮标状态的控制， 进行无线网络通信方式与串行通信方式的转换。潜标数字处理系统位于潜标 密封罐内，包括潜标模拟处理板和潜标数字处理板。潜标模拟处理板主要完 成对矢量水听器输出的原始信号进行放大、滤波等信号调理功能；潜标数字 处理板主要完成信号采集，数据存储与传输功能。本章将围绕整套硬件结构 逐一介绍，重点论述潜标数据采集板的主要构成与功能。 ， 从站浮标控制系统 从站潜标数孑处理系统 图2 1 从站结构框图 2 1 浮标控制系统 2 1 1 浮标控制板 浮标控制板主要包括以m s p 4 3 0 单片机为核心的值班电路、无线网桥接 口电路，串口设备联网服务器( n p o r t 5 4 3 0 ) 接口电路，d c d c 模块电路等。 其电路结构框图如图2 2 所示。 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 图2 2 浮标数字处理板结构框图 m s p 4 3 0 值班电路，顾名思义，是采用t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机为 主控单元的控制电路。m s p 4 3 0 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制 器，这种控制器被设计为可用电池工作，具有r i s c 结构，c p u 中的1 6 个寄 存器和常数发生器使该系列微控制器能达到最高的代码效率，灵活的时钟源 可以使器件达到最低的功率消耗。 浮标系统由两套电池组供电，m s p 4 3 0 值班电路一直处于工作状态，由5 节干电池串联7 5 v 输出单独供电。 串口设备联网服务器和无线网桥的供电情况依据其产品工作电压而定， 本系统中，串1 ：3 设备联网服务器采用n p o r t5 4 3 0 ，无线网桥设备采用b r e e z e n e t d s 1 1 ，两者的工作电压分别为1 2 v 和4 8 v 。考虑系统结构，选用l o 节干电 池串联供电，因此，引入d c d c 模块电路。 主站与浮标控制系统，潜标数字处理系统的通信链路是通过串口转网口 的接口设备和无线通信设备来实现的，通信方式采用串行通信与无线通信相 结合的通信方式：主站和从站之间采用无线通信的方式，浮标控制系统和潜 标数字处理系统之间采用串行通信方式。 串口转接设备和无线网桥的工作状态，可依据整套采集系统的工作情况 自由而定。但为了节省功耗，当系统处于闲置状态或者采集状态时，通过主 站发送定时休眠命令，利用浮标m s p 4 3 0 值班电路使串口设备联网服务器和 8 哈尔滨t 程人学硕+ 学位论文 无线网桥这种功耗比较大的设备处于掉电状态，当重新上电时，通信链路连 通。下面就简要介绍一下串口设备联网服务器和无线通信设备。 2 1 2 串口设备联网服务器 系统中，串行通信和无线通信之间的转换采用m o x a 公司的串口设备联 网服务器n p o r t5 4 3 0 ，该设备提供不仅可以方便地将串1 2 设备连接到以太网 进行双向的数据传输，还提供t c ps e r v e r 、t c pc l i e m 和u d p 接口模式，确 保与使用标准的网络a p i ( w i n s o c k ，b s ds o c k e t ) 的网络软件具备兼容性， 为后面介绍的显控软件套接字编程提供硬件基础。 该设备工作时的平均功率为3 5 w 左右。具备四个串行接口，一个用于 与浮标电子板通信，一个作为水下采集板的通信接口，其它两个备用。 n p o r t5 4 3 0 具有如下产品特性： 简单易用的串口设备联网服务器； 利用l c m ( l i q u i dc r y s t a lm o d u l e ) 接口可以很方便地设置i p 地址； 通用接口操作模式，包括t c ps e r v e r ，t c pc l i e n t 和u d p ； 利用视窗界面方便的进行集合安装； 支持1 0 1 0 0 m b p s 速率的以太网，并且自动检测网络速度进行匹配； n p o r t 5 4 3 0 具有四个两线制或者四线制的r s 4 8 5 串口； 自动流控制( a u t o m a t i cd a t ad i r e c t i o nc o n t r 0 1 ) 功能； 对所有的串口有1 5 k v 的过压保护； 以太网支持简单网络管理协议( s n m pm i b i i ) ： 异步串行通信速率为5 0 9 2 1 6 k b p s ； 电源电压为1 2 v 情况下，工作电流最大值为5 8 5 m a 。 