（信号与信息处理专业论文）海洋环境监测数据采集器研制及其数据处理方法设计.pdf

摘要 随着全球陆地资源的日趋紧张和环境的不断恶化，海洋资源的重要性日益凸现，人 类社会的发展必然越来越多地依赖海洋，而海洋环境监测的能力，直接影响着海洋资源 丌发和海洋环境保护的程度和效果。为此本文结合国内外海洋环境监测技术的现状，分 析了海洋环境监测的特点，根据现场的应用需求，对海洋环境监测数据采集器进行了设 计与开发，同时设计了海洋环境监测中关键参数的有关数据处理方法。 通过分析海洋监测中各个环节的结构和关键问题，确定了海洋坏境监测系统的功能 需求，提出了以双单片机为核心，具有多种接口和大容量存储器的数据采集器的整体设 计方案。在设计中主要开发了数据存储模块、实时时钟模块、模数转换模块、串口通信 模块和提高数据采集器抗干扰性的复位监测模块的软、硬件，实现了数据的采集、存储、 处理、传输等功能。 根据数据采集器和上位机软件对数据处理的不同需求，对海洋环境监测中关键参数 的相关数据处理方法进行了设计。在对几种数据处理方法的分析和比较的基础上，采用 复合滤波的方法实现了数据采集器中的数字滤波；根据风速、风向的特点提取了极大值 点和最大值点；使用数据插值和曲线拟合的方法对潮位值进行了数据补遗；结合潮汐的 规律采用滑动平均法完成了高低潮位值的提取。 实验室模拟调试实验和现场实际数据处理结果表明，设计的数据采集器能够完成主 要水文、气象参数的采集并进行数据预处理；在上位机中对关键参数数据的处理也取得 了预期的效果，为海洋环境数据处理其它环节的研究提供了较为准确的数据基础。 关键词：海洋环境监测；数据采集；数据处理 d e v e l o p m e n to fd a t ac o l l e c t o ra n d i t sd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d s i nm a r i n ee n v i r o n m e n t j ib e n h a o ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rm ax i g e n g ，l e c t u r e rl il i g a n g a b s t r a c t w i t ht h eo v e 卜e x p l o i t a t i o no fl a n dr e s o u r c e sa n dt h ee n v i r o n m e n t a ld e s t r u c t i o n ，t h e m a r i n er e s o u r c e sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h eh u m a ns o c i e t y sd e v e l o p m e n t t o s o m ee x t e n t ，t h em a r i n em o n i t o r i n ga b i l i t yd i r e c t l ya f f e c t st h el e v e lo fm a r i n er e s o u r c e d e v e l o p m e n t b a s e do nt h en e w e s tm a r i n em o n i t o r i n gt e c h n i q u e sa n dt h ef e a t u r e so fo u r c o u n t r y sm a r i n em o n i t o r i n gf i e l d ，t h i st h e s i sd e s i g n sa n dd e v e l o p sam a r i n em o n i t o r i n gd a t a c o l l e c t o ra n dt h ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o d so ft h em a r i n em o n i t o r i n gk e yp a r a m e t e r s b ya n a l y z i n ga l ls t r u c t u r a la n dk e yp r o b l e m se x i s t i n gi n m a r i n em o n i t o r i n gf i e l d ，t h i s t h e s i sd e t e r m i n e st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fm a r i n em o n i t o r i n g ，a n dp u t sf o r w a r dt h ed a t a c o l l e c t o r so v e r m ld e s i g n t h ed a t ac o l l e c t o rh a sav a r i e t yo fi n t e r f a c ea n dm a s ss