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大连理1 ：人学硕士学位论文 摘要 多年来，测量不稳定流和受潮汐影响的流量一直是水文工作者面临的难题。随着 a d c p ( a c o u s t i cd o p p l e rc u r r c n tp r o f i l e r s ) 声学多普勒流速剖面仪的出现，使得更准确的 测量不稳定流和受潮汐影响的流量测验系统成为可能。a d c p 系统还不是“成品”，向 实时动态、高速度、长期可存储、远程监控和网络化方向发展。嵌入式系统的快速发展 为满足a d c p 系统的要求提供了可能。本系统就是在对a d c p 的需求和嵌入式发展现 状进行认真分析研究后，在o m a p ( o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o np l a n t ) 开放式多媒体应用 平台基础上设计实现的a d c p 测量系统。系统采用基于o m a p 5 9 1 2 双核处理器( a r m + d s p ) 的o s k 5 9 1 2 开发工具和超声波传感器信号电路组成具有网络、存储接口和高速度、 高处理能力的流速剖面测量系统。 论文详细介绍了流速剖面测量系统的硬件设计和软件开发。硬件设计包括四部分： 一是信号发射模块，包括信号产生电路和信号放大功率输出电路；二是信号接收模块， 包括信号放大运算电路和信号a d 模数转换电路；三是基于0 m a p 5 9 1 2 双核处理器的 o s k 5 9 1 2 开发板，提供网络接口、u s b 接口、c f 卡接口、串口和与传感器信号板连接 的并口接口，传感器信号板通过并口将数据送入o m a p 5 9 1 2 的d s p 处理器进行实时处 理；四是可选配的人机界面专用键盘显示器。软件开发包括嵌入式系统应用程序开发、 p c 端存储显示控制程序开发和人机界面专用键盘显示器程序开发。嵌入式应用程序包 括a r m 端g p p ( g e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o r ) 客户应用程序和d s p 程序，g p p 客户应用程 序运行于l i n u x 操作系统下，完成与d s p 通信、网络化、存储及人机交互等功能；d s p 程序运行于d s p b 1 0 s 下，完成从信号板取得数据、滤波、f f t 处理，并将数据传送给 g p p ；g p p 客户应用程序和d s p 程序的通信依赖于通信模块d s p b i o s 桥，g p p 应用程 序通过调用d s p b i o s t ml i n k a p i 函数来管理d s p 资源和实现与d s p 通信，d s p 程序 通过d s p b i o s 标准a p i 与g p p 通信。 本文最后对系统在盲区距离、水深单元长度和精度等方面达到的指标和网络、存储 等功能进行了分析，并指出了系统需要扩展的方向。 关键词：窄带a d c p ；o m a p ；f f t 大连理工大学硕士学位论文 t h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa d c ps y s t e mb a s e d o n d u a l c o r ep r o c e s s o r a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to fu n s t e a d yo rt i d a l l ya f f e c t e df l o wh a sb e e nap r o b l e mf a c e db y h y d r o l o g i s t sf o rm a n yy e a r s t h ea d v e n to ft h ea c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r ( a d c p ) m a d ep o s s i b l et h ed e v e l o p m e n to fad i s c h a r g e m e a s u r e m e n ts y s t e mc a p a b l eo fm o r e a c c u r a t e l ym e a s u r i n gu n s t e a d yo rt i d a l l ya f f e c t e df l o w a d c ps y s t e m sa r en o ty e t “t u r n k e y ”； t h e ya r es t i l lu n d e rd e v e l o p m e n tw h i c ht o w a r d s r e a lt i m ef u n c t i o n ，d y n a m i c ，h i g hs p e e d ，l o n g t i m es t o r a g e ，l o n gd i s t a n c em o n i t o ra n dn e t w o r k t h eq u i c kd e v e l o p m e n