_侯平宇_信息科学与工程学院_电子与通信工程

1、 文本复制检测报告单(全文标明引文)检测文献:作者:检测范围:21110233008 _侯平宇_信息科学与工程学院_电子与通信工程中国学术期刊网络出版总库 中国博士学位论文全文数据库/中国优秀硕士学位论文全文数据库中国重要会议论文全文数据库 中国重要报纸全文数据库中国专利全文数据库 互联网资源 英文数据库(涵盖期刊、博硕、会议的英文数据以及德国Springer、英国Taylor&Francis 台学术文献库 优先出版文献库互联网文档资源个人比对库 1900-01-01至2013-03-24 期刊数据库等)时间范围:可能已提前检测，检测时间：2013-3-15 14:04:37，检测结果：9.9

2、%0 引言 0.1 设计深海传感器搭载平台的目的与意义 自从人类诞生以来，就通过不断的观测来了解我们赖以生存的地球，而由于工具的限制，我们的观测只能局限于地球表面。这种表面的观测，虽然能带给我们一些有用的数据，但不可否认采用这种方式来认知地球仍具有很大的局限性。随着新世纪科学技术的飞速发展，人类开始使用多种探测技术来观测地球，如20世纪出现的地球遥感技术，开始从空间获取地球信息；海底观测技术，可获取海洋浅层的数据，这些技术极大地丰富了我们的观测信息量；但这些技术主要的观测对象局限于地面与海面。对于大洋深海的观测仍是一片空白。 众所周知，海洋占据了地球的绝大部分面积，在这片广袤的海面不仅蕴藏着丰

3、富的矿产资源，如多金属结核，海底硫化物，可燃冰等，而且还生存着各种微生物群如不存在细胞核的原核生物。要想实现对这些能源的利用，并实现对深海微生物、海- 1 - 1. 21110233008 _侯平宇_信息科学与工程学院_电子与通信工程_第1部分总字数：4153 文字复制比：0%(0)(0) 原文内容 总文字复制比：0.1%去除引用文献复制比：0.01%去除本人已发表文献复制比：0.1% 单篇最大文字复制比：0.1% 重复字数： 43总字数： 35176单篇最大重复字数： 42 总段落数： 4前部重合字数：0疑似段落最大重合字数：43 疑似段落数：1后部重合字数：43疑似段落最小重合字数：43

4、指标：剽窃观点 自我剽窃一稿多投过度引用整体剽窃重复发表剽窃文字表述 表格：0脚注与尾注：43 0%（0）21110233008 _侯平宇_信息科学与工程学院_电子与通信工程_第1部分（总4153字） 0.4%（43）21110233008 _侯平宇_信息科学与工程学院_电子与通信工程_第2部分（总11989字） 0%（0）21110233008 _侯平宇_信息科学与工程学院_电子与通信工程_第3部分（总12280字） 0%（0）21110233008 _侯平宇_信息科学与工程学院_电子与通信工程_第4部分（总6754字） （注释：无问题部分文字复制比部分引用部分） ADBD2013R_201

5、3032412453120130324124721200556732337检测时间：2013-03-24 12:47:21 底环境变化的观测，进而揭示地球表面成形的机理，就得发展新的探测技术，该技术能不仅实现对海底的短时探测，而且还能实现长时间的观测。传统的海底观测技术存在很多缺点，如系统不能长期连续运行，信息只能存储在自身存取器中不能实时传输。只能依靠深海运载工具去为其蓄能，同时收集系统信息。目前以美国为首的学术界，提出将观测平台放在海底，通过光纤网络为各观测点的海底传感器提供能量并收集传感器采集的信息，从而实现自动化的观测。在东太平洋已建成的 “NEPTURE”海洋观测网，可连接上千个海底

6、观测设备，对水层、海底和地壳的环境变化进行实时监测。 海底观测设备主要以深海传感器为主，可分别对深海环境的温度、盐度、PH值等进行监测。目前的深海的传感器可执行的都是单一工作，要想实现对深海环境全方位的监测，就得采用多种传感器对此海域同时进行监测，如果一个传感器作为一个海底观测节点，不仅会增加成本，还会浪费节点资源，而且工作稳定性也不会很高。对于不同的海洋环境，往往需要使用不同的海洋传感器实现环境数据的监测。考虑到以上原因，我们设计了深海传感器搭载平台系统，该系统可以搭载数种不同的深海传感器，我们可以根据具体观测需求来选用搭载的传感器，这样就提供了搭载灵活性。在选定搭载仪器后，系统将仪器采集的