t o r a g e ，w i t h d o u b l es i n g l e - c h i pa st h ec o r e t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fd a t as t o r a g em o d u l e ，r e a l t i m e c l o c km o d u l e ，a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nm o d u l ea n dr e s e tm o n i t o r i n gm o d u l ea r ed e v e l o p e d t h a tr e a l i z et h ef u n c t i o n ss u c ha sd a t ac o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n g ，s t o r i n ga n dt r a n s f e r r i n g a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tn e e d so fd a t ac o l l e c t o ra n dt h eh o s tc o m p u t e rf o rt h ed a t a p r o c e s s i n g ，t h ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o d so fk e yp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e d b ya n a l y z i n gm a n y d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h ec o l l e c t o r sd i g i t a lf i l t e ri sr e a l i z e dw i t ht h ec o m p o u n df i l t e r m e t h o d e x t r e m ea n dm a x i m a lp o i n t sa r ee x t r a c t e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e w i n ds p e e da n dd i r e c t i o n t h ev a l u eo ft i d el e v e li ss u p p l e m e n t e db yi n t e r p o l a t i n ga n dc u r v e f i t t i n g t h em o v i n ga v e r a g em e t h o d i su s e dt oe x t r a c tt h ev a l u e so f h i g ha n d l o wt i d el e v e l r e s u l t so fd a t ac o l l e c t o r st e s ta n df i e l dd a t ap r o c e s s i n gh a v es h o w nt h a tt h ed a t a c o l l e c t o rc a nc o l l e c ta n dp r o c e s sd a t ao fh y d r om e t e o r o l o g i c a l p a r a m e t e r s t h ed a t a p r o c e s s i n go fk e yp a r a m e t e r si nt h eh o s tc o m p u t e rh a v eg o ta ne x p e c t e de f f e c t ，a n dp r o v i d e s a c c u r a t ed a t ab a s i sf o ro t h e rr e s e a r c h e so fm a r i n em o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n g k e yw o r d s ：m a r i n ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ；d a t ac o l l e c t i n g ；d a t ap r o c e s s i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：蠓李钦日期：z 。矿7 年r 月互e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：塑查垫 指导教师签名：主鸶窿习萼l 日期：2 d 。