to fe m b e d d e d s y s t e mm a k e i ti sp o s s i b l et os a t i s f yt h en e e do fa d c p s y s t e m b ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n g t oa c t u a lc o n d i t i o no fa d c ps y s t e ma n de m b e d d e ds y s t e m ，t h ec u r r e n tp r o f i l e r sp o s i t i o n d e t e c t o rs y s t e mb a s e do no m a p ( o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o np l a n t ) a n da d c p ( a c o u s t i c d o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r s ) i nt h i sp a p e r , i sd e s i g n e da n dr e a l i z e du n d e rt h ea c t u a lp r o j e c t d e m a n d s b e s i d e sg e n e r a lh i g hp r e c i s i o n ，i th a sn e t ，s t o r a g e ，d y n a m i c ，r e a l t i m ef u n c t i o n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nh a v eb e e np a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r h a r d w a r ed e s i g nc o m p r i s e st h r e ep a r t s ：s i g n a lt r a n s m i tm o d u l e ，s i g n a lr e c e i v em o d u l e ， o s k 5 9 1 2a n ds p e c i a ld i s p l a yk e y b o a r d s i g n a lt r a n s m i tm o d u l ei n c l u d e ss i g n a la m p l t r yf i l t e r c f f e u i ta n di g n a lp o w e ra m p l i f yc i r c u i t s i g n a lr e c e i v em o d u l ei n c l u d ea m p l i f yc i r c u i ta n da d t r a n s i t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t 0 s k 5 9 1 2o u t f i t sw i t hn e t w o r k ，u s b ，s e r i a lp o r t ，c fc a r di n t e r f a c e a n dp a r a l l e lp o r ti ni n t e r f a c ew i t hs i g n a lr e c e i v em o d u l e s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sc o n s i s t e d o fe m b e d d e da p p l i c a t i o np r o g r a m ，p cs i d ep r o g r a ma n ds p e c i a ld i s p l a yk e y b o a r dp r o g r a m t h ee m b e d d e da p p l i c a t i o np r o g r a mi n c l u d e sa r ms i d eg p p ( g e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o r ) p r o g r a mb a s e do nl i n u xa n dd s ps i d ep r o g r a mb a s e do nd s p b i o s ，c o m m u n i c a t i n gw i t h e a c ho t h e rb yd s p b i o sb r i d g e g p pp r o g r a mp e r f o r m sc o m m u n i c a t i n gw i t hd s p ，s t o r i n g d a t a , n e tt r a n s m i s s i o n ，a l t e r n a t i o nw i t hu s e r d s pp r o g r a mp e r f o r m