7、数据进行融合，然后统一传送到观测网中。既节省了成本又增加了工作稳定性。将传感器搭载平台连接到海底观测网后，就可以通过网络去实时监测海底环境变化如海统。 山喷发、深海热液运动、深海生物等。这样就能更好的去探知我们所生存的地球系此外我国海洋监测起步较晚，目前的深海探测仪器大多是国外生产，虽然我国也在生产一些深海传感器，但无法与国外传感器进行具体的性能比较，本系统就可填补这一空白，将国内传感器与国外传感器同时搭载到本系统，放置到实验室模拟的海洋环境进行数据采集，通过比对采集的数据，就可以具体比较出两传感器的性能差异。 0.2 国外传感器搭载系统的发展现况 从20世纪80年代以来，各国都开始认识到监测

8、海洋环境的迫切性，纷纷建立了各自的海洋观测系统，在海洋观测系统中 ，通过设计实现传感器搭载系统来实现对海洋环境的监测。 英国建立了“多元化观测网”，以监测爱尔兰海域周围的气候环境。该观测网中传感器搭载平台主要为锚定浅标以及浮标系统。在该观测网中还有一种特殊的搭载平台-水下滑翔机。该平台自身并不带有动力装置，通过自带机翼的调整，依靠浮力的变化在海洋内进行上下锯齿状运动。该系统可以对其周围海水的盐度、溶解氧、PH值等实现监测。唯一的不足点是下潜深度很低。 美国与加拿大合资的“NEPTUNE”计划已经开始工作。NEPTUNE又称海王星计划，它是首个位于深海海底的联网观测站。该计划采用了独特的组网结构

9、，把海底设备用深海光电缆连接，然后通过网络将设备采集的信息实时传送到岸上基站，再将数据发送到互联网上供全世界分享。整套观测网络由五大节点组成，节点周围布放有接驳盒，海底站点把电缆传输的10kv高压降到接驳盒所需的电压，接驳盒再为深海传感器供能。 在该“海王星”计划中，另一个重点是各节点中装载传感器的平台。在节点中的仪器搭载平台有两种，一种是活动的，如遥控水下爬行器、垂向剖面仪等。遥控水下爬行器自带履带，可带动传感器任意转向，能灵活的采集海底的图像、温度、甲烷等数据。垂向剖面仪通过上下移动对经过的海洋区域进行观测。该传感器搭载平台自带有浮标，与布放在海底的锚系进行连接。通过海底锚系上的绞车装置控

10、制其上下移动。在Barkley Canyon节点中，该活动平台集成了数种不同的传感器，在海底近400m的范围内，对该剖面仪移动经过海域的盐度、溶解氧、海洋生物活动等数据进行监测。另一种是固定平台，平台在搭载传感器后，放置在海底来采集周围的温度、盐度、溶解氧等数据。该联网观测站采集的数据已经为该地域板块构造运动的研究、以及海洋生物气候的研究起到了积极的作用。 2003年日本提出“实时海底检测网(ARENA)”计划，目的是对跨越板块边界的海底进行实时监测。该计划采用海底通信光缆系统来构造网络干线，各监测点间隔设置为50km，在监测点分别挂载有地震监测仪，海啸监测仪、温度仪等仪器。各仪器采用水下离合

11、接口进行连接。一旦有故障也不会对整体网络系统的正常工作造成任何影响。仅需对出错的仪器进行替换即可。此外该监测网中还有浮标锚泊系统以及水下自主机器人(AUV/ROV)搭载传感器，对节点未能覆盖的海域进行监测。AUV在接受考察任务后，就开始长期停留在需要进行监测的海底。在任务结束后，就返回海底船坞储能等待下次任务，同时将采集的数据通过网络发送。ROV在岸上基站的操纵下，利用机械手来实现探测作业，实现对其它平台不能探测到的海底数据的探测。 由于观测网的需求，各国公司也开始着手生产深海传感器搭载系统，如美国的InterOcean系统，该系统将传感器统一安放在人工磁场电磁海流计中，不仅极大的简化了深海传