2 1 3 无线网桥 网桥( b r i d g e ) 又叫桥接器，它是一种在链路层实现局域网互连的存储 转发设备。网桥有在不同网段之间再生信号的功能，它可以有效地联接两个 l a n ( 局域网) ，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段。 网桥通常用于联接数量不多的、同一类型的网段。 无线网桥，顾名思义，就是无线网络的桥接。它可在两个或多个网络之 9 哈尔滨l ：程大学硕十学位论文 间搭起通信的桥梁。其工作在2 4 g 或5 8 g 的免申请无线执照的频段，因而 比其它有线网络设备更方便部署。 系统中的无线通信设备采用的是a l v a r i o n 公司的高速无线网络产品 b r e e z e n e td s 1 l ，它包括基站单元( b u d s 1 1 ) 和远端网桥( r b d s 1 1 ) 。 该设备可高效、低成本地构建点对点以及点对多点的无线网络应用，是一种 利用直接序列扩频技术实现最大覆盖范围和性能的室内室外分体式架构无线 设备。直接序列扩频技术是实现楼宇快速稳定连接的理想技术，可向固定点 网络的宽带接入提供最佳服务。该设备工作在无须许可的2 4 g h z 的频段上， 再加上低成本布线、简单安装、快速可扩展性以及与现有以太网的无缝集成， 共同确保了成本效率的最大化；具备快速轻松安装特性和s n m p ( 简单网络 管理协议) 远程管理功能；具备杰出的安全特性，可防止黑客攻击，数据窃 听和恶意侵入。设备数据速率高达1 1 m b p s ，覆盖范围最远为5 0 k m ，完全满 足系统要求。该设备工作时的平均功率约为9 w 。 其产品特性如下： 室内室外单元架构确保了前所未有的覆盖范围和可靠性； 工作电流为2 0 0 m a ； 数据速率高达11 m b p s ； 覆盖范围最远为5 0 k m ； 最高的灵敏度； 与任何标准以太网交换机及路由器兼容； 完备的l e d 指示灯诊断，带有可显示1 0 个l e d 的r s s i 显示条， 轻松实现天线校准； 内置远程诊断程序，使维护任务和成本降至最低； 符合i e e e8 0 2 1 l b ，i e e e8 0 2 3 及w i f i 标准； 利用i e e e8 0 2 1 l 标准中对定的r c 4 加密算法实现有线等效保密”。 2 2 潜标数字处理系统 潜标数字处理系统的硬件设计主要为潜标数字处理板。其按照硬件电路 功能划分，主要包括主控制电路、a d c 信号采集电路、s r a m 和c f 卡数据 存储电路、r s 4 8 5 双线串行通信电路、实时时钟电路、和电源接口电路等。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 以a v r 单片机为核心的工作电路通过电缆连接到浮标n p o r t5 4 3 0 的串1 2 12 上，潜标数字处理板的结构框图如图2 3 所示。 图2 3 潜标数字处理板结构框图 2 2 1 主控制电路设计 主控制电路采用增强型内置f l a s h 的精简指令集c p u 高速8 位单片机的 高档产品a t m a g e 2 5 6 1 。a t m e g a 2 5 6 0 系列单片机是a t m e l 公司最新设计的 基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器，于2 0 0 5 年推出产品。 该系列单片机具有先进的指令集和单周期指令执行时间，其数据吞吐率高达 l m i p s m h z ，缓减了系统在功耗和处理速度之间的矛盾，其内核结构方框图 卅如图2 4 所示。