（物理海洋学专业论文）szf波浪方向浮标数据接收和处理系统.pdf

s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统 摘要 地球上有广袤的面积被海洋所覆盖，海洋是地球科学研究的重要对象。海洋 观测是认识海洋、研究海洋、丌发利用海洋的基础，海洋观测仪器则是海洋观测 的工具和手段。在众多的海洋观测要素中，海浪是其中最重要且最复杂的一种。 因此，观测海洋波浪就显得特别重要了。海浪的观测有多种多样的手段、方法和 观测仪器。不同的观测仪器有不同的测量原理和适用范围。相对于其它波浪观测 仪器波浪方向浮标具有许多不易被取代的优点：如略固耐用，可做长时间、连续 无人值守的现场观测，为了特定的观测目的可对传感器进行剪裁和扩充，仪器设 置简便，机动性高且不受水深限制，成本相对较低等等。s z f 波浪方向浮标是一种 可测量波高、波周期和波向的国产化海浪测量仪器。s z f 浮标系统硬件包括浮标、 岸站接收机和上位机三部分。 本文依托国家8 6 3 计划海洋监测技术成果标准化工程：波浪方向浮标，设计 波浪方向浮标的数据接收和处理系统。论文中主要研究了以下几个问题：软件编 程、波浪数据处理的原理和方法、部分硬件电路的设计和实现。主要工作放在软 件编程上。 在软件编程方面，程序使用v c + + 6 o 编写。v c + + 是微软公司的产品，是目| i f w i n d o w s 平台下最强大和最灵活的丌发工乒按照系统的设计功能和要求，在统 一的m f c 框架下按功能进行分块编程。包括通讯、数据处理分析统计、绘图、存 储等功能模块。其中通讯和仪器控制兼容m o d b u s 通讯协议。串口通讯采用w i n d o w s a p i 函数编写，使其具有更大的灵活性，提高了程序运行效率。程序中用到了d l l 技术、c o m 技术、c + + 的标准模版库、及m a t l a b 和v c + + 的混合编程等技术。 在波浪数据处理的原理和方法方面主要介绍了特征值统计的原理和方法，以 及一维能谱的实现。同时给出了软件程序的实现方法。 上位机通过r s 2 3 2 串行接口和岸站接收机实时数据通讯。在硬件电路部分详 细给出了岸站接收机的设计思想、设计方案和硬件电路的具体实现。硬件电路以 a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，外围扩展各种功能的i c 芯片，如f l a s h 芯片、实时r 历钟 芯片、微型打印机等等，组成一个单片机功能齐备的系统。 实验室实验和海上现场实验证明，s z f 波浪方向浮标数掘接收和处理系统的 各项指标达到了设计要求，它的运行稳定，操作简单方便。数据接收准确，数据 处理结果真实可靠。基本可提交给用户使用。 关键字：s z f 波浪方向浮标；v c + + ；m o d b u s ；数据分析处理 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 mo fd ir e c t i o nb u o y a b s t r a c t av a s ta r e ao f t h ee a r t hi sc o v e r e db yo c e a l l t h eo c e a ni sa ni m p o r t a n to b j e c to f t h ee a r t hs e i e n t i t l er e s e a r c h t h eo c e a n so b s e r v a t i o ni 8f o u n d a t i o no ft h e u n d e r s t a n d i n go ft h eo c e a n s ，m a r i n er e s e a r c h , d e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fo c e a n s t h eo c e a no b s e r v i n ge q u i p m e n ti st o o la n di n s t r u m e n to fo c e a n so b s e r v a t i o n a m o n ga l le l e m e n t so ft h eo c e a no b s e r v a t i o n s w a v ei st h em o s ti m p o r t a n ta n dm o s t c o m p l e xo n e t h e r e f o r e ，t h ew a v eo b s e r v a t i o ni se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt o u s f o r o b s e r v i n gw a v e ，t h e r ea r em a n yk i n d so fm e t h o da n do b s e r v a t i o ne q u i p m e n t t h e d i f f e r e n ti n s t r u m e n t sh a v ed i f f e r e n