sr e c l a i m i n gd a t af r o m p a r a l l e lp o r t ，f i rf i l t e r , f f ta n dc o m m u n i c a t i n gw i t hg p p a tt h ee n do fp a p e r , w eg i v et h ea n a l y s i so ft h i ss y s t e mi n ：b l a n k i n gd i s t a n c e ，b i ns i z e ， p r e c i s i o n ，s y s t e mf u n c t i o ns u c ha ss t o r a g e ，n e t w o r k a n dw h a ts h o u l db ed o n ei nf u t u r ea b o u t t h es y s t e m k e yw o r d s ：n a r r o w b a n da d c p ；o m a p ；f f t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导7 i 币t n 导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：兰二= j 塾日期：型竺兰： 三：厶多 l 大近理r 人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理j 大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名罐 2 州g 年l 上月铝丝型鱼年鲨月丝同 盟 大连理= 大学硕士学位论文 1 绪论 超声波在流动的流体中传播时，可以载上流体流速的信息。因此，通过接收穿过流 体的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。一般地说，超声波流量计是测 量体积流量值的。超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和积算系统三部 分组成。超声波换能器将电能转换为超声波能量，将其发射并穿过被测流体，接收器接 收到超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号，供显示积算仪显示和积 算，这样就实现了流量的检测显示。 超声流量计是2 0 世纪8 0 年代随着i c ( 集成电路) 技术迅速发展才开始得到实际应用 的一种非接触式仪表，在原理上，它可用两种方法进行测量：多普勒效应方法和时差测 量方法i ”。其中时差法测量方法在工业界应用已有3 0 年历史，它主要应用于管道中的流 体流速测量，对于明渠的不稳定流和受潮汐影响的流量的测量很不适用。而多普勒效应 方法的应用一直处于发展阶段，伴随着嵌入式技术的迅猛发展，已经形成了一些产品。 因此应用先进的嵌入式技术开发实用的基于多普勒效应的流速测量系统具有十分重要 的现实意义。 本章首先介绍超声波法现在国内外的研究现状，提出需要解决的问题；最后就本文 所要研究的问题和论文组织进行阐述。 1 1 国内外研究现状 对于测量不稳定流和受潮汐影响的流量传统采用垂线测流法，精度比较低，a d c p 具有连续采集相对于河床底部的水流速度剖面分布数据和a d c p 运动速度( 相对于船速) 数据的独特能力，采用流速向量积测量流量，使它成为了一种先进的、集成的测流方法， 这种方法在测量精度和测量速度上都有了很大的提高。 多普勒测速的想法起源于6 0 年代初期，美国的迈阿密大学海洋实验室的f f k o c z y ， m k r o n e n g o l d 等人和a i r p a x 电子公司的w v l a s a k 等人进行合作研列2 1 ，从6 0 年代初期到 7 0 年代中期，经过十几年的努力，多普勒测流设备虽然没有走出实验室，但是越来越多 的科学工作者开始认可这种测流方式。1 9 7 6 年，美国的a m e t e k 公司开始重视多普勒测流 技术的市场潜力，并开始在原有多普勒速度计的基础上，进行a d c p 的研究。他们与 l r e i g e r 和r p i n k e i 两位海洋学家合作，着手研究友好易用的多普勒测流设备，这就是后 来的d c p 一4 4 0 0 多普勒剖面测量仪，这是世界上第一台具有商业性质的多普勒剖面测量仪 1 3 1 。这个项目的主要研究人员之一f d r o w e ，在1 9 8 1 年创办了业界熟知的r d i 公司，自 此a d c p 进入了商业化运作阶段，也从此走向成熟。美国联邦地质调查局的购买r d i 公 基于双核处理器的a d c p 系统研制与开发 司生产的窄带a d c p ，开发a d c p 测流系统，这套系统是成功的，但是由于最小深度的 限制，仅能用于深度大于3 4 m 河流或河口地区。此后，又出现了宽带a d c p ，主要应用 在浅水测量，r d i 公司现在已经成为业界的主导企业。 目前，r d i 公司的窄带和宽带a d c p 系统是市场上的主流产品，比如“瑞江”牌河 流a d c p 是第三代多普勒河流流量测量系统，同时s o n t c k 、i s c o 公司、日本古野株式 会社、法国的t h o m s o n 公司、挪威的安德拉仪器公司等也都相继推出自己的a d c p 产品1 4 l ，这些产品的测量精度大部分达到5 ，好的能达到1 。