主要技术指标如下： 1 3 3 条功能强大的指令集合，绝大部分指令可在单时钟周期内执行完 成； 片内含有只需两个时钟周期便可完成运算的硬件乘法器； 2 5 6 k 字节在系统内可编程f l a s h 存储器，其寿命可达10 0 0 0 次刷写 周期； 拥有寿命可达1 0 0 0 0 次刷写周期的4 k 字节e e p r o m ； 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 萱；i t r o t i i ；i i 置昌宣i 置暑暑暑宣宣葺暑i i 置置暑置；i i 昌i i 暑萱；i i ；i i i 暑i i i 暑暑置暑暑j 暑置皇i 宣暑宣i i i i i i i 宣宣暑暑暑 集成8 k 字节的内部r a m ，可支持6 4 k 字节的优化的外部存储器空 间： 2 个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器； 4 个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器； 4 路1 0 位a d c ； 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器； 2 个可编程的u s a i 玎； 6 种休眠模式。 图2 4 a v r 内核结构的方框图 2 2 2 模数转换电路设计 模数转换电路采用的模数转换器是美国a d i 公司的a d 7 8 5 9 ，它是一款 高速度、低功耗、8 通道、1 2 b i t 的a d 转换器，采用3 v 5 v 单电源供电。该 器件具有自校验或系统校验功能，可确保在时间和温度变化时能够准确地转 1 2 哈尔滨1 ：稃人学硕十学位论文 换。a d 7 8 5 9 具有最高2 0 0 k s p s 的采样率，输入电压范围：单端输入时为 o v i 岍，差分输入则为士v 击2 。设计中，参考电压选择外部参考电压源5 v 。 c m o s 结构保证a d 7 8 5 9 在正常模式下功耗为5 4 m w ，在低功率模式下仅有 3 6 p w 。 a d 7 8 5 9 具有如下主要特点： 3 v 或5 v 电源供电，应用电源管理选项，在转换完成后自动转为低 功耗模式； 两种参考电源模式：内部参考电压源和外部参考电压源。采用外部 参考电压源时，电压范围为1 2 v v 品( 供电电压) ； 自校验和系统校验； 8 位1 6 位数据并行接口( 系统要求并行接口为8 位并行接口) 1 1 6 1 1 1 7 1 。 矗v 丘o m d d e 缛一o 卷靠# 移0 0 w r啪 图2 5a d 7 8 5 9 内部功能模块图刈 图2 5 是芯片内部功能模块图。设计中，设备的主时钟信号c l k i n 设定 为4 m h z ，采用外部参考电压源。a v d d 、d v 品上电后，第一个c o n v s t 脉 冲触发b u s y 为高，b u s y 信号在高电平期间，c o n v s t 信号不起作用，3 2 m s 后，b u s y 变低。下个c o n v s t 脉冲触发启动完整的自校验，并再一次触 发b u s y 为高，校验时间需要3 2 7 2 m s 。上电自校验时序如图2 6 所示“。 下 慰 t 胤 下| l 粼 晰 胤 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ， t l t n l 嘲, , c t 妒曰蚴 a u t o m a t i c c a u b r , ：? i o n 0 u 氛矗n 0 蛙 图2 6 a d 7 8 5 9 上电自动校验时序图 校验完成后，在随后的c o n v s t 脉冲上升沿，片上跟踪保持器从跟踪 模式转换为保持模式，紧接着c o n v s t 之后的c l k i n 信号下降沿启动a d 转换。倘若c o n v s t 脉冲的上升沿在c l k i n 信号的下降沿1 0 n s 之前发生， 从c l k i n 下降沿丌始经过1 6 5 个时钟周期即可完成转换。如果在c l k i n 下 降沿之前，c o n v s t 没有达到1 0 n s 的建立时间，转换则需要1 7 5 个时钟周 期。转换完成后，b u s y 信号变低，转换结果可通过数据总线输出。在转换 期间或距离下一次c o n v s t 脉冲时间未达到2 0 0 n s 时，禁止读写操作。图2 7 为其典型电路连接图“。 黼o p t i o 撇n a 。l f e r 尉w c e 囱 拜 l “三! ：二 等。雄9 慨翩舭祭 图2 7 a d 7 8 5 9 典型电路连接图 2 2 3 数据存储电路设计 采集存储系统的数据存储技术采用静态存储器和c f 卡相结合的电路存 1 4 瓣 愀 矗：豁 豁 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 储结构。由于静态存储器的存储容量较小，且存取速度较快，对于小量原始 数据，利用静态存储电路作为暂时数据的缓存，有利于数据的实时处理。