tp r i n c i p l ea n dd i f f e r e n ts c o p e so fa p p l i c a t i o n c o m p a r e dt oo t h e rw a v eo b s e r v a t i o na p p a r a t u s ，w a v ed i r e c t i o nb u o y sh a v em a n y a d v a n t a g e s ：d u r a t i o nf o ru s e ，l o n gt i m eu n m a n n e do b s e r v a t i o n ，t os p e c i f i cp u r p o s eo f o b s e r v i n gt h es e n s o r sc a nb et a i l o r e da n de x p a n d ，i n s t a l l a t i o ni ss i m p l e ，h i 曲m o b i l i t y w i t h o u tw a t e rd e p t h sr e s t r i c t i o u s 1 0 wc o s ta n ds oo n s z fw a v ed i r e c t i o nb u o yi sa k i n do fw a v em e 船u r i n gi n s t r u m e n tw h oc a nm e a s u r ew a v eh e i g h t ，w a v ep e r i o da n d w a v ed i r e c t i o nw h i c hi sm a d ei nc h i n a s z fb u o ys y s t e m sh a r d w a r e si n c l u d eb u o y ， s t a t i o nr e c e i v e ra n dp c r e l y i n go nm a r i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y s t a n d a r d i z a t i o np r o j e c t - w a v e d i r e c t i o nb u o y si nt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ，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 mo f w a v ed i r e c t i o nb u o yi sd e s i g n e di n t h i sp a p e r r e s e a r c hf o c u so nt h r e ei s s u e s ： s o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，t h et h e o r ya n dm e t h o do fw a v ed a t ap r o c e s s i n g ，p a r to ft h e c i r c u i td e s i g na n d a c c o m p l i s h m e n t 1 1 1 ee m p h a s e s i st h ew o r ko fs o f t w a r e p r o g r a m m i n g t ns o f t w a r ep r o g r a m m i n g v i s u a lc + + 6 0i su s e d v i s u a lc + + i sm i c r o s o f t s p r o d u c t ，w h oi st h em o s tp o w e r f u la n dv e r s a t i l et o o lu n d e rt h ew i n d o w sp l a t f o r m a c c o r d i n g t ot h ed e s i g nr e q u e s ta n df u n c t i o no fs y s t e m ，u n d e rt h ef r a m e w o r ko ft h e m f c ，t h ep r o g r a mi sf i n i s h e db ym o d u l e s t h e s em o d u l e si n c l u d ec o m m u n i c a t i o n s , d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gs t a t i s t i c s ，g r a p h i c s ，s t o r a g ea n ds oo n c o n t r o l l i n ga n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sc o m p a t i b l ew i t hm o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 