最大剖面深度能达到几 十米，这些产品大部分都是基于宽带a d c p 原理的产品t 5 1 。而目前国内，还没有商用的 同类产品，大部分都还处于研究开发阶段，比如国家海洋技术中心，与国外有一定的差 距。 虽说国外产品在精度、范围和速度方面有了一定的提高，但是随着经济的发展，对 于河流、工业排水、农业灌溉用水和城市地下水道排水的流速流量提出了更高的测量要 求，要求能够提供比较高的后期计算和数据存储能力，同时伴随现代社会网络的普及和 应用，设备的网络化和智能化也成为了a d c p 发展的大方向。 显然目前国内外已经应用的产品无法满足这些新要求，而嵌入式技术的快速发展， 为满足这些要求提供了可能，应该采用嵌入式系统来开发具备这些功能的新设备。 1 2 本文内容和结构 本课题的研究来源于实际的工程项目，是为大连基康公司研制开发的面向不稳定流 和受潮汐影响的流量的a d c p 测量系统，系统通过o m a p 的d s p 核强大的处理能力对 数据信号进行滤波和f f t 交换，通过a r m 核的控制接口提供串口输出、网络化、远程 监控和长时间大容量存储功能，满足了上面提出的新要求，同时系统最大采样率可达 1 2 m b p s ，测量精度达到5 ，盲区距离达到0 3 m ，基本达到国外同类产品标准，系统还 提供了人机界面显示控制器和p c 端应用程序。系统的研制开发包括硬件设计、软件开 发和安装运行。 本文的结构如下： 第一章是绪论，介绍了a d c p 测量系统的背景和发展现状，提出了本文研究的问题。 第二章介绍了系统总体设计，简要介绍了a d c p n 量原理和嵌入式系统。系统设计 包括硬件设计和软件开发。硬件方面详细介绍了a d c p 信号板、o s l 西9 1 2 开发主板、人 机界面专用键盘显示器板的设计，软件方面简单介绍了o m a p 嵌入式系统应用程序，详 细介绍了专用键盘显示器人机界面程序、p c 端存储显示控制程序。 大连理工大学硕士学位论文 第三章介绍了嵌入式系统应用的定制和实现，包括支持网络、u s b 、c f 卡的l i n u x 内核配置，l i n u x 内核编译和装载，应用程序编译、装载和运行。 第四章详细介绍t o m a p 嵌入式系统应用程序开发，包括基于d s p b i o s 桥的o m a p 软件结构、g p p 客户应用程序开发、d s p 算法实现及应用程序开发。 第五章列出了系统达到的技术和功能指标，并进行了分析。 最后总结了论文中讨论的内容并指出了系统需要扩展的功能。 基于双核处理器的a d c p 系统研制与开发 2 系统总体设计与实现 2 1 系统的总体设计分析 2 1 1 声学法速度测量的基本原理分析 ( 1 ) 声学基础 1 9 世纪时德国科学家克拉尼通过实验验证2 0 k h z 是人耳能听到声波频率的上限。 而后，人们把超过人听觉范围( 2 0 k h z 以上) 的声波称为超声波。 超声波有2 个重要的性能。第一是定向性。因为超声波频率很高和波长很短，所以 它可以像光波那样沿直线传播，而不像频率较低的声波要绕物体前进。第二是超声波能 在气体、液体和固体中传播。在不同的物质中超声波的传播速度各不相同。超声波在介 质中传播的速度为c ，例如在水中的传播速度为1 4 8 0 r i g s 。 在测量流体时，为了使超声波在传播中减少阻尼，通常超声波对气体介质测量采用 的频率数量级是1 0 0 k h z ；对液体介质测量采用频率数量级是1 m h z ；对小口径管道液体 介质测量采用频率数量级是2 m h z 。商业a d c p 所用的最低频率在3 0 k i - i z 附近，被 u s e s ( 美国联邦地质调查局) 用于河流测量所使用的频率范围通常在3 0 0 3 0 0 0 k h z 之间。 在我们的测量系统中，我们选择使用6 0 3 k h z 附近的超声波频率。 ( 2 ) 超声波多普勒测量原理 a d c p 测量水速是使用多普勒原理，多普勒原理把观测源的频率变化同观测源和观 测者的相对速度相关联在一起。最能描述多普勒原理的方法是用水波作比拟。首先当静 止观测者观看水波以每秒1 个波长的速度运动，这个速度相当于传输频率为1 t - 1 2 ：。然后 当观测者以每秒4 个波长的速度向波浪源点划船，由于波浪以每秒1 个波长的速度在运 动，观测者看到的是自己的船以每秒5 个波长的速度在前进。虽然波浪源仍然正在以1 h z 发送波浪，但是他感觉到的波浪速度是5 h z 。这种效应成为多普勒效应。 当汽车经过观测者并远去时，车喇叭的声音频率似乎在降低，这种很明显的频率降 低就被称为多普勒频移。车是一移动声波波源，因此，当车驶近观测者的时候，冲击观 测者耳膜声音的频率同汽车的速度( 用波长每秒表示) 加汽车喇叭的呜叫频率( 用h z 表示) 成比例。当汽车离观测者远去时冲击观测者耳膜声音的频率同汽车喇叭的鸣叫频率减汽 车的速度成比例。如果知道频率源的准确值且能够计算测到的频率，那么就能用公式( 2 1 ) 计算观测者和观测源之间的相对运动速度所引起的多普勒频移1 6 】。 