12、感器结构，而且还可以同时实现对海流、水质以及温度、电导、深度的监测。该系统可提供20MB的内存，传送数据波特率高达56700波特。由此可见，各国都开始着重于深海传感器平台的建造。 0.3 我国深海传感器搭载系统的发展 相比于其他国家，我国的深海监测技术起步较晚。因而深海传感器平台系统技术也涉及较晚。 中国科学院南海研究所提出建设近海海洋观测研究网络，实现对我国近海海域的长期定点观测。2008年，西沙海洋观测站成功建成，该观测站可对水深超过1000米的海域进行探测。在该观测网中了搭建了坐底式海底边界层观测系统，分别搭载了ADCP、海流计以及CTD等深海传感器，成功实现对这一海域的海流、盐度、温度

13、等数据的监测。2011年“东海海底观测小瞿山实验站”开始交付使用，该项目使用接驳盒技术，用1100米长的光电复合海缆将多普勒声学仪、浊度仪、水下质谱仪等传感器连接在一起。通过光纤向岸上发送采集到数据，成功的实现了在实验室对东海生物地球化学过程的监测，这标志着东海海底观测网开始发挥作用。另一方面南海海底观测网也正在建设中。 此外在国家“863”计划的大力扶持下，我国也开始陆续建立深海监测系统，实现对深海的探测。 中国国家海洋技术中心承接了“十一五”国家863计划，研发了海床基观测系统，该系统集成了多种传感器，成功实现了 对海床环境的监测，并通过水声通讯，通信技术实现了数据的实时传输；中国地址大学

14、负责国家“863”计划研究课题 “海底大地电磁探测技术”，成功设计了海底天然大地电磁监测系统，实现了对海底微弱电磁信号的检测，同时通过搭载的海洋仪器，成功的监测了海底环境的状态；中国海洋大学成功研发了“深海海底边界层原位监测系统”，该系统分模块设计了原位监测平台，搭载了温度、PH、浊度等深海传感器，实现了对海底相应参数的测量，成功的完成了“十一五”863计划延续课题任务。 从整体来看，我国深海监测技术还处在起步阶段。研制的传感器搭载平台都是针对具体应用，并没有一个可通用的深海传感器硬件搭载平台，这也在一定程度上限制了我国建立深海监测观测网的进程。因此能否在以后科研过程中实现这一技术的突破性研究

15、，关系这我国对海洋实现实时监测的科研能力。 0.4 论文的主要研究工作与章节 本文以爱特梅尔公司的AT91SAM9263为控制核心，通过CAN总线组网，搭载AT89S52单片机控制系统、ARM嵌入式智能控制系统及外围电路，设计了传感器搭载平台，利用CAN总线可任意搭载CAN节点，且各节点之间互不影响的特点，实现传感器的随意搭载。设计此平台的意义在于，在建立海底观测网中，各海洋站点需要对海洋环境数据进行监测，只需将相应的传感器搭载到此平台上，就能迅速完成搭建站点的任务。极大的缩短了建立观测网的时间。 此外还可以将国内，国外生产的传感器同时搭载到平台上，然后将其放置到模拟环境中进行数据采集。通过比

16、对数据，来发现国内、外传感器之间性能的差别。 论文总共分为五章 引言提出了研制本传感器搭载平台的背景及意义，并对国内外传感器搭载平台的发展状况进行了简单介绍。第一章系统硬件搭建 确认了系统的设计方案，对需做实验的海洋传感器做了简单介绍，此外详细介绍了AT89S52单片机硬件电路与ARM嵌入式硬件电路的设计实现情况，并给出了相应硬件模块实现的原理图。 第二章嵌入式系统平台搭建 首先叙述了选用嵌入式系统的依据，然后分步搭建了LINUX嵌入式系统软件平台。并对搭建步骤如搭建交叉开发环境、移植引导程序、移植LINUX内核、制作根文件系统等做了介绍。 第三章总体应用程序设计 分别详细介绍了ARM嵌入式应