s e r i a l c o m m u n i c a t i o ni sf i n i s h e dw i t hw i n d o w sa p i ，s ot h a ti th a sg r e a t e rf l e x i b i l i t y , a n d m o r ee f f i c i e n c y p r o g r a mu s ed l l ，c o m ，c + + s t a n d a r dt e m p l a t el i b r a r y , v i s u a lc + + a n dm a t l a bm i x e dp r o g r a m m i n gt e c h n i q u e s t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f t h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e di nt h e p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fw a v ed a t ap r o c e s s i n g a tt h es a m et i m e ，o n e - d i m e n s i o n a l s p e c t r o s c o p yi si n t r u d e d p cc o m m u n i c a t ew i t hs t a t i o nr e c e i v e rt h r o u 曲t h er s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c e t h e d e s i g nt h i n k i n g ，d e s i g nm e t h o da n dp a r to fh a r d w a r ed e t a i l sa r eg i v e ni nt h es p e c i f i c h a r d w a r ec i r c u i t a t 8 9 s 5 2i st h ec o r eo fh a r d w a r e ac o m p l e t em c us y s t e mi s f o r m e dw i t ht h ev a n o u se x t e r n a le x p a n s i o ni cc h i p ss u c ha sf l a s hc h i p s ，r e a l t i m e c a l e n d a rc l o c kc h i p s ，m i c r o - p r i n t e r , e t c l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n df i e l de x p e r i m e n t ss h o wt h a ts z fd i r e c t i o nb u o y 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 ma r r i v et h et a r g e t so ft h ed e s i g n i tm ns t a b i l i t y o p e r a t i o ni ss i m p l ea n dc o n v e n i e n t d a t ar e c e p t i o ni sa c c u r a t e l y , d a t ap r o c e s s i n gi s r c a la n dr e l i a b l e k e y w o r d ：s z fd ir e c t i o nb u o y ；v i s u a lc + + ；m o d b u s jd a t aa n a l y s i s a n dp r o c e s s i n g 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含未获得 f 适 塑邃查墓丝益要挂型直明的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的浇明并表示谢意。 学位论文作者签名；趣曙手，签字r 期：2 7 年月侈开 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构( 如中国科学技术信息研究所等) 送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数掘库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 趣硬予， 签字日期：) 年6 月) 多日 学位论文作者毕业后去向， 工作单位： 通讯地址： 翩擗缈歹 签字同期：1 ”7 年( 月b r f 电话：1 3 5 7 3 2 4 0 5 2 5 邮编 s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统 1 引言 1 1 波浪观测的意义、方法 地球表面积的7 1 被海水所覆盖，换言之，海水面积几乎是陆地面积的2 5 倍。