f d fs b l ( 2 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 其中：r ：多普勒频移频率，h z 只：一个静止声源的传播频率，h z v：在声源和声音接收者之间的相对速度，m s c：声速，m s 由公式2 1 得出： 如果观测者和观测源之间移近速度较快( y 增大) ，那么多普勒频移( f o ) 增大； 如果观测者走离声源( y 是负值) ，则多普勒频移( f d ) 是负的； 如果声音频率增大( b ) ，那么多普勒频移( ) 增大； 如果声速( c ) 增大，那么多普勒频移( f d ) 减少； a d c p 通过细小的泥沙颗粒和其他物体对发射的超声波的反射来应用多普勒原理， 这些物质( 统称为反射物) 在一定程度上存在于看上去是清澈的水体中。当然不排除例外， 在浅水池和一些自然河流中，由于反射物的密度太低，a d c p 就不适用。a d c p 发送一 个声波或者脉冲进入水体，然后收听水中反射物的回波，依据回波，a d c p 的内部信号 处理单元用一种自相关的模型计算多普勒频移。发射声波脉冲和因而发生的发射声波能 量概略如图2 1 。在图中可以注意到，只有非常小的声波能量被发射回换能器，大部分 的声波能量被吸收或者是被发射到其他方向。 国一 发射 发射的一罐髂冲 接收 短射舯声谶艟鹫 - 辨 - ：j 回一咖霉睁 8 图2 1 一个声波脉冲被反射情况图 哲 基于双核处理器的a d c p 系统研制与开发 当反射体离a d c p 而去时，超声波频率移到较低的频率。这种频移同a d c p 与反 射体之间的相对速度成比例。部分多普勒频移的超声波反射到a d c p ，就像反射体是超 声波源一样，超声波频移一次后，又再次频移。过程如图2 2 所示。 黔静 逗破牟拙脒| 申瘟曲扳甜辑罄 衅争 黎一巍拳謦勒额穆l 被菠日i 翱齄 箍1 ) 留堋蚴争 簿一次参棼耪鞭移l 拨换艇器i 蠡知) 图2 2 被反射超声波显示的两次多普勒频移 f i g 2 2r e f l e c t e dp u l s es h o w i n gt w od o p p l e rs h i f t s 当超声波在水中的传播速度为c ，当a d c p 通过换能器以角度口( 超声波与水流速度 方向的夹角) 和频率五向流动的液体发射超声波。该超声波在传播过程中碰到在超声波 场中以速度，运动的粒子。频率为 的发射波波长是 a l = c ，l( 2 2 ) 由于粒子以v 。速度运动，以运动粒子作为参考系，接收从换能器发出的超声波波长为 a pt ( c l ，p c o s 日) 厂1( 2 3 ) 在以换能器为参考系，得到从粒子上发射的超声波，它的波长变化为 九- ( c 一2 c o s o ) f ：( 2 4 ) 对此得出 ，2t = _ l (25)2 “ a 2c 一v 口c o s 0 、 曰燃曰 大连理工大学硕士学位论文 由于 c ，得到的频率差为 ，2 一，1 = ，= 笨一三华 q 回 此频率差与粒子运动的速度呈线性关系。所以可通过测量v 得到流速 v ，2 南 ( 2 7 ) 由此可知只要知道多普勒频移，就可以根据公式2 7 求出结果求出流速川。 多普勒频移能描述为由于反射物的运动造成的接收到的反射信号的频率变化，也能 描述为两个连续且独立的反射信号的相位差。由此产生两种技术：窄带a d c p 和宽带 a d c p 。 窄带a d c p 在测量时，每一个波束一次只发射一个脉冲入水来测量，而且在接收周 期中必须处理计算多普勒频移，频率确定方法通常是采用自相关技术。 宽带a d c p 在一次测量中使用两个或者更多个相干声学脉冲即脉冲相关法。频率确 定方法通常是测量发射和发射脉冲队相位差的方法来确定多普勒频移1 8 】。 给定的工作频率和水深单元，窄带a d c p 的单脉冲随机误差比宽带a d c p 大得多， 然而，宽带a d c p 对信号的处理要求比窄带高很多，也显著地降低了脉冲发射频次。窄 带a d c t 脉冲发射频率可以高达1 0 次s ，而宽带a d c p 的最大发射频次只有每秒不到3 次。表2 1 是这些影响因素下的比较结果( 声束角为3 0 4 ) 。 表2 1 窄带和宽带单频标准差比较 t a b 2 1c o m p a r i s o no f n a r r o w - b a n da n db r o a d - b a n ds i n g l e - p i n gs t a n d a r dd e v i a t i o n 如果采取适当的措施来提高窄带a d c p 的脉冲发射频次，降低窄带a d c p 的浅水 测量水深单元长度，对于流量测量，两者系统都可以到达同等精度。因为，对于加大脉 基于双核处理器的a i ) c 3 。系统研制与开发 冲能量、给定工作频率的窄带a d c p 系统比宽带a d c p 系统适用范围更大，同时有更 稳健的底跟踪能力。 ( 3 ) 超声波传感器原理 超声波传感器是将声信号转换成电信号的声电转换装置，又称为超声波换能器，它 是利用超声波产生、传播及接收的物理特性工作的。它是a d c i 测量系统的一个重要组 成部分。它的结构形式和材料性能是很重要的，换能器直接影响测量的准确度。按其工 作原理可分为压电式、磁滞伸缩式、电磁式等，其中一般压电式陶瓷在实际使用中最常 见。 