( 7 年歹月乙产日 日期：研年f 尸垆日 中困石油人学( 华东) 硕i ：学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 随着全球陆地资源日趋紧张和环境的不断恶化，海洋资源的重要性同益凸现，人类 社会的发展必然越来越多的依赖海洋。目前，世界各国纷纷将目光转向海洋、丌发海洋 资源、发展海洋经济成为沿海国家国民经济的重要支柱，也是可持续发展战略的前沿阵 地。我国是一个发展中的沿海大国，拥有三百万平方公里的管辖海域，海洋面积约为陆 地国土面积的三分之一，海洋对我国的经济、政治、国防和文化都有极其重要的意义。 毋庸置疑，要建设海洋强国，有效开发海洋资源，发展海洋经济和保护海洋环境， 必须首先认识并掌握海洋自身所具有的环境特点和变化规律。而海洋环境监测作为人类 了解海洋的主要手段之一，己成为监督管理海洋环境和促进经济发展、保障人生健康、 维护国家安全的重要基础性工作。从某种意义上说，海洋环境监测的能力水平，直接影 响着海洋资源开发和海洋环境保护的结果i 。 1 1 1 海洋环境监测的背景 现代海洋开发带来巨大经济效益的同时，也带来一系列资源和生态环境问题。目前 近海渔业资源捕捞过度，使海洋生物资源受到了严重的破坏。海洋环境污染日趋严重， 生态环境也日趋恶劣。陆源污染是海洋环境污染最主要的污染源，石油生产也严重污染 海洋环境。此外还有不断增加的有机物质、营养盐和大量的放射性物质进入海洋，工业 热污染以及其他固体物质对海洋的污染也在加强。我国海洋污染主要来源于陆源排污， 排入中国海域的污水和各种有毒物质8 0 来自陆地。7 0 年代以前只在少数海域发生的 赤潮，近年来发生频率逐年增加，面积加大，持续时间增大，损害严重。而缓慢性的灾 害如：厄尔尼诺、海岸侵蚀、海平面升降等灾害也频频出现，因此海洋环境监测技术的 研究和开发显得尤为重要。我国的海洋经济近年来得到长足的发展，但是海洋环境正在 恶化的事实提醒我们注意保护海洋环境。在中国海洋2 l 世纪议程中，已将防止、减 轻和控制陆上活动对海洋环境的污染损害，重点海域的环境整治与恢复，海洋环境污染 监测能力建设，完善海洋环境保护法律制度等方面提到日程上来。如何保持海洋经济快 速发展的同时，海洋生态环境不会进一步恶化，而且使某些海域的环境质量在一定程度 上有所改变；如何加强海洋灾害要素成因机制和相互作用研究、提高预报技术和水平用 于预防和减轻海洋灾害，以缓解海洋经济发展与环境之间的矛盾是我们当前必须面对和 第l 幸绪论 解决的问题【2 j 。 我国海域海洋环境要素的多变性、复杂性和海洋灾害的残酷性给我们开发利用海洋 带来了困难。人类在大规模开发利用海洋、保护和改善海洋环境、防御海洋灾害和维护 国家安全时，首先应该认识、研究海洋的变化规律。而认识、研究海洋的变化规律，就 必须对海洋进行持久性的监测，获取连续、可靠的数据，进行分析评价。海洋监测的时 空尺度连续性越长，监测数据的代表性越好，对海洋的认识程度也就更清楚。只有在掌 握了海洋环境变化规律的基础上，才能科学、合理、经济地丌发利用海洋。因此，可以 说，海洋环境监测资料是开发利用，管理和研究海洋的基本的科学依据，海洋环境监测 工作在海洋事业中处于先行基础地位【3 】。 海洋环境监测的基本目的是全面、及时、准确掌握人类活动对海洋环境影响的水平、 效应及趋势。其在海洋环境保护工作中的基础性地位和重要作用至少表现在以下方面： 一是检验海洋环境政策效果的标尺，为各级政府制定海洋环境政策提供基本依据；二是 政府监督管理海洋环境的基本手段，为海洋环境执法提供技术监督；三是海洋经济建设 的基本保障，为海洋产业丌发提供技术服务；是沿海人民群众生活的基础，为人类海上 活动安全提供环境信息服务；四是预防赤潮等海洋环境灾害及海洋污染事故防治的基础 性工作，为减灾防灾提供服务。在新世纪之初，全面回顾我国海洋环境监测工作的历史， 找出存在的问题，制定相应的方针和政策，对于我国海洋环境监测和海洋环境保护事业 的健康发展是十分必要的【4 1 。 在很多不同的领域海洋环境监测扮演着重要的角色。在海洋环境保护工作中它具有 重要的意义：监测以海洋环境保护为目的，是制定海洋政策的基本依据；监测是监督管 理海洋环境的重要手段，是海洋环境保护监督的基础和技术保障，是海洋环境管理执法 体系的基本组成部分；同时在海洋环境科学研究中它又是重要组成部分：监测是海洋经 济建设的基本保障，为海洋产业丌发提供技术服务，是沿海人民群众生活的基础，为人 类海上活动安全提供环境信息服务；另外它还是预防海洋环境灾害及海洋污染事故防治 的基础工作，为减灾防灾提供重要的信息。海洋环境监测技术是海洋环境监测工作的技 术支撑。加速发展海洋环境监测技术，能够实时有效的获得海洋环境数据，为海洋环境 管理、资源保护、灾害监测、海上生产作业和海洋军事等活动提供更好的技术设备和信 息平台，为合理开发蓝色国土和振兴海洋经济提供有力保障【5 l 。 2 中固石油大学( 华东) 颂i ：学位论文 1 1 2 海洋环境监测的意义 我国为适应沿海经济建设和社会发展、海洋环境保护、防灾减灾和科学研究的需要， 已基本建立了适应我国国情需要的海洋环境监测系统。这个系统包括海洋监测站、浮标、 调查船以及航空和卫星遥感资料的分析处理等。随着海洋事业的深入发展，这一系统需 要更进一步完善、更新，并向着现代化、自动化方向发剧1 1 。 