但是人们对海洋的认识还比较少，进入二十一世纪，人们对海洋同益重视， 而海洋观测是认识海洋、研究海洋、开发利用海洋的基础，海洋观测仪器则是海 洋观测的重要工具和手段。 在海洋工程建设、海洋灾害预防、航海安全保证领域中，相比于所有其他的 海洋、气象要素，海浪是其中最重要且最复杂的一种自然现象。不论是海岸侵蚀、 海岸建筑物的设计、港口的建设，都与海面上波浪的作用力大小及方向有直接的 关系。 海浪可分为风浪和涌浪两种。风浪和涌浪包含巨大的能量，它能使船舶摇摆 颠簸、船速减小、航向偏移，甚至会造成沉船事故；对航海、捕捞和其他海上作 业危害很大；风浪和涌浪的冲击，对海岸防护、港口码头、防波堤有很大的破坏 作用：风浪和涌浪对泥沙有搬运作用，甚至使港口淤积、航道变浅、影响船只进 出港等。这是海浪有害的一面，海浪也有其有益的一面：海浪会促使海水上下层 混合，使混合后的水层富含氧气，满足鱼类和其他海洋动植物的需要；海浪的巨 大能量又有可能进行波浪发电，成为人类将来的巨大能源之一。由此可见，海浪 观测是非常必要的，具有非常重要的意义。 侍茂崇高郭平鲍献文等1 9 9 9 9 】 海浪观测的主要内容是风浪和涌浪的波面时空分布及其外貌特征。海浪观测 有目测和仪测两种。仪器观测又大致可分为直接观测与遥测两种。i ；i 者是指观测 仪器直接与波浪接触，直接观测波浪的特征值，如波高、周期、流速、波面垂直方 向加速度及波面坡度等。常见的观测方法有仪器数组法、波浪方向浮标法、压力 式测波仪及双向流速仪法等。 高家俊等2 0 0 3 1 】 根据仪器的布放方式，直接观测仪器又可以划分成两类。一类是表面测量仪 器，另一类是水下测量仪器。表面测量仪器一般以浮标作为载体，可实时进行数 据传输。波浪方向浮标属于这一类型。水下观测仪器使用压力配合流速反演海表 面方向谱的方法进行测波，最后通过方向谱得出波高、周期和波向。具有代表性 的如挪威h a n d e r a ai n s t r u m e n t 公司的w t r 9 、美国i n t e ro c e a n 公司的s 4 等。 遥测则是指利用摄影或无线电波来取得海浪数据，观测仪器本身并不与波浪 相接触，方法有超音波测量法、立体摄影法及运用卫星、雷达测波等。 相对于其它波浪观测仪器，波浪方向浮标具有许多不易被取代的优点：如峰 固的壳体可抵抗海上恶劣的环境和船只的碰撞，可做长时问、连续无人值守的现 s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统 场观测，为了特定的观测目的可对传感器进行剪裁和扩充，仪器设置简便，机动性 高且不受水深限制，成本相对较低等等，因此目前被广泛的应用于我国近海海浪 的监测中。 1 2 国内外技术发展状况 目前国外波浪浮标主要有荷兰d a t a w e l l 公司的波浪骑士、美国e n d e c o y s i 公司的1 1 5 6 波浪方向轨迹浮标，挪威f u g r oo c e a n o r 的w a v e s c a n 浮标，它们大部分 配有的传感器是一个单轴加速度传感器、一个双轴倾角传感器、一个电磁罗盘， 数据处理方法是测量垂直方向上的加速度，配合东北两个方向的海面坡度按 l o n g u e t h i g g i n s ( 1 9 6 3 ) 提出的原理( 方向谱的有限傅立叶基数展开) 在频域进 行分析。另外，如加拿大的a x y s 公司的t r i a x y s 波浪方向浮标采用的传感器是 三个单轴加速度传感器、三个陀螺仪、一个电磁罗盘。可以测量浮标体随波运动 的所有六个自由度( 三轴运动和三轴旋转) 的状念，因而具有更好的精度。它的 数据处理同时采用最大熵方向谱的频域处理方法和跨零摘波的统计处理方法。国 内主要是s z f 型波浪浮标f 唐原广2 0 0 0 1 。 s z f 型波浪浮标采用重力加速度原理进行波浪测量，当波浪浮标随波面变化 作升沉运动时，安装在浮标内的垂直加速度计输出一个反映波面升沉运动加速度 的变化电量信号，对该信号做二次积分处理后，即可得到对应于波面升沉运动高 度变化的电压信号，将该信号进行做模数转换和计算处理后可以得到波高的各种 特征值及其对应的波周期。s z f 型波浪浮标安装的波高倾斜一体化传感器、方位 传感器除可以测得波商的各种特征值和对应的波周期外，还可以测得浮标随波面 纵倾、横倾和浮标方位的三组参数，通过计算处理，得到波浪的传播方向。它的 数据处理方法符合海滨观测规范中的要求，采用跨零摘波的办法进行数据处理。 1 3 $ z f 浮标系统简介 s z f 型波浪浮标系统由三部分构成：浮标部分、岸站接收机和上位机。该系 统可测量波高、波向、波周期等水文要素，温度为可选参数。 浮标部分起着数据采集、处理和传输的作用。浮标体作为一个载体，内部安 装了波浪传感器；浮标数据采集、处理和控制机；数据发射机；电池等。浮标法 兰盘上安装了发射天线和锚灯。波浪传感器部分包括加速度传感器、倾角传感器、 电磁罗盘。其作用是将非电的物理量转化为电压或电流量。传感器输出的电信号 一般比较微弱，并且会受到测量现场的电磁干扰、传感器本身噪音的影响，信号 s z f 波浪方向浮标数据接收年几处理系统 中包含多种成分的噪声，为了消除噪声的干扰，需要进行信号调理，包括信号放 大、隔离、模拟滤波等。