压电陶瓷是人工合成的多晶体压电材料，它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际 上是自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排列的，如图2 3 的1 ) 所示例。在 无外电场作用时，各电畴的极化效应相互抵消，因此不具有压电效应。只有在一定的温 度和强电场作用下，晶体产生极化后才具有压电效应。这是因为压电陶瓷内部的电畴的 极化方向在外电场作用下都趋向于电场方向，如图2 3 的2 ) 所示。通常将压电陶瓷的极 化方向定义为z 轴，在垂直于z 轴的平面上的任何直线都可以取作x 轴或y 轴。对于 x 轴和y 轴，其压电特性是等效的。 经过极化处理的压电陶瓷，在外电场撤去后，其内部仍存在有很强的剩余极化强度。 该剩余极化强度束缚住了晶体表面产生的自由电荷，使其不能被释放。当压电陶瓷受到 外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，使晶体表面部分自 由电荷被释放，于是呈现压电效应。 1 ) 极化前 极化后 图2 3 压电陶瓷的极化处理 f i g 2 3p o l a r i z a t i o nc o n d i t i o no f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c 换能器采用压电式陶瓷就是利用其压电效应原理。当发射超声波时是利用逆压电效 应，在晶体上施加交变电压，相应地在一定的晶轴方向上将产生机械变形或机械应力， 也就是产生电致伸缩震动而发生超声波。当交变电压撤去后，晶体内部的应力或变形也 久连理 大学硕士学位论文 随之消失。根据共振原理，当外加交变电压的频率等于晶体的固有频率时就产生共振， 此时发生的超声波最强。 超收波的接收是利用正压电效应进行工作，当超声波作用在压电晶体上时，相当于 施加一作用力，晶体的表面产生交变电荷，此电荷经放大器转换成电压信号，供测量电 路使用。 ( 4 ) a d c p 系统局限和不确定度问题 a d c p 用作测量剖面流速的时候，经常会受到水体的某些自然情况的限制，从而可 能测量的精度，其中比较主要的是水体深度局限和换能器的盲区距离。 接收和计算回波的多普勒频移需要复杂的电路和高速的信号处理方法。在a d c p 测 量中，反射的回波大小随一个函数急剧减少，这个函数与深度、频率、脉冲宽度和水体 对声波的衰减特性有关。a d c p 系统中，反射波回波强度大小严重影响其速度测量的不 确定度。图2 4 显示的频谱图形象说明了发射频率、回波大小和波谱宽度之间的关系。 为了精确测量水流速度，回波信号应当是很小的波谱宽度( 如图2 4 中用虚线标出的多普 勒频率平均值1 ，但是，实际测量中，有几个因素“发散”或“污染”回波频率成一个 较大的频率谱带，如图2 4 中实线标定的区间所示那样。 第一个因素是声音脉冲发生的有限周期。如果脉冲发生的时间是t 秒长，那么对中 心频率的反射是1 t h z 。这是收到的多普勒频移回波发散的主要根源。波谱发散导致在 确定多普勒频移时随机误差增大。脉冲宽度越小，随机误差就越大。 厂发射频袈r 多酱勒颏率擎均值 1 多酱勒额移f 频率 图2 4 接收的多普勒信号频谱图 f i g 2 4s p e c t r o g r a p ho fr e c e i v e dd o p p l e rs i g n a l 基于双核处理器的a d c p 系统研制与开发 第二个因素是不同体积，以不同速度运动的细小反射物所反射回来的信号，造成反 射信号以不同相位反射回来。由于宽带技术方法需要精确的相位信息来计算多普勒频 移，这种发散效应导致了在确定多普勒频移时产生较大的随机误差。 第三个因素，在水体中成团状的反射物速度严重影响着反射信号，使回波信号的频 谱宽度增大。 当回波强度大，回波的信噪比就大。然而，当回波强度降低降低到一定程度，信噪 比下降，波谱宽度增大，从而增大了流速测量的不确定度。这种效应随着水深的增大而 明显，因为回波的信噪比随水深增加而下降。如果水体中反射颗粒物太少也能导致信噪 比下降。当然如果放射物颗粒太多( 如含沙量非常高) ，在深层水深单元的信噪比也下降， 这是由于吸收、声波扩散和衰减也降低了回波强度【埘。 上面叙述了身体深度对于测量的局限，下面讨论一下换能器的盲区距离问题。当发 射了一个声波脉冲之后，换能器及相关电子器件在接收回波信号之前要暂停一下。这种 情况可以用敲打一面大锣来做较好的说明，一面大锣的振动要很长时间才能停止。在能 够用做聆听回波设备之前，一次脉冲中换能器陶瓷探头以1 2 0 0 k h z 的振动频率工作，就 像一面微型锣在振动，必须假以时间才能停止振动，这种小幅度的振动的持续时间大约 为1 7 0 u s 。如果假定声速传播速度是1 5 0 0 m s ，在这段时间里，声音脉冲已经传播了0 3 m ， 那么在这个区间，流速是不可能测到的。这个距离就是换能器的盲区距离。 能n = n 的第一个单元水深距离取决于几个因素：盲区距离、声速、水深单元长度、 发射频率和换能器波束角。 由此可知，对于信号的返回波，我们能够测到的第一个单元水深应该大于盲区距离， 同时由于深度因素限制，当信号传播距离到达一定距离后，我们测得的返回波的信噪比 就可能比较低，不能用作信号分析，所以应当在适当的选取返回波信号，用作后面的信 号分析。 