先进海洋监测技术的应用，使得我国的海洋环境监测本着兼顾的原则，在项目及内 容均有所位、多介质、重点突出、各方需求全方扩展。监测项目已由过去单一的水质监 测扩展为水文、气象、物理、化学、生物、生态环境、污染事件等全项目、多介质、多 学科的监测，并能够对海洋环境实施业务化、全天候、不间断的动态监测。监测内容也从 单一展到今天的趋势性监测发的趋势性监测、监督监测、功能区监测、灾害监测等多种 监测的结合。随着海洋高新技术的不断发展，未来的宇航船和深潜探测技术也将成为全 国海洋环境监测网组成部分，应用于海洋环境监测活动之中。 海洋行政管理、海洋开发利用、海洋灾害预测、海洋环境保护等工作必须是建立在 了解和掌握海洋环境资源的基础上。描述海洋状况的实质就是依靠长期、连续的海洋监 测调查，获取包括水文、气象、生物、化学和地质及其相关的全部自然、非自然要素的 四维基础数据，将海洋“数字化”、“透明化”。可见，海洋监测工作是一项非常重要的 基础工作，同时也是一个具有多层次、多站点、多手段和长期连续、综合交叉的复杂过 程。因此必须建立一个科学的海洋环境监测系统将海洋环境监测工作进行统一组织、统 一管理、统一协调，才能真正实现提供准确可靠的数据、科学合理地规划、充分利用资 源和可持续发展的目的。 系统是同类事物按一定的关系组成的整体，系统集成是系统整体的集成和制作。海 洋环境监测系统是实施海洋环境监测的重要手段和基础。其主要工作任务是：将现场海 洋监测仪器设备所获得的实时监测数据、实验室对海水样品检测所获得的分析数据及通 过互联网或资料交换得到的数据，通过多种通信方式汇集到海洋数据监测中心，并对其 进行质检、处理和加工后，建立基础数据库和信息产品库，并通过公共信息传输网将数 据和信息产品进行规范化服务。 一个完整的海洋环境监测系统的数据流程如图1 1 所示。 海洋环境监测系统实质上是根据标准化的原理，设计并制造出若干组通用性强的子 系统，经过设计、配置和实施，组成满足海洋环境监测数据顾客需要的有机整体。该系 统集成时需要解决各种设备之间、网络系统之间、异构数据库之间、应用丌发工具之问、 3 第l 章绪论 人机界面之间的接口问题，也就是说，系统集成的水平和能力直接体现在对系统接口的 处理水平和能力上。解决接口问题的根本途径就是按照标准化的原则，进行系统的通用 化、系列化和模块化。从产品概念考虑，监测数据集成系统标准是由与其相关的一系列 标准作技术支撑的，在原则上是依据相应的标准对子系统和接口进行系统定型的，所以 说标准的选取或制定在一定程度上影响监测系统的发展。目前国内还没有制定出海洋环 境数据监测系统产品标准，主要以丌发合同的技术指标为基础，由海洋标准技术归口单 位、系统主持研制单位和系统运行管理单位制定内部控制标准，作为该系统的检测定型 依据【6 1 。 图1 - 1 海洋环境监测系统的数据流程 f i g l - 1 d a t af l o wo fm a r i n ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m 1 2 课题研究的现状 当前，世界上许多技术先进国家如美国、英国、澳大利亚等，己经或正在建立本国 的海洋环境监测系统，针对明确的目标，实施全方位综合海洋环境监测。 1 2 1 国外现状 从2 0 世纪7 0 年代开始美国、加拿大、欧共体等海洋强国就丌始研究海洋监测技术， 经过持续多年的投入和发展，这些国家的海洋监测技术已走在世界前列。 ( 1 ) 美国h a b s o s ( h a r m f u la l g a lb l o o m so b s e r v i n gs y s t e m ) - 该系统是一个以管 理有害藻华数据、事件，分析、预测其影响等为目标的集成的、综合的信息通信系统， 最初在墨西哥湾使用，现在己经逐步应用于全美沿海地区。该系统依赖由卫星、海岸基 4 中困石油人学( 华东) 坝一l 学位论文 自动观测站、浮标等现场监测系统组成的立体监测网络，获取全方位、高频率的监测数 据，为预测、预报服务提供支持。 ( 2 ) 欧洲r o s e s ( r e a l t i m eo c e a ns e r v i c e sf o re n v i r o n m e n ta n ds e c u r i t y ) ：r o s e s 是一个综合的海洋环境资源信息平台，提供丰富的数据产品和服务。它通过现场监测系 统获取实时的海洋监测数据。目前r o s e s 对七个地区的有害藻华进行监测，不久，将 会拓展到全欧洲。 ( 3 ) 全球海洋观测系统g o o s ( g l o b a lo c e a no b s e r v i n gs y s t e m ) ：g o o s 是联合国 教科文组织政府白j 海洋学委员会( 简称海委会) 迄今发起的全球性最大、综合性最强的 海洋观测系统。该系统将在现有的各专业观测系统( 如全球海洋站综合观测系统i g o s s 、 全球海平面观测系统g l o s s 等) 的基础上，通过发展高新技术( 如卫星、声学监测等) 进一步提高和完善监测手段，为海洋预报和研究、海洋资源的合理开发和保护、控制海 洋污染、制定海洋和海岸带综合开发和整治规划等提供长期和系统的资料。