17、用程序与51单片机应用程序的框架以及模块实现。ARM嵌入式程序是本传感器平台系统的核心，采用多线程技术编写，包括主线程、通信线程、数据采集线程以及数据处理线程。单片机应用程序实现了CAN总线与RS232/422/485的互转，并对传感器供电模块进行简单管理，此外还负责模拟传感器的数据采集。 第四章平台调试结果 在实验室为平台搭载了3个传感器进行了实验，将采集的数据绘制了曲线图，并简单分析了数据。 2. 21110233008 _侯平宇_信息科学与工程学院_电子与通信工程_第2部分总字数：11989文字复制比：0.4%(43)(0)1基于ARM的嵌入式linux内核的裁剪与移植0.4%刘国秀;王

18、元伟;徐建华;蒋朝根; - 电子元器件应用- 2009-11-15是否引证：否2基于Linux系统的嵌入式工控量热仪设计与实现0.3%覃爱娜;蒋子云;陈韡;桂卫华; - 微计算机信息- 2010-01-15是否引证：否3基于ARM的嵌入式Linux系统构建0.3%冷玉林;钟将; - 计算机系统应用- 2010-11-15是否引证：否4基于ARM9的嵌入式网关的设计0.3%曹卓(导师：刘公望) - 大连海事大学硕士论文- 2008-03-01是否引证：是5基于ARM的嵌入式linux内核裁剪及移植0.3%吴菲; - 机械管理开发- 2010-12-15是否引证：否原文内容第五章总结和展望 首先对

19、本论文的完成的工作进行了简要总结，其次对本论文可升级的部分进行了展望。 1 系统硬件设计 深海传感器搭载平台主要有以下几部分组成：第一，备选的可以在海底稳定工作的各类海洋环境探测器；第二，可将海洋- 3 - 脚注和尾注 1. 汪品先.从海底观察地球地球系统的第三个观测平台自然杂志，2007，29（3）：125130. 2. 李建如，许惠平加拿大“海王星”海底观测网地球科学进展，2011，26（6）：656660. 3. 李颖虹，王凡，任晓波海洋观测能力建设的现状、趋势与对策思考2010，25（7）：715722. 环境探测器采集数据实时传输至岸上基站，并可接受岸上基站控制指令的嵌入式控制系统；

20、第三，负责将海洋环境探测器连接至CAN总线的各类转CAN总线系统，第四：电源管理系统，将岸上基站提供的48V电压通过此系统为嵌入式控制系统、CAN总线系统以及海洋探测器提正常工作电压。 嵌入式采集控制系统网络接口CAN接口SD卡接口A D接口传感器供电电压检测通用I /O48V供电电源管理系统输出电压控制2G SD卡岸上基站为海洋探测器供电为嵌入式系统供电图1-1系统总体框图备用电源CAN TO232模拟传感器CANTO485/422传感器系统温度监控综上所述，本传感器搭载平台将采用基于ARM9的嵌入式LINUX控制系统，使用串行通口RS232转CAN总线模块 ，将使用RS232协议进行数据通

21、信的海洋探测器的数据转换为CAN总线数据格式，并通过CAN总线与嵌入式LINUX控制系统进行交互通信，实现对深海环境的探测及数据采集，同时还将采集的数据利用TCP/IP协议通过以太网接口传送至岸上基站或者传送至全球海底观测网。电源管理系统主要基于AT89S52单片机，控制性能较高的DC-DC模块，实现对搭载平台及搭载的海洋探测仪器的正常供电，与此同时还将实现对仪器供电DCDC模块的实时监控。系统整体框图如下： 1.1 海洋传感器 目前深海海洋环境监控的数据主要有溶解氧、盐度、深度、温度、浊度、剖面流速、甲烷、湍流等数据，现使用的海洋传感器主要分为数字传感器，与模拟传感器两大类，数字传感器一般基

22、于串行通行协议进行提供RS232接口、RS422接口、 RS485接口进行数据交互通信，如声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、三维海流计（AQUADOPP）、甲烷传感器等；模拟传感器则是将采集的数据通过模拟信号（电压/电流）进行信号传输。本传感器搭载平台设计实现面向各类海洋仪器，对于提供RS232接口的数字传感器，平台提供RS232与CAN互转模块，将传感器的数据转换为CAN总线数据，通过CAN总线进行数据交互通信；对于提供RS422/RS485接口的数字传感器，则提供RS422/485与CAN互转模块，将此类传感器的数据转换为CAN总线数据，通过CAN总线进行数据交互通信；对于模拟类传感器，则