经调理后的信号为模拟信号，不能直接输入计算机，需 要先经过a ，d 转换器转换成数字信号。 岸站接收处理机起着接收、存储浮标发送数据的作用。其中安装了控制板、 数据接收机、接收天线、微型打印机、数据存储器等。另外安装了与计算机通讯 的r s 一2 3 2 接口，可将数据实时传送给上位机。 上位机负责浮标和岸站接收机控制命令发送、数掘接收、数掘存储和实时数 据分析处理、图形显示、统计报表等。 本文中介绍的s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统运行于上位机中，如 图l l 所示，它通过r s 2 3 2 接口实现对岸站接收机的控制和数据接收。也可在 海上现场通过r s 2 3 2 接口对浮标进行初始化控制。 海 曩| 面i 如：接口j 老羹i 奶：接一老 ：收； 机 ：机 图1 1 浮标系统结构幽 自 ； 删岍 浮 标。 s z f 波泊方向浮标数据接收和处理系统 2 岸站接收机硬件结构 在浮标系统各部分的相互通讯的过程中，最主要的是岸站接收机和上位机之 自j 的通讯。上位机和浮标的通讯可利用原来的岸站接收机和浮标之删的通讯接口 实现。所以本章主要对岸站接收机的硬件结构进行介绍。首先让我们筒略介绍一 下浮标系统的整体硬件结构。 2 1s z f 浮标的硬件结构及工作流程 如前文所述，s z f 浮标系统硬件主要出三部分构成：浮标、岸站接收机、上 位机，如图2 1 所示。 加地度传嬉器 1 _ 敞积分u 路 “d 转换u 路 v 天线 浮。：巾 1 。拄榔 ：籼鼍 龙线发射帆 标 _ = i 谱p 一般： g p s 二 卜。卜 萋；一。曼祟； ；一一| +；? 一j 二矗理。踏? - 无线接收机；弋7 天线 f ；i ：燃蝴q 图2 一l 浮标系统硬件框图 浮标作为一个载体，内部安装有传感器、数据采集电路、数据处理和控制电 路和无线发射机。传感器包括加速度传感器、倾角传感器、方位传感器、g p s ， 用来进行波面位移的测量和浮标自身姿念的测量( 横摇、纵倾) 和地理坐标的定 位。整个浮标的电路控制核心采用a = r 8 9 s 5 2 单片机。 设计浮标壳体时，要求浮标的壳体有良好的随波性。主要设计下面的功能： 波面数据，横摇、纵摇数据，方位数据的采集：特征值的计算：数据的存储：数 据的实时发送。 s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统 在正常模式下，浮标根据设计好的时序工作。根据海滨观测规范的要求， 设计浮标在每天的2 、5 、8 、1 l 、1 4 、1 7 、2 0 、2 3 时进行t l 动数据采集。浮标采 样自j 隔有0 5 秒、o 2 5 秒、o 1 2 5 秒三种，在采样间隔o 5 秒情况下，每次采样大 约历时1 7 分钟。浮标有三种工作方式：i f 常工作方式、加密观测方式和检测工 作方式。其中0 1 2 5 秒的采样间隔设置只用于检测工作方式。加密观测方式则是 指在测得的1 1 0 大波波高大于某- a n 密门限值的时候( 该加密门限值存于浮标 单片机的r a m 中，每次浮标单片机初始化由岸站接收机向其中加载) ，自动转 入加密观测，每小时进行一次数据采集。当测得的1 1 0 大波波高小于预置的加 密门限值后，浮标自动转换为萨常测量状态。测量前2 0 分钟时钟芯片唤醒单片 机，预热后进行采样。 波浪浮标在每次测量结束后，对波高、倾斜角、方位角的采样数据进行处理， 得到波浪特征值最大波高、平均波商、有效波高和十分之一大波波高( 犀、 z - z 。、e 舻h ，o ) 及对应的周期值( z 纛、焉。、巧互。) 和按1 6 个方位 角划分的波向出现率。 完成特征值的计算以后，单片机将特征值和原始数据按照一定的格式存入u 盘中，包括测量时间，浮标所在的经纬度，采样问隔，波面原始数据，波浪统计 特征值，波向出现率、浮标电池电压值、倾角序列和方位序列。每次测量结束后， 浮标通过单向v h f 数字通讯机向岸站接收处理机发送测量的数掘。包括测量时 间，浮标所在的经纬度，采样间隔，波面原始数据，波浪统计特征值，波向出现 率及浮标电池电压值。完成上述工作后，单片机进入休h 民状念，以节约电池能量。 在下一个测量周期到来时由时钟芯片d s l 2 8 8 7 唤醒。 2 2 岸站接收机的硬件设计 岸站接收机的主要功能是通信和数据存储，具体电路设计是根据它的功能和 设计要求进行。电路板的主体部分是数字电路，较易于实现，设计时需注意好电 压匹配问题和不同类型芯片之间的驱动能力匹配问题。具体的电路实现框图如图 2 - 2 所示， s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统 上位机l 。 i 。r s 2 3 砖i 量f l i t s ：j l f 蝴1il f 外赢i 可卜1 ， f 籼。i 电： 2 2 0 池! ；v - l 键盘 比d 一i 打印机i 图2 - 2 接收机硬件挺酗 2 2 1 单片机的选择 单片机是控制电路的核心，也是整个电路的核心。单片机是单片微型计算机 的简称，是指在一块芯片上集成中央处理器( c p u ) 、只读存储器( r o m ) 、随机存 储器( r a m ) 、定时器计数器和多种i o 接口电路等，具有一定规模的微型计算 机。