目前，欧洲 已成立了欧洲海洋观测系统( e u r o g o o s ) ，美国和加拿大建立了美加g o o s 。此外， 在一些地区还召开了g o o s 研讨会。g o o s 已成为海委会今后一个时期内乃至下一个世 纪的重点计划【7 l 【引。 总体上来看，海洋环境监测己进入立体观测时代，随着科学技术的飞速发展，许多 国家在建立立体环境观测监测系统的同时，特别重视沿岸台站的技术建设，如美国、德 国、泰国和印度等国家，都相继建成或正在建设现代化的、能够长期运行的自动海洋观 测站。国外投入运行的自动海洋站的主要特点有： ( 1 ) 在海洋监测方面采用高科技手段，广泛地利用计算机进行连续的采集、处理： 利用计算机网络通讯技术和卫星通讯技术进行海洋观测信息大容量、快速和准确的传 输。观测现场尤其是在海岛、平台和工作、生活条件十分艰难的台站，均己实现了无人 值守。 ( 2 ) 按照模块化、集成化和网络化的原则设计自动观测系统，使所有自动站获取 的数据实现标准化，便于操作和管理，这对于海洋台站环境观测业务管理和观测设备的 产业化非常重要。 ( 3 ) 目前，大多数发达国家都在致力于海洋环境污染现场自动测量技术的研究， 在自动观测站增加多种海洋化学和海洋生物等方面的水质监测项目【9 1 。 5 第1 幸绪论 1 2 2 国内现状 我国是海洋大国，但还不是海洋强国，海洋科学与技术的发展水平与海洋强国存在 很大差距。作为海洋科学和技术的一部分，海洋监测技术水平也落后于先进海洋国家十 到十五年，大部分海洋监测站仍旧以人工监测为主，自动化水平较低。国内自主研发的 一些监测设备也由于缺乏成果的标准化鉴定，直无法进入市场，国内高档海洋仪器市 场的9 5 被国外产品所占据【7 】【8 】1 1 0 1 。 我国从8 0 年代中期开始建立了“全国海洋坏境污染监测网”，其后的十几年中，海 洋、环保、交通、水电、海洋石油以及地方政府一些部门和机构都或多或少地参与了该 网的运行。到目前为止，除国家海洋局之外，环保、水利、农业、科研、海军、交通、 气象、海洋石油等部门也都各有侧重地建立了一些设施，开展着一些有关海洋的监测活 动。虽然上述各涉海部门都多多少少开展了一些海洋监测工作，但其目的和项目大都较 为单一，缺乏对海洋环境整体状况的跟踪和描述。而国家海洋局作为国家海洋行政主管 部门，无论在海洋环境监测方面的投入、监测要素的设置、还是在监测覆盖的海域、当 前具备的能力等方面，在我国均占主导地位，其发展状况基本代表了我国海洋环境监测 的整体水平和综合能力1 1j 。 我国的海洋监测技术及其开发的仪器设备，虽然与发达海洋国家相比尚有较大差 距，但经过几十年来的努力，特别是“九五 期间的海洋监测高技术研究，已取得了一 批成果，开发了一系列产品，实现了跨越式发展，显著缩短了与发达国家在海洋监测技 术方面的差距。为了进一步推进我国海洋监测技术发展，国家在“十五”计划中持续加 强对海洋监测技术的支持力度，目标是在c o o s ( 全球海洋监测系统) 框架下，建设中 国近海海洋立体监测系统，加强对近海环境的调查和监测，提高数据处理和数据产品服 务能力，促进人口、资源、环境的协调发展，支持海洋强国的建设。 1 3 本文的主要内容 本文主要针对海洋环境的实际情况，结合国内外海洋环境监测技术的现状，进行了 海洋环境监测系统中数据采集器的设计与开发，然后结合海洋环境监测关键参数各自的 特点，对数据采集器中的原始数据预处理方法和检测中心的上位机软件数据处理方法进 行了设计。本文共分为四章，各章内容如下： 1 第一章介绍了课题的背景和研究意义，以及国内外海洋环境监测技术的发展状 况。 6 中国石油人学( 乍东) 硕 j 学位论义 2 第二章介绍了海洋环境监测系统的总体设计框架以及数据采集、数据管理、数 据产品三个子系统的基本功能。 3 第三章首先提出了数据采集子系统总体设计方案，并设计了技术路线及总体架 构，然后分别从硬件电路和软件编程两方面对数据采集器各功能模块进行了设计，实现 了数据的采集、存储、处理、传输等功能。 4 第四章分别从数据采集子系统和数据管理子系统两个方面对关键参数数据处理 方法进行了设计，主要包括：数字滤波方法设计，特征值提取方法设计和数据的插值、 拟合方法设计。 最后对全文进行了总结，并对今后的工作提出了展望。 7 第2 章海洋环境l l , i l o m m- + 6 潮何o 2 2 0 0 m3 o m m数字量信号 水文参数 温度 4 - 4 0 0 5 模拟量信号 盐度 8 3 60 5 模拟量信号 从表3 - 1 中可以看出，数据采集器的设计还必须符合以下几个要求： 1 ) 具有多种接口，可接入各种传感器的数字量、脉冲量、模拟量信号。 2 ) 至少有两个串行通信接口，用来接通信模块( 无线通信模块或网络转串口模块) 和数字量传感器。 3 ) 具有多通道模数转换器，可以接入表3 - 1 中的主要模拟量参数传感器，为了达 到要求的准确度、精度、分辨率，模数转换器必须是高精度，高分辨率的，至少是1 2 位的模数转换器。 4 ) 数据采集器具有大容量数据存储器，在所有传感器均连接的情况下，数据存储 时间不少于一个月，使得历史数据、当前数据均可上传至数据中心。 