23、通过AT89S52单片机控制的AD转换器，实现对传感器模拟数据的采集，并转换为数字信号通过CAN总线与嵌入式控制系统进行交互通信。由于CAN总线能最多接受110个节点，因此本平台可搭载多种传感器 （理论可达110）满足各种海洋环境的探测需求。 本文将采用三、压力传感器。 洋传感器来对搭载平台正常工作进行实验。这几洋传感器分别为：甲烷传感器、声学多普勒流速仪1.1.1 HydrocTM/CH4传感器 甲烷(CH4)是最简单的有机物，在水中的溶解度很小，在20、0.1kpa的条件下，3单位体积的甲烷能完全溶解于100单位体积的水中。要实现对海洋中的CH4含量进行测量，就需要特殊的传感器。德国CON

24、TROS公司生产的HydrocTM/CH4传感器可以圆满的完成这一任务。它能实现对液相或气相中的甲烷等烃类化合物的含量进行准确测量。是测量CH4通量、探测可燃冰、勘探海底油气田等领域的理想工具。 甲烷传感器的工作原理为：在深海海水中充斥着分散的甲烷，传感器利用自带的水泵，将附近的海水吸附到检测器中，在这个过程中要经过CONTROS公司特殊设计的硅树脂膜进行过滤，检测室中的红外线对采集的海水进行照射，甲烷会吸收一定波段的红外线，被吸收波段的红外线的能量就会减弱，具体表现为光强度减弱，控制室中的光学解析系统会把红外线的变化量以电信号的方式输出。通过一系列的公式计算就可准确测出甲烷的浓度。主要的参数

25、如下： 表1-1甲烷传感器主要参数表 甲烷传感器运行的工作模式可分为自发送模式与应答模式 。自发送模式是在开机后通过RS232接口定时进行数据发送；自应答模式是甲烷传感器在接受到上位机发送的控制指令后，应答指令并开始工作，同时将采集的数据封装成数据包，发送到上位机上。 配置命令如下： $CODS4,0,0,W, 0rn *采用自应答模式 $CODPT,0,0,W,0,E,1000,0,0rn *设置1000ms的传送间隔 $CODPV,0,0,Rnn *请求传感器的ID号以及软硬件版本号 $CODS4,0,0,R,0rn *获取甲烷数据 $COSCP,0,0,W,19200rn *设置传送的波

26、特率1.1.2声学多普勒流速仪（ADV） ADV英文全称为Acoustic doppler velocimeter?，即声学多普勒流速仪，它是用来测量水流速度的仪器。最初的声学多普勒流速仪是宋泰克公司为满足美国工程水道实验室测量海水流速的需求而生产的。ADV是基于多普勒频移原理工作的 。即受体接受并反射声源发出的声波，如果发送声波的声源是移动的，到达受体的声音频率就会发生变化。传感器通过采用遥感测量技术，来测定探头附近的水流速度。目前ADV已被认定为规范的流速测量仪器。 本论文中采用的声学多普勒流速仪是由Nortek公司生产的“威龙”（Vector）系列。“Vector”的采集频率最高可达64

27、Hz，采用如此高的采集频率能使仪器在瞬变的环境下实现对流速与压力数据的采集，而且还可保证采样数据的高精确度。威龙还通过搭载最新的软硬件平台，降低了采集数据的误差。此外传感器还分别配置了存储器与电池，这样就既可对其供电方式进行管理，又可实现自容式数据存储。 其流速测量参数如表1-2所示： 表1-2VECTOR主要性能参数 Nortek公司为了实现对自身知识产权的保护，对某些关键的配置指令进行了加密操作，不允许其他程序对其做出修改。实现这一保护的具体工作流程如下，Nortek自带软件将常用控制指令编译为对应的配置文件，配置文件通过二进制流方式发送到流速仪中。如要对仪器进行控制只能通过修改相应的配置

28、文件来实现。常用的配置指令有打开，关断，配置时间等。示例如下0x43 0x53 0x06 0x08 0x03 0x15 0x17 0x01 *设置时间为： 2013年3月10日9：37：15 0x43 0x43 (系统配置文件) *配置采集参数 0x54 0x53 * 采 集 开 始 工 作 ADV只能提供二进制输出格式的数据文件。数据包含两种信息，一种用来表明系统采集时间、工作电压、工作温度等仪器此时工作的状态信息；另一种是表明采集到数据的信息 。 1.1.3压力传感器 在深海环境中压力都会很大，而仪器只能工作在一个特定的压力范围内，因此为了深海仪器的正常工作，对海底压力进行监测，就显得尤为