在 系统调试阶段和系统海洋测试初期，静态存储器中的数据可即时传送到主站。 而在海洋中长时间工作时，系统会把实验数据、数据实时分析处理后的结果 连同采集发生的时间一起存储在c f 卡中，由于c f 卡不需要电池来维持其中 存储数据的优点，所以，对于整个试验过程采集的原始数据和数据处理结果 的保存具有重要意义。 2 3 3 1s r a m 静态存储器电路 b s 6 2 l v 4 0 0 1s i 7 0 是一款高性能，低功耗的c m o s 静态随机存储器，存 储空间大小为5 1 2 k 字节。其主要特征如下： 2 4 v 5 5 v 的电源供电； 低功耗，最大工作电流5 0 m a ，1 5 u a 的旁路电流； 高速存取，v c c = 3 0 v 时，最大的存取时间为7 0 n s ： 未片选时的自动掉电功能； 支持完全静态操作模式； 最低1 5 v 的数据保持电压。 a v r s r a m d 【7 ：o 】 a d 7 ：0 g 似 d 灿 q 卜n a 【7 ：o 】 a l eg l a 1 4 ：8 八 v a 1 4 ：8 】 r d r d w r rw r p f 3 ：0 入 。 y a 1 8 ：1 5 】 图2 8 a v r 与s r a m 的连接原理图 图2 8 是a v r 与s r a m 的电路连接原理图，在电路设计中，单路a d 采 样频率为7 6 8 h z ，四路信号采样，由于信号处理需要，数据定量，所以2 片 b s 6 2 l v 4 0 0 1 s i 7 0 即可满足实验原始数据存储所需大小的要求。8 位a v r 单 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 片机外部扩展存储器正常情况下可寻址范围为6 4 k ，本采集板中， b s 6 2 l v 4 0 0 1 s i 7 0 为5 1 2 k 字节大小，对于a v r 单片机来说，访问大于6 4 k 的r a m 则属于非正常外部扩展，很显然，这样的扩展方式需要使用其他i o 线作为页选信号才能使用。所以在电路设计中，地址线的低1 5 位作为寻址线 使用( 可访问3 2 k 地址) ，高4 位由单片机i o 管脚p f 3 p f 0 控制，作为页 选信号使用，通过不同的排列组合可分别对5 1 2 k 地址中的1 6 个3 2 k 地址进 行寻址访问。关于外部扩展s r a m 的寻址问题在此仅作简要说明，后续章节 会有详细阐述。 2 3 3 2c f 卡存储电路 系统的存储电路在优化过程中，基于对数据存储的要求，增加了c f 卡 存储电路。c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡，即标准闪存卡，是一种用于便携式电子 设备的数据存储设备。c f 卡由控制器和f l a s h 存储体结合在一起构成，其 内部结构如图2 9 所示1 9 1 ： 图2 9c f 卡内部结构图 c f 卡特点很突出： 体积小，重量轻，容量大，速度快。 c f 卡重量只有1 4 9 ，仅纸板火柴般大小( 4 3 m m x 3 6 m m x 3 3 m m ( i i 型为 5 m m ) ) ，但其存储容量已经发展到6 4 g 以上，具有较快的传输速率( s a n d i s k e x t r e m ei i i 型c f 卡的写入速度和读取速度可达2 0 m b s ) 。 兼容性好。 c f 卡具有p c m c i a a t a 功能，并与之兼容，而且通过a t a a 1 盼p i - 4 兼 1 6 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 容t r u e l d e 协议。c f 卡的兼容性还表现在它把存贮模块与控制器结合在一 起，这样使用c f 卡的外部设备就可以做得比较简单，而且无论采用多大容 量的闪存芯片组，其外部接口都是标准的a t a i d e 接口，不用担心兼容性问 题，特别是c f 卡升级换代时也可以保证旧设备的兼容性。 稳定性好。 c f 卡采用闪存( f l a s h ) 技术，闪存型存储设备具有非易失性和固态， 也就是工作时没有运动部件，极少出现机械故障，是一种稳定的存储解决方 案。c f 卡不需要电池来维持其中存储的数据。对所保存的数据来说，c f 卡 比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高，比传统的磁盘驱动器及i i i 型p c 卡的可靠性高5 到l o 倍。 