3 2 数据采集器的硬件设计 数据采集器安装于现场监测平台上，其基本工作过程是：数据采集器通过各类监测 1 6 中国z i 油人学( 扛东) 硕i ：学位论义 传感器( 如温度传感器) ，采集海洋中的基本监测环境参数变量( 如潮位、水温、盐度 等) ，然后对其进行预处理，并按照系统定制的数据交换标准将采集的监测参数数据封 装打包，通过数据通信网络( 以太网或c d m a g p r s 等) 将封装好的数据包实时地传输 给上层监测台站。实现海洋环境参数现场监测、采集和实时数据传输的自动完成。在海 洋环境监测系统底层基础的数据采集子系统中，数据采集器是核心部分。 3 2 1 数据采集器核心部件选型 根据系统对海洋环境参数数据采集的功能要求，在设计中本文选择了a t e m l 公司的 a t 8 9 s 5 2 型单片机作为主控制器。单片机( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 是把组成微型计算机 的各功能部件：中央处理器c p u 、随机存取存储器r a m 、只读存储器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。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求制定设计的，故又叫单片 微控制器( s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r ) 2 2 】。 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 8 位微控制器，具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引 脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片 上，拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可编程h a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应用 系统提供高灵活、超有效的解决方案【2 3 】。a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能： 与m c s 5 1 单片机产品兼容 8 k 字节在系统可编程f l a s h 存储器 1 0 0 0 次擦写周期 全静态操作：0 h z 3 3 h z 三级加密程序存储器 3 2 个可编程i o 口线 三个1 6 位定时器计数器 八个中断源 全双工u a r t 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 1 7 第3 章海洋环境：临测数据采集器的设计j 开发 双数掘指针 掉电标识符【2 4 l 考虑到数字量传感器和无线通信模块的接口方式都是选用标准的r s 2 3 2 通信口， 处理器必须至少有2 个u a r t 串口，一般普通的5 1 系列单片机只有一个串口，也有一 些采用5 1 内核功能比较强大的单片机有两个以上的u a r t 串口，但价格都较贵，并且 功能复杂容易给程序运行带来不稳定因素，所以本文选择扩展串口。 通常扩展串口的方法有三种：第一种方法是软件模拟串口，这种方法可以满足简单 的数据传输，波特率不能设置很高；第二种方法是使用串口扩展芯片如m i c r o c h i p 公司 的1 6 c 5 5 系列，通过和单片机简单的连接就可以扩展出2 8 个全串口，这些串口在使用 上和单片机自带串口没有区别；第三种方法是使用两个普通的5 1 系列单片机。 结合成本考虑和实际应用情况，本文选用双单片机的方法来实现u a r t 串口的扩 展，两个都采用a t 8 9 s 5 2 型单片机。 3 2 2 数据采集器的硬件总体架构 针对海洋环境监测的具体要求，结合数据采集器设计要点，本文提出数据采集器总 体框图如图3 2 所示。 a 1 0 a i l a 1 7 拟输入 图3 - 2 数据采集器总体框图 f i 9 3 - 2f r a m ed i a g r a mo f d a t ac o l l e c t o r 考虑到海洋监测站对气象监测：包括气温、湿度、气压、雨量、风速、风向和水文 观n - 包括潮汐、水温、盐度的要求，本文设计的模块化高性能数据采集器在硬件上需 要具有多种接口，可接入各种传感器的数字量、脉冲量、模拟量信号。 本文设计的数据采集器采用r s 2 3 2 标准串口连接数字量传感器，单片机可通过串口 1 8 中困石油人学( 1 芦东) 顾i j 学位论义 与传感器直接通讯；模拟量传感器发出的用来表示参数大小的电压信号需要通过模数转 换器转换才能传给单片机，所以，数据采集器中必须含有模数转换器。 为了防止网络中断或监测中心上位机发生故障导致传送的数据丢失，采集器中需要 配备大容量非易失类存储器，这样既可为上位机提供历史数据查询，也给采集器中的数 据预处理提供原始数据和结果数据存储空间。 单片机通过实时时钟芯片为存储器中数据添加时间参数，可使得数据的查询更方 便，有利于数据采集器和监测中心上位机的同步。 