29、重要。压力传感器是一种可将受到的压力用另外一种信号进行输出表示的仪器。 本压力传感器采用的是Digiquartz公司的深度压力传感器，该传感器的测量误差很小，转换精度高达0.01%，此外它的功耗很低，可靠性很高，可长期工作在深海环境中。该深度传感器的工作原理是由精密石英晶体构成的谐振器的振荡频率会随着压力值的变换而发生相应的变化，通过石英晶体提供给热补尝的温度值就可高精度的计算出环境的压力值与温度值。该传感器提供RS232与RSS485两种通口，传送数据波特率可达115200波特。该传感器提供以下四种工作模式：单一样本采集发送模式 ，同步采样保持模式，连续采样发送模式，以及突发采样模式。该其主

30、要技术参数如下表所示： 表1-3压力传感器性能参数 通过配置命令可以灵活的对传感器的分辨率、采样率、采样单位等参数进行设置，主要的配置命令有以下几种： *0100EW*0100UN =*0100EW*0100TN =*0100EW*0100PS=3*0100EW*0100PI =4 *配置压力采集单位为Kpa 0 *设置温度采集单位为摄氏度 *配置温度值间隔为3 100MS *配置采集周期为100毫秒*9900BR=19200 *配置传送波特率为19200波特 *0100P7 *0100Q4 *配置高速连续采集模式 本传感器并未采取加密措施，因此只要输入对应的命令格式，即可控制传感器的工作模式

31、，实现对数据的采集发送。1.2AT89S52单片机控制系统设计 目前生产的单片机分门别类，按照复杂程度可分为相对简单的8位单片机，以及较为复杂的16位单片机，市场上主要提供的有ATMEL的AVR系列、TI公司的MSP430系列、以及Microchip公司的PIC系列。单片机的选择范围很广，在此我们选择了ATMEL的AT89S52系列，主要考虑的情况如下： 一、在选用CAN控制器时，我们选用了NXP公司的SJA1000,其提供的接口分别为MOTOROLA与INTEL模式，与51单片机的接口完全吻合，为单片机扩展SJA1000时，可采用扩展外部SRAM的方式，只需设置好相应寄存器的地址位后，就完全

32、可以由AT89S52内部硬件电路提供的时序，实现对CAN控制器SJA1000内部寄存器的访问，而不用再去用I/O口去模拟相应的读写时序 ，减少了软件设计的复杂性，增加了系统的稳定性。 二、本平台的电源管理子系统，要实现对搭载探测器的供电模块的实时监测，要想实现这能，需用A/D转换器对各DC/DC模块的输出电压进行转换，为实现监测的准确性，我们选用12位的转换精度，在采用的ARM开发板中虽带有A/D转换模块 ，但在经过实验后发现转换的位数并不能严格达到12位，不满足监测的高精度的要求；必须用单片机另行控制A/D转换模块来监测电压，在经过认真选型后，发现选用TI公司的ADC124S021即可完美实

33、现此功能。 爱特梅尔公司生产的AT89S52是一种高性能的8位微控制器，它采用CMOS工艺，实现了低功耗这一性能。它还采用了 ATEML公司高密度非易失性存储器技术制造，同时兼容MCS-51系列、80C51系列单片机。AT89S52片内集成了支持ISP功能的闪存芯片，因此可以支持两种不同的编程模式。由于AT89S52在单个芯片上集成了灵活性很高的的8位中央处理器和支持ISP功能的闪存芯片，使其广泛应用于嵌入式应用系统的搭建中。 AT89S52可提供的主要功能如下：容量大小为256个字节数的随机存储器，1000次擦写次数的8千字节闪存，32位可编程的输入输出接口线、芯片内部集成晶振及相应的时钟控