功耗低，工作环境适应性强。 c f 卡同时支持3 3 伏和5 伏的电压，任何一张c f 卡都可以在这两种电 压下工作，这使得它具有广阔的使用范围。工作电流为3 4 m a ，睡眠时仅为 5 0 0 9 a ，耗电量仅相当于磁盘驱动器的5 。闪存型c f 卡可以适应极端的温 度变化，工业标准的闪存卡可以在4 5 ，至8 5 摄氏度的范围内工作。 2 3 3 3c f 卡的访问方式和数据传输模式 c f 卡有5 0 根引脚，有三种访问方式，分别是：p cc a r dm e m o r y 模式， p cc a r di o 模式，t r u ei d e 模式。本系统中采用t r u ei d e 模式，这和i d e 接口硬盘的访问方式一样，都遵循a t a ( a ta t t a c h m e n t ，a t 总线接口) 标 准。c f 卡按照标准i d e 模式访问时，只有4 0 根信号线起作用。其他信号线 按要求接电源( 地) 或者接上拉( 下拉) 电阻。通过i d e 接口的数据传输主 要有两种操作模式：p i o ( p r o g r a m m a b l ei o ) 模式和d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s ) 模式。p i o 模式必须由c p u 来控制整个数据的传输过程，每一次 操作都必须分别进行编程。而d m a 模式则不需要c p u 来控制数据传输，它 是由主处理单元中的d m a 控制器来管理。在本系统中，采用p i o 模式，即 c f 卡在每一次读写操作都在外部干预下进行。 1 7 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 卜 a d 7 0d 7 d 0g n d j l 卜 a t a s e l p d 6 4a 0 2 a o o 月唿c f 5 1 l ，pg3 c s ow e p g 4 a 豇 v c c r d i o r d k t u l 盼r丽丽 悱叭 l e d 图2 1 0 a v r 单片机与c f 卡的连接原理图 图2 1 0 为a v r 单片机与c f 卡的接口原理图。从图中可以知道，c f 卡 的引脚c s 0 、c s l 用作片选信号，与单片机的i o 管脚p g 3 、p g 4 相连。单 片机的i o 管脚p d 6 , 。p d 4 分别与寄存器地址信号管脚a 0 2 a 0 0 相连，通对 寄存器地址信号a 0 2 、a 0 1 、a 0 0 可寻址某一个具体的寄存器。引脚d 0 0 d 0 7 用作数据线，l o r d 、i o w r 分别和单片机的读写引脚相连，通过主机发送 读写信号来读写c f 卡。 由于c f 卡存储电路设计是本系统完善过程中的扩展功能，由于时间关 系，这部分内容并未深入研究，本章节仅仅对访问c f 卡的基本原理进行了 简要的说明。 2 2 4 数据传输电路设计 相对于r s 一2 3 2 串行接口，r s 4 8 5 具有数据传输速率高，最大传输距离 远，抗噪声干扰性好等优点，潜标数字处理系统与浮标控制系统之间采用 r s 4 8 5 ( 双线) 异步串口实现通信。 r s 4 8 5 采用差分信号负逻辑，两线间的电压差为+ 2 + 6 v 之间表示逻辑 “0 ”，两线问的电压差为6 v - 2 v 表示逻辑“1 。芯片采用m a x i m 公司的 m a x 4 8 7 e s a 通信芯片。该芯片4 7 5 5 2 5 v 供电，半双工模式，最大数据传 输率可达2 5 0 k b p s ，具有士1 5 k v 的过压保护功能。其连接结构图如图2 1 1 所 1 8 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 觞l 三 露匝 饯汪 船阿 卅h l x i 朋 广1是弘，0 i ；f l = ：e w 摊弱f lj 一觚酊；舒f l = 捌+ i s 革 毪f 凇x s j ? 8e 五匿= d 弧i ! ! 黛口。z 。lz 五。，譬黔_ 图2 1 1m a x 4 8 7 连接结构图 ， 在系统传输过程中，为了保证数据无差错，无丢失可靠传输，串口联网 设备n p o r t5 4 3 0 要配置成双线r s 一4 8 5 模式；停止位、校验位、数据位等要 和电路传输接口