为了确保数据采集器在无人看守的情况下正常运行，在非正常掉电时，能在上电后 自己正常复位，减少数据采集器的运行不稳定因素。本文还添加了复位监测芯片，提高 数据采集器的抗干扰性。 3 2 3 数据采集器各功能模块硬件设计 由数据采集器的硬件总体框图可以看到，数据采集器主要功能模块包括：数据存储 模块、实时时钟模块、模数转换模块和串口通信模块。 1 数据存储模块的硬件设计 由于本系统至少要保存6 0 天的数据，数据采集频率为一秒一次，数据量较大，所 以必须选取一大容量的数据存储器芯片，考虑到采集器的工作环境是无人监守的监测平 台，数据存储器还必须带掉电保护功能。 1 ) 数据存储芯片的选型 本文选择了m a x i m d a l l a s 公司的d s l 2 7 0 y 型数据存储器芯片，该存储器芯片为2 m 8 b i t 的n v r a m ( n o n v o l a t i l es r a m ) 全静态非易失s r a m ，2 1 根地址线，8 根 数据线，读写速度可达7 0 n s 。每个n v s r a m 均自带锂电池及控制电路，控制电路连续 监视供电电压是否超出容差范围，一旦超出容差范围，锂电池便自动切换至供电状态、 写保护将无条件使能、防止数据被破坏。该器件没有写次数限制，可直接与微处理器接 口、不需要额外的支持电路【2 5 1 。 2 ) 数据存储芯片外围电路设计 本文设计的采集器采用了双单片机核心，同时将数据的采集( 单片机1 的主要功能) 和采集器与监测中心上位机的通信( 单片机2 的主要功能) 分置在两个单片机中进行， 为了便于两个单片机之i i 白j 相互进行数据交互，两个单片机公用一块存储器，在存储器中 划分一定区域( 地址为1 f f f f f h 1 f f f 0 0 h ) 作为数据缓冲区，实现两个单片机之间的 1 9 第3 幸海洋环境临测数据采集 的设计j 开发 通信，具体框图如图3 - 3 所示。 监控线 图3 - 3 数据存储器与单片机的连接图 f i 9 3 - 3c o n n e c t i o nb e t w e e nd a t am e m o r ya n ds i n g l e - c h i p 为了使两个单片机在访问数据存储器的时候不发生冲突，在每个单片机的外部扩展 三总线( 地址总线、数据总线和控制总线) 前加了一个7 4 2 4 5 八总线接收发送器， 收发器的使能端被单片机通过一个i o 脚来监控，从而达到监控单片机对数据存储器读 写的目的。 2 实时时钟模块的硬件设计 为了便于数据的查找和存储，采集器必须给每个数据都添加时间参数并且于上位机 时钟同步，很多人采用单片机的定时器编程实现这一要求，这种方法在硬件上虽然简单， 但软件编程比较复杂，且在使用上也不太方便，如果断电，还需要重新设置时间。本文 选用更为简化的实时时钟芯片来实现。 1 ) 实时时钟芯片的选型 美国d a l l a s 公司推出的串行接口实时时钟d s l 3 0 2 的主要特点是使用简单、接口容 易、与计算机连线少，还可以对时钟芯片备用电池进行慢速充电。 d s l 3 0 2 内部具有实时时钟、日历和用户可用r a m 。通过一个3 线串行i o 接口与 微机通信，可根据月份和闰年的情况自动调整月份的结束同期。时钟可由用户决定是以 2 4 小时制式或1 2 小时制式工作。该芯片的工作电压范围为2 5 v 一5 5 v ，对v c c l 有可选 的涓流充电能力，双电源管用于主电源和备份电源供应，备份电源管脚可由电池或大容 量电容输入【2 6 】。 2 ) 实时时钟芯片的外围电路设计 中国t i 汕人学( 华东) 硕i j 学位论文 本文设计的采集器中实时时钟芯片是和采集单片机直接连接的，在采集单片机定时 通过传感器和模数转换芯片采集数据后，可以很方便的通过实时时钟添加时间参数，但 同时给实时时钟芯片与上位机时间同步带来了不便，可通过在存储器高位固定地址定时 刷新实时时问，实时时钟芯片初始化控制字从存储器高位固定地址直接读取来解决这个 问题。 该硬件电路设计简单，抗干扰能力强。d s l 3 0 2 三条接口线可接到单片机的任何通 用双向并行接口线上。 实时时钟芯片d s l 3 0 2 与单片机的连接如图3 4 所示。 l v c c 卜一 v c c 2v c c i i - j 3 v 芒喜3 2 7 6 8 k x ls l kp 1 1 _ x 2i o p 1 2 i i g n dr s t 一1 p 1 3一 i 一、j n s i 气n ，a t r q r 气 图3 - 4d s l 3 0 2 与单片机的连接图 。 f i 9 3 - 4 c o n n e c t i o nb e t w e e nd s1 3 0 2a n ds i n g l e c h i p 主电源v c c 2 备用电源v c c t 在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。 d s l 3 0 2 由v c c a 或v c c 2 两者中的较大者供电：当v c c 2 大于v c c l + 0 2 v 时，v c c 2 给d s l 3 0 2 供电，当v c c 2 小于v c c l 时，d s l 3 0 2 由v c c l 供电。