单片机的功能是通用的，主要作为控制器使用。广泛应用于各种控制领域。 岸站接收机的主要功能是进行通讯( 包括同上位机和同浮标之间的通讯) 、 接收原始数据，显示打印特征值、向f l a s h 中存储数据、向上位机发送数据。 可以看出主要用到单片机的数据传送功能，不需要进行大量的数据运算，对内置 f o 接口电路也没有特殊要求。所以采用一款较通用的a t 8 9 s 5 2 单片机。该单片机 具有较高的性价比。 a t 8 9 s 5 2 单片机是a t m e l 公司的产品，它与m c s 5 l 系列产品兼容，是一个低 功耗、高性能的c m o s 型8 位单片机。片内包含8 k 的f l a s h 可编程可擦写只读存 储器( p e r o m ) 。兼容8 0 c 5 l 和8 0 c 5 2 工业标准指令集和引脚输出。a t 8 9 s 5 2 单片 机有4 0 个引脚，其中3 2 个i o 端i e i ，3 个1 6 位可编程定时器计数器，一个可编程串 行通讯口，7 个中断源。它的强大内置功能可以为不同需要的用户提供高性价比 的解决方案。a t 8 9 s 5 2 单片机的引脚如图2 3 所示： s z f 波被方向浮标教括接收和处理系统 x t al g n d p 2 p 2 p 2 p 2 p 2 p 2 p 2 p 2 ( a 1 5 ) 捌翁 拴瓣 ( aa o ) ( a g ) ( a 8 图2 3a t 8 9 s 5 2 单片枫的引脚 2 2 2f l a s h 存储器的选择 在没有与上位机相连的时候我们希望岸站接收机具有一定的自容能力。这 就需要岸站接收机可进行数据记录，岸站接收机中必须包含数据记录仪。数据记 录仪经历了磁带记录、静态存储器( s r a m ) 、f l a s h 存储器的发展阶段。目前 主流的数据记录仪都是f l a s h 存储器。f l a s h 存储器是一种大容量非易失性存储器， 具有不需要电池维护、掉电后数据仍然不会丢失和电可擦写功能，可进行随机快 速访问的特点，是一种高密度高可靠性的的存储器。目前己广泛应用到各个领域。 目前，f l a s h 存储器有并行数据传输和串行数据传输两种，并行数掘传输 的存储器受限于单片机地址数据总线的数量，一般存储容量做的都不是很大。因 此，岸站接收机中采用了a t m e l 公司生产的有较大容量f l a s h 存储器a t 4 5 d 1 6 1 。 a t 4 5 d 1 6 1 以串行的方式传递数据，与单片机连接仅占用5 根线，b t j c s ( 片选) 、 s c k ( 时钟) 、s i ( 串入) 、s o ( 串出) 、r d y ，b u s y ( 准备好忙) 。a 5 d 1 6 l 存储器具有相当灵活的可选择页和块擦除操作，可反复擦写1 0 0 0 0 0 次以上，数据 可保存2 0 年，快速的页编程时间，典型傻7 m s ，硬件数据保护特性，输入输出与 c o m s 和订l 电平兼容，极低功耗。a t 4 5 d 1 6 1 存储器的串行传递数据方式兼容 s p i 总线标准。容量是1 6 m b 。应用中共使用4 片，可提供6 4 m b 的存储空白j 。如果 浮标以3 小时采样模式工作，大约可存储3 年的数据。a t 4 5 d 1 6 1 存储器采用单一 5 v 电源供电、具有低功耗、快速传送、与c m o s 、t t l 电平兼容的特性。a t 4 5 d 1 6 1 哪舢嘲嘲蚴喜菖哪8黜勰删勰姗 cmj名。上点7“日卧c00000000alsvppppppppeap 唧二=u：=n：=二二日，_ 加弘酊弱弱弘驺醒引弘神；8孙弱g弘乃趁斟一 p 阳、 一 23厶56789m瞎晤博曝怕盯悟悖曲 孔川nn队孔孔孔2盹门暇随盹盹吼随呲 嘲 期 一 一。 s z f 波_ i = 方向 孕标数据接收和处理系统 存储器内部出主存储器( f l a s hm e m o r y a r r a y ) 两个缓存器及一个接口( 状态 寄存器) 构成。主存储器阵列分为扇区、块、页、字节。a t 4 5 d 1 6 t 主存储器包 含1 2 8 个扇区，每一扇区包含3 2 块，一块中包含8 页，每页包含5 1 2 个字节。缓存 器的容量是5 2 8 b 。a t 4 5 d 1 6 1 与单片机连接的电路如图2 4 所示： p 2 7 p 2 6 p 2 ， h 1 e 7 4 h c l 站 ! r o i i8y i 一。 一一- t c ￥2 伫二_ ：| n p 7 0 7 陶2 - 4 a t 4 5 d 1 6 1 与单片机连接电路附 其中7 4 h c l 3 8 是一个三八译码器，负责选择四个f l a s h 存储器中的一个。 i m p 7 0 7 是看门狗芯片，负责单片机的复位，也提供f l a s h 数掘保护。对f l a s h 的读写是在c s 线上为低电平时有效，读写都是在s c k 为高电平时进行的，编写 程序时须注意时序。a t 4 5 d 1 6 1 共提供了十二个命令字，包括对缓存器和主存储 阵列的操作以及读状念寄存器。利用这些命令字可方便地进行程序编写。 2 2 3 定时芯片的选择 岸站接收机的实时时钟的实现有两种方法。