大多数a d c p 系统测量时的不确定度主要受随机误差和偏差影响。a d c p 的随机误 差有如下来源： 脉冲长度。在窄带a d c p 中，给定发射频率时脉冲长度越短则随机误差越大。 发射频率。给定脉冲长度，发射频率越低则随机误差越大。 信噪比。信噪比越低，则随机误差越大。 波束角。波束角接近于零( 同竖直方向) ，则随机误差趋于无穷大。 对于随机误差，可以通过统计平均方法，将误差降低。流速偏差有固定的大小和方 向，要么是常数，要么同所测流速成比例，偏差是非随机的，不能通过平均来减小。然 而在a d c p 测量中，大多数流速偏差和流量偏差都很小，有时可以忽略不计。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 嵌入式系统简介 ( 1 ) 嵌入式系统 嵌入式系统是随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术、集成电路技 术的发展而兴起的，已成为计算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部分。现在， 嵌入式系统在各行各业有着广泛的应用，但对它的定义还没有一个公认的标准。一般来 说，嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。自7 0 年代 后期嵌入式系统的商业化操作系统出现，到现在嵌入式系统已经无处不在。嵌入式系统 是面向用户、面向产品、面向应用的，所以说嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的 工业1 1 1 1 。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。简单的嵌入式系统由微控制器或单片机 及嵌入式软件组成。嵌入系统有三个明显的特征：专用性、实时性、可靠性【1 2 】。专用性 是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任务。实时性指与实际事件的发生频率相 比，嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件或用户的干预做出响应。可靠性是指 嵌入式计算机嵌入到系统或设备中，用户一般不直接接触控制，因此一旦工作就要求它 可靠运彳亍。 嵌入式微处理器( 嵌入式c p u ) 一般是指单芯片、外设控制器丰富的c p u 。常见的嵌 入式c p u 的内核体系有x 8 6 ，a r m ，m i p s ，s h 及d s p 等，其中a r m 体系的c p u 应 用最为广泛1 1 3 】。近年来基于a r m + d s p 的双核处理器也逐步得到应用，1 i 公司的o m a p 系列处理器就是功能强大的双核处理器的代表。 ( 2 ) 嵌入式操作系统及嵌入式l i n u x 最初，简单嵌入式系统只包括两部分：嵌入式硬件平台、嵌入式应用软件。但随着 嵌入式系统硬件的发展和任务的日益复杂化，嵌入式操作系统正成为嵌入式系统的重要 组成部分。嵌入式操作系统是联接硬件平台和应用软件的桥梁，通过引入嵌入式操作系 统，开发人员可以避开复杂的硬件操作程序，像在普通p c 上编程一样进行应用软件开 发，大大提高了开发效率和速度。 带操作系统的嵌入式系统自底向上包含有3 个部分：嵌入式硬件平台、嵌入式操作 系统、嵌入式应用软件【1 4 1 。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配 和调度，控制协调等活动，能够通过装卸模块进行功能配置，体现所在系统的特征。 嵌入式操作系统一般具有体积小、可裁剪、可靠性好等特征，大多数还具有实时性 强的特点。常见的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，p s o s ，嵌入式l i n u x ， e p o c 【l “，c o s i i 等。它们中的大部分都是商业化产品的专用操作系统，价格高昂。 基于双核处理器的a d c p 系统研制与开发 嵌入式l i n u x 相对于商业化嵌入式操作系统具有无可替代的优越性，主要体现在核 心源代码公开，任何人都可以免费得到源代码并修改源代码，在g p l 通用公共许可下 发布修改后的源代码，安全性高。随着它的出现，给嵌入式r t o s ( r e a lt i m eo p l c r a t i n g s y s t e m ) 领域注入新的活力和生机。 嵌入式l i n u x 的众多优点使它在嵌入式领域获得了广泛的应用，并出现了数量可观 的嵌入式l i n u x 操作系统，包括r t l i n u x ( 实时l i n u x ) 、u c l i n u x ( 用于非m m u 设备的 l i n u x ) 、a r m l i n u x ( a r m 上的l i n u x ) 、e t l i n u x ( 用于在小型工业计算机) 、m o n t a v i s t a l i n u x ( 用于a r m 、m i p s 、p p c 的l i n u x 分发版) 和其它l i n u x 系统i ”1 。 