34、制电路，工作于全双工模式的串行通用接口等。此外，AT89S52可以在0赫兹的频率下进行逻辑工作，最大可工作频率可达33MHz，可通过编程来选择2种不同的省电模式，即Idle模式与Power-down模式。在Idle模式下，芯片处理器不再进行工作，但随机存储器、定时器/计数器等可以工作，串行通口也可响应外部中断 。在Power-down模式下，首先会提供掉识符，其次将片内随机储存器中的数据进行缓冲，内部晶振停止工作，AT89S52不在进行任何工作。通过硬件复位操作或外部响应中断就可退出此工作模式。1.2.1CPU模块 AT89S52中的CPU 模块主要由以下几部分构成：8千字节数的闪存，256个

35、字节数的随机存储器、32位可编程输入输出接口线、看门狗定时器、全双工模式的串行通用接口、内部集成的晶振及相应的时钟控制电路等。 AT89S52的内部CPU结构引脚图如图1-2所示： - 5 - 图1-2 AT89S52-CPU结构图 1.2.2 UART 模 块AT89S52内部集成了一个全双工的UART异步串行接口，既能发送和接受异步串行通信数据，又能设置成同步移位寄存器。 该串行口主要包括接受控制器、发送控制器、发送缓存器、接受缓存器、输入移位寄存器。它可提供四种工作模式，三种帧格式，在此基础上可设置多种波特率。 在此UART模块基础上，只需增加电平转换器就能与外界实现通信，我们设计的接口

36、有RS232、RS422/485等，因此我们分别搭载了MAX232、SN75179B来实现。为了保证传感器搭载平台工作的稳定性与可靠性，我们还加入了磁隔离，及在电平转换芯片与串行接口之间增加了相应的磁隔离芯片ADuM1201。 UART整体模块图如图1-3所示： 图1-3 UART模块图 1.2.3 CAN 模 块CAN全称为控制器局域网，是一种串行通讯方式的总线。它的设计基于以下几点规范，首先是在数据通信时位速率应尽量高 ，其次是在通信过程中抗电磁干扰性能要好，最后是在总线通讯出错时能迅速检查出出错的原因。由于CAN总线可提供以上特性，我们选用CAN总线作为传感器硬件搭载平台的通信方式。 A

37、T89S52内部并没有集成CAN模块，我们选择单独的CAN控制器为其进行扩展，为了方便实现CAN控制器与单片机之间的交互通信，我们选用了PHILIPS公司生产的CAN控制器SJA1000。 SJA1000是由PHILIPS公司生产的CAN控制器。它不仅能支持默认的BasicCAN模式，与以前的PCA82C200完全兼容，而且它还支持升级的PeliCAN模式，PeliCAN模式是基于CAN 2.0B协议进行工作的，该模式可支持的功能有可编程的错误报警限制、扩展的验收滤波器、提供自身信息接受、支持只听模式等。由于其可支持两种通信协议，SJA1000就可以识别11位与29位的ID码 。为日后扩展CA

38、N通信节点提供了硬件上的支持，此外SJA1000内部采用了64字节的FIFO结构，扩展了自身的接受缓存器。这样就能对接收到的数据进行缓冲，使接受数据不易出错，增加了数据通信的稳定性。 SJA1000的结构图如图1-4所示： 图1-4 SJA1000结构图 CAN总线是基于差分电压进行通信，因此我们还需使用相应的电平转换器，为CAN控制器与外部CAN总线接口提供电平转换 ，为了与CAN控制器硬件协调一致，我们同样选用了PHILIPS公司生产的TJA1042。TJA1042是一款高速CAN收发器，可向下兼容TJA1040、PCA82C250，在完成差动发送、接受功能的基础上，还进一步增强了电磁兼容

39、性，同时还改善了静电放电性。 此外为了增强搭载平台工作的可靠性，我们仍选用了磁隔离模块，在CAN控制器模块与CAN收发器之间加入了磁隔离器件ADuM1201。整体的CAN模块框图如图1-5所示： 图1-5 CAN模块整体框图 1.2.4 A/D 模 块 AT89S52自身并不提供A/D转换模块，因此需要为其扩展A/D转换器，A/D转换器选用的是TI公司的ADC124S021。 ADC124S021采用的是CMOS技术，耗能很低，在5V的供电电压下只需消耗7.9mW的能量，可提供4通道12位的模拟数字转换功能。其采样频率在50k-200k(sps)可调。这样就能根据搭载平台需要做出相应选择，应用