一是采用8 9 s 5 2 1 勾部的定时器中 断，辅以必要的软件实现。但这需要占用大量的单片机资源，并且在单片机休眠 或停机状态时间即丢失。另一种方法是采用实时时钟芯片。目前有几十种时钟芯 片，它们都带有时阃寄存器。有些采用串行通讯的方式，有些内部还有少量的r a m 。 m s m 5 8 3 2 是其中抗干扰性较强运行较稳定的一种。它的操作也相对简单。它的缺 点是片内寄存器的读写速度比较慢。 m s m 5 8 3 2 是闩本o k i 公司生产的实时同历钟芯片，双列直插1 8 p 。m s m 5 8 3 2 内部有1 3 个寄存器。通过4 根地址线对其进行寻址，从数据线d o d 3 上写入或读 出计时数据( b c d 码) 。寄存器按地址从高到低分别存储秒个位s 1 、秒十位s 1 0 、 分个位m i 、分十位m 1 0 、时个位h 1 、时十位h 1 0 、星期w 、同个位d 1 、目十位 _h=u 眦| 8 s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统 d 1 0 、月个位m i 、月十位m 1 0 、年个位y 1 、年十位y i o 。其中h 1 0 和d 1 0 两个寄 存器具有特征位。时的十位h 1 0 的数据位d 3 = 0 时为1 2 d , 时制，d 3 = i 时为2 4 d , 时 值。当d 3 = o 时，d 2 = 0 时是上午，d 2 = i 时是下午。只的十位d 1 0 的数据位d 2 = o 时 2 月为2 8 天，d 2 = i 时，为闰年，二月有2 9 天。当给5 8 3 2 的寄存器写入当前时间后， 5 8 3 2 即开始工作。在需要时自j 时对寄存器进行查询就可得到当前时间。进行寄存 器读写时，需要注意时序。5 8 3 2 与标准时问的同步可通过上位机进行，也可通过 岸站接收机前面板上的按键柬同步。m s m 5 8 3 2 的电路如图2 5 所示： 8 9 8 5 2 革片机 l ox t e l t 0 l dx t a 0n o a ia d j a 2 ， j b 3 2 d o c n o d i v d d d 2 ” c s c ： 岫 w 孑一“ 图2 - 5m s m 5 8 3 2 电路| ! l 其中8 2 c 5 5 为总线扩展芯片，y l 为晶振，频率3 2 7 6 8 k h z ，为m s m 5 8 3 2 提供基 准频率。片选c s 接正电源，当掉电时禁止操作。数据线d o d 3 接上拉电阻，以提 高其驱动能力。 2 3 本章小结 本章对浮标系统的硬件设计特别是岸站接收机的硬件设计进行了系统的介 绍。根据设计方案和要求，对于硬件中的关键器件进行了详细介绍。给出了实现 方案和需要注意的事项。 陀阼”伸件蹭弛n n n 卧 s z f 波浪方向 孕标数据接收和处理系统 3 上位机软件设计 上位机软件采用v c + + 6 0 丌发。v c 是m i c r o s o f t 公司提供的软件开发平台， 是目前w i n d o w s 平台下最强大和最灵活的开发工具，它使用极为广泛，擅长于 系统软件的开发，生成的软件代码执行效率极高。 本程序中，应用程序系统采用m f c 框架，程序使用c + + 语言编写，串口 通讯部分使用了w i n d o w sa p i 函数。为了便于程序升级，部分函数封装在d l l 库中，为使用m a t l a b 软件的强大数学功能，在v c 环境下实现m a t l a b 组件后绑 定，实现m a r l a b 和v c 的混合编程，以引入m a t l a b 功能强大的信号分析函数。 本程序在v c + + 6 0 编译器编译通过，可运行于w i n 9 8 、w i i l 2 0 0 0 、w i n d o w s x p 操作系统下。 3 1 上位机软件简介 在程序设计时，按照功能对系统进行模块划分。每个模块被封装在一个类中 或者包含几个类。各模块即互相独立，又可相互通讯，交叉调用。各个模块都可 被主模块调用。s z f 浮标数据分析和处理系统主要包含以下模块：主程序模块、 通讯模块、数据处理模块、控制模块、绘图模块、统计模块。下面分别对各个模 块进行介绍。 主程序模块由v c + + 6 0 应用程序向导生成一个单文档s d i 应用程序。负责 用户界面的窗口显示，根据用户的不同操作输入，调用相应的功能模块，对用户 的操作进行相应，向屏幕窗口输出运算结果或警告信息等。 通讯模块负责与浮标和岸站接收机进行通讯，提供原始数据的串口接收和接 收到的实时数据的硬盘存储功能。 数据处理模块是程序的核心模块。它的结构和算法直接影响到程序的运行速 度和结果的正确性。数据处理模块负责原始数据的各种校j 下、滤波、滤波后数据 的特征值的统计。绘图模块对原始波面序列和各种统计特征值进行二维图形绘 制，方便用户进行直观的分析和处理。 控制模块主要负责对浮标进行初始化和岸站接收机的运行参数的设定。 3 2 人机界面设计 人机界面或称人机交互( h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c d o n ) 是应用系统与人之 白j 的信息传递渠道。包括人对应用程序系统运行的干预和系统的运行状态和运行 结果报告两方面。