本文采用的嵌入式操作系统是嵌入式l i n u x 中的一种，m o n t av i s t a 公司的 m o n t a v i s t al i n u xp r e v i e wk i t3 1 ，其具有以下特点： 支持广泛的处理器和目标板 支持8 0 种以上的参考板和商用平台，包括引导程序、设备驱动等。处理器的体系 结构如下：i b mp p c4 0 5 g p ，4 4 0 g p ，7 5 0 c x ；t it m s 4 7 0 o m a p ；h l t c li a - 3 2 ，x 8 6 ： i n t e ls t r o n g a r m1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 ，d ( p 1 2 0 0 ，x s c a l e ；a r m7 2 0 t 9 2 0 t ； 实时性方面 m o n t a v i s t al i n u x 在实时性能方面具有以下特点：低延迟任务可以抢占内核、低开 销固定优先级调度。它能够满足大多数实时应用程序的需要，如实时网络数据传输等。 用户也可选择标准l i n u x 内核配置。 高度可靠性和高性能( h a ) m o n t av i s t al i n u x 提供p i c m g 2 1 2 热插拔、冗余以太网、内核资源监视、内核消息 监视、内核时间监视、磁盘镜像r a i d 磁盘支持、多主机r a i d 、事件代理程序、n f s 强制 卸载模块。另外提供高度可靠性和高性能服务工具：内核动态探测工具、内核f o 性能 分析工具。高分辨率p o s i x 时钟和“下一代p o s i x ”线程，这些主要针对电信级应用。 标准l i n u x 球网络和工具 支持的些网络协议有：t c p i p ，p p p ，p p p o e ，h 1 t r p ，s m t p ，d h c p ，f i t ，t e l n e t ， 8 2 0 1 l b ；各种路由和网络管理协议：z e b r a ，s n m p ，及其他o p e ns o u r c ep r o i e c t 网络协 议，比如l d a p ，a t m ，m p l s ，i p s e c ，h 3 2 3 s i p ，s s 7 ，b l u e t o o t h 等。支持第三方的 网络协议：n e t p l a n e ，l e v e l7 。 ( 3 ) o m a p 5 9 1 2 0 s k 开发平台 系统采用的硬件开发平台是s p e c t r u md i g i t a t 公司推出的o s k 5 9 1 2 ( o m a p 5 9 1 2 s t a r t e rk i 0 ，采用n 公司最新发布的o m a p 5 9 1 2 处理器，嵌入式操作系统采用的是 m o n t a v i s t al i n u xp r e v j e wk i t3 。1 1 1 7 1 大连理i 人学硕十学位论文 o s k 5 9 1 2 是由s p e c t r u md i g i t a l 公司推出的，具有八层板结构的硬件开发平台。其 电路板图如图2 5 所示。0 s k 5 9 1 2 开发板为开发者提供了丰富的功能和外接接口，正面 提供一个l u 4 5 口，一个r s 2 3 2 口，两个u s b 口，一个j t a g 接口和一个m u l t i i c e 接口，支持多种仿真模式。低面还有一个c f 卡接口，4 个扩展槽，可以扩展l c d 、 k e y b o a r d 、u s b 、u a r t ( 3 个1 、f l a s h 等设备。其系统框架如2 6 所示，位置与图 2 5 电路板图一致。 图2 5o s k 5 9 1 2 开发板图 f i g 2 50 s k 5 9 1 2b o a r d 图2 6o s k 5 9 1 2 系统框图 f i g 2 60 s k 5 9 1 2s y s t e mf r a m e 基于双核处理器的a d c p 系统研制与开发 o s k 5 9 1 2 开发板上最主要的器件是o m a p 5 9 1 2 处理器，o m a p 5 9 1 2 处理器由1 1 公司应用最为广泛的t m s 3 2 0 c 5 5 x d s p 内核与低功耗、增强型a r m 9 2 6 微处理器组成， 是具有双核的处理器。o m a p 5 9 1 2 具有极强的运算能力和极低的功耗，一方面产品性能 高、省电，另一方面同其他o m a p 处理器一样，采用开放式、易于开发的软件结构， 支持广泛的操作系统，如u n u x 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 、v x w o r k s 等。优化其应用程 序时可以通过a p i 及用户熟悉且易于使用的工具i l ”。 c 5 5 xd s p 核工作在1 5 0 1 9 2 m h z ，有三项关键革新技术：增加了空闲省电模式、变 长指令和并行机制。同时扩展了三种多媒体处理，增加了硬件视频加速器，完成了运动 估计、离散余弦变换( o c t ) 、反离散余弦变换( i d c t ) 和1 2 象素插值，使转换效率得到 进一步改善。c 5 5 xd s p 内部有3 2 k x1 6 bd a r a m