x 1 和x 2 是振荡源，外接3 2 7 6 8 k h z 晶振，r s t 是复位片选线，通过把r s t 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。r s t 输入有两种功能：首先，r s t 接通控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器；其 次，r s t 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当r s t 为高电平时，所有的数据 传送被初始化，允许对d s l 3 0 2 进行操作。如果在传送过程中r s t 置位低电平，则会终 止此次数据传送，f o 引脚变为高阻态。上电运行时，在v c c 7 2 5 v 之前，r s t 必须 保持低电平。i o 为串行数据输入输出端( 双向) ，s c l k 始终是输入端。 考虑到本数据采集器是工作在无人监守的海洋监测站点，如果供电电源发生掉电的 情况，短时间内是无法得到正常恢复。虽然d s l 3 0 2 耗电很小，但是，如果要长时问保 证时钟正常，使用超级电容器作备用电源是不能满足要求的，本文选用3 6 v 的镍镉充 电电池，基本可以满足d s l 3 0 2 的工作需求。 3 模数转换模块的硬件设计 在海洋环境监测系统中数据采集器通过传感器采集到的信号有数字量，也有模拟 2 l 第3 章海洋环境临测数据采集器的改计。j 开发 量，如水温、盐度等。本文选用了多通道、高精度的模数转换器m a x l 9 7 来满足系统 中多路模拟量信号的采集。 1 ) 模数转换芯片的选型 m a x l 9 7 是一种单电源、多量程、8 通道、并行1 2 位d 转换器，其采样速率可 以达到1 0 0 k s p s ，采样有效动态范围可增至1 6 位。由于该芯片在片内已有采样跟踪保持 电路和内部参考电压源，所以在应用时，所需外围元件极少，因此，用m a x l 9 7 构成 的数据采集器具有硬件结构简单、体积小和可扩展功能多的优点。m a x l 9 7 具有以下工 作特点： 单一电源供电 内设4 0 9 6 v 基准电压源( v r e f ) 具有8 个采集通道，可独立设置多种输入范围：i o v 、+ 5 v 、0 v 至1 0 v 或0 v 至5 v ，且任何通道的故障都不影响其它通道的变换结果 内设5 m 带宽的跟踪保持电路，采样速率为1 0 0 k s p s ，软件可选内部或外部时钟与 采集控制 标准微处理器( t p ) 接口，8 + 4 并行数据总线【2 7 1 。 2 ) 模数转换芯片的外围电路设计 模数转换器m a x l 9 7 与单片机的连接如图3 5 所示。 d o d 8a g n d p 1 0 d 1 d 9c h 0 p 0 d 2 d l oc h l d 3 d l lc h 2 1 p 2 4 d 4c h 3稹拟景信号输入 p 2 6 d 5c h 4 n p 3 6d 6c h 5 d 7c h 6 p 3 7 v c c 卜一s h d n c h 7 i h b e ni n t a t 8 9 s 5 2 r dr e f a d j 2 ! 一 w r r e f i o o l i c sv d d i 、，、，、l c l kd g n d h 乩币7 亓 l 图3 - 5m a x l 9 7 与单片机的连接图 f i 9 3 5 c o n n e c t i o nb e t w e e nm a x l 9 7a n ds i n g l e c h i p c h 0 一c h 7 为八路模拟信号的输入端口，i n t 为中断信号输出口，d o d 7 引脚为测 中困“油人学( 华东) 顾i ：学位论文 量数据输出口。当测量转换结束时，输出中断信号，转换后的数据分两批输出，当h b e n 为高电平时，输出高四位数据，当h b e n 为低电平时，输出低八位数据。s h d n 为省 电控制端，当s h d n 为低电平时，m a x l 9 7 进入省电模式。w r 和r d 引脚分别为控 制指令写入引脚和状态读出引脚，c s 为片选引脚，低电平有效【2 8 l 。 对模数转换器来说，高精度的参考电压是十分重要的，因为它可以直接影响数据转 换的精度，一般的模数转换器都要外接参考电压，而m a x l 9 7 却内部自带参考电压， 所以外围电路十分简单，考虑到有些设计需要用统一的参考电压，所以它提供了外部和 内部两种参考电压的设置方式供选择。 m a x l 9 7 参考电压的电路的接法如下： 采用内部参考电压，参考电压值为4 0 9 6 v ； 采用外部参考电压，参考电压值为4 0 9 6 v ； 采用外部参考电压，参考电压值为2 5 v ，如图3 - 6 所示【2 9 l 。 本文选用的是第三种接法，由于数据采集器的供电源电压为1 2 v ，通过可调变阻器 分压，可获得精确的2 5 v 参考电压。 r e f r e f d j 4 0 9 6 v r e f r e f d j r e f r e f d j m a x l 9 7m a x l 9 7