人机界面经历了几个不同的发展阶段，现已走过基于字符方式 s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统 的命令语言界面，正处于图形用户界面( w i m p g u l ) 时代。对于用户来说， 界面的易用性和美观性是非常重要的。 为了建立良好的人机界面，程序使用应用程序向导生成一个单文档s d i 应用 程序框架。然后使用c s p l i t t e r 类对主框架窗口进行静态切分。各个切分窗口分别 继承自不同的类。 图3 1 为程序处于运行状态时的屏幕截图。最下面的一个切分窗口继承自 c e d i t v i e w 类，负责提醒用户系统的运行状态、运行错误和警告信息。左上角的 切分窗口继承自c f o r m v i c w 类。提供了程序菜单中的大部分功能，用户可直观 方便地进行各种操作。右上角的窗口也是继承自c f o r m v i c w 类。负责程序运行 结果的显示，包括各种文字形式和图形的形式 豳3 - 1 科序主界面 3 3 本章小结 本章给出了s z f 波浪方向浮标的上位机软件设计方案。对各个模块的主要 功能进行了简单的介绍。给出了人机界面的实现。下面的章节将对各个模块的功 能和实现方法进行详细介绍。 s z f 波 i = i 方向浮标数据接收和处理系统 4 通讯模块 上位机和浮标之间的通讯有两种实现方法：一是通过r s 一2 3 2 接口实时接收 岸站接收机的数据。通过该方法传输的数据包括特征值和波高序列。该部分其实 是控制模块的一个子集，因其比较重要，使用频繁，且下位机的返回不与m o d b u s 协议兼容，在此列出单独介绍。二是接收优盘数据。这部分数据是存储在浮标的 u 盘中的，不能实时传输，只有在浮标回收以后彳可以利用。它包括特征值、波 高序列、x 轴倾斜序列、y 轴倾斜序列、方位序列。多个时段的数据以二进制方 式存放在d a t 文件中，需要进行一定的格式转换。因此，通讯模块中包含实时 数掘传输和优盘数据接收两部分。 4 1r 8 - 2 3 2 接口实时数据传输 计算机和外界的信息交换称为通讯。基本的通讯方式有并行通讯和串行通 讯两种。并行通讯是指多位数据同时被传送的通讯方式，往往需要多根数据线。 串行通讯是指一条信息的各位数掘被逐位按顺序传送的通讯方式。串行通讯的特 点是数据位的传送按位顺序进行，最少只需一个传输线即可完成，成本低但速度 幔。r s 2 3 2 串口的传输距离可从几米到十几米。 龚建伟2 0 0 4 这一部分要完成 的功能是将数据从岸站接收机的f l a s h 存储器传送到上位机。浮标每次采样完成 后，通过无线电将数据传给岸站接收机，岸站接收机接收完成后，再传送给上位 机，因此，数据传输属于一个准实时过程。 4 1 通讯协议 所谓通讯协议是指通讯双方的一种约定。包括对数据格式、同步方式、传输 速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题作出统一的规定，通讯双 方共同遵守。包括硬件协议和软件协议硬部分，下面分别介绍。 上位机和岸站接收机硬件协议采用标准r s 一2 3 2 一c 通讯接口。r s 2 3 2 c 标准的 全称是e i h r s 一2 3 2 c 标准，它是1 9 6 9 年由美国工业协会( e i a ) 联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。该标准 舰定采用一个2 5 脚的d b 2 5 连接器，实际上最常用的是九脚的d b 9 连接器。计算 机和终端通讯一般使用3 - 9 条引线。这罩使用t x d ( 发送数据引脚2 ) 、r x d ( 接 收数据引脚3 ) 、g n d ( 地线引脚5 ) 三报信号线进行异步通讯。连接方式如图 4 一l 所示。上位机端接插件接口标准为d b 一9 母头。传输时采用波特率9 6 0 0 p b s ， 无奇偶校验位，8 个数据位，1 个停止位。 s z f 波浪方向浮标数据接收和处理系统 接上位机接岸站接收机 图4 - 1r s 2 3 2 接口连接图 上位机和岸站接收机之间的实时数据传输软件协议采用m o d b u s 协议。 m o d b u s 协议是莫迪康公司的p l c ( 可编程逻辑控制器) 设备支持的一种协议， 用于完成上位机与p l c 设备的通讯过程。由于m o d b u s 协议的通用性，现在已成 为应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器 经由网络( 例如以太网) 和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。 有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。使用该协 议后，用户可将不同的仪器进行联网监控。 m o d b u s 协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过 何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来 自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公 共格式。 标准的m o