40、灵活性更好。且其提供标准的SPI总线接口,可方便的与外部控制器进行通信。为了采集数据的准确性，我们也采用了磁隔离方案，即在A/D转换器与单片机之间加入磁隔离器件ADuM1301，对SPI通口进行隔离。总体的A/D转换模块框图如下图1-6所示： 图1-6 A/D转换模块框图1.2.5温度监测模块 AT89S52内部未集成温度模块，我们采用DS18B20温度传感器为单片机扩展温度监测这能。DS18B20采用单总线方式进行通信，仅需一个端口就能实现数据之间的传送，并进行测温。它测量的温度范围可从-55摄氏度到+125摄氏度之间。测量精度最低可配置为0.0625摄氏度。它以9位数字量来表示采集的温度，

41、温度转换时间仅为200mS。而且封装极小，能方便实现器件的测的温度监测模块如下图1-7所示： 图1-7 温度监测模块1.2.6磁隔离模块 两个通信点在通信时，为防止电流在通信点之间的流动，需要采用隔离。在本传感器搭载平台中不同模块之间的连接使用的接地端不同，因此需要避免接地环路的中断。采用隔离只让数据或功率流动，防止电流在节点之间流动。本系统采用了磁隔离技术。具体采用的是ADI公司的iCoupler技术，iCoupler技术是基于变压器的隔离方法，兼具光耦合器、变压器与半导体技术的优势。它更容易集成，在一个小集成块中就可提供多个iCoupler通道。能提供更高的时序精度，数据速率与瞬变抗扰度。

42、而且功耗很低。在系统中通过使用磁隔离器件ADuM1201、ADuM1301、ADuM1411来实现，具体连接已附于上边各模块中。1.2.7 DC/DC 模 块 ARM 嵌入式控制系统，单片机控制系统，以及搭载的传感器的电源都需要岸上电缆来统一供电，统一供电电压为48V，这样 就需要设计不同的DC/DC模块来设计实现各系统的正常工作，由于搭载的传感器不同，所需的电源模块也就不同，需分别设计 ，现为例，进行搭载设计。 为单片机系统供电，根据功率计算，选用了金升阳的WRB4805 DC/DC模块，该DC/DC模块将48V的电压分压后为单片机系统 供电。此外磁隔离需要配合电源隔离来使用，因此为其提供了

43、相应的DC/DC模块。相应的磁隔离DC/DC器件已附于各自模块，在此不再进行图示，单片机供电的电源模块图如图1-8所示： 图1-8单片机DCDC模块图 深海传感器搭载平台，都由电缆进行统一供电。涉及不同的深海传感器，各传感器的供电模块都需依照对应需求来设计 ，为传感器顺利的工作，就要求电源模块可以为海洋仪器与嵌入式系统所需的互不干扰的电压，同时还具有反向、过压、过流、过热等保护功能。对本部分模块不进行详细设计，现以ADV传感器为例，给出其DC/DC的示范模块。 ADV的供电电压为9-18V，在12V的供电电压下峰值电流可达2.5A，在64Hz的工作频率下消耗功率为1.5W。据此我们选用了金升阳

44、公司生产的VRB4805系列DC/DC模块，该DC/DC模块输入电压范围值较宽，保护电路在短路、电流、电压超出峰值时不受损害，且可防护1500VDC的瞬时高压等特性。 DC/DC模块图如图1-9所示： 图1-9 传感器DCDC模块图1.3 嵌入式控制系统硬件电路 嵌入式控制系统作为传感器搭载平台的最核心的组成，有着很关键的作用。选用合适的嵌入式集成处理器并搭载合适的嵌入式操作系统对整体平台的搭建，就显得尤为重要。 目前的嵌入式集成处理器多种多样，按总线数据宽度分类，分别有32位与64位。按处理器架构分类，分别有POWER架构 ，MIPS架构，以及ARM 架构，其中ARM架构是由ARM控股开发，

45、并授权给全球的半导体厂商，很多世界领先的半导体厂商都获得了ARM技术的授权，生产出了大量的基于ARM核心的集成产品。基于ARM架构体现出的卓越性能，我们选用了ATMEL公司生产的基于ARM架构的AT91SAM9263作为我们选用的集成处理器。 为了缩短开发时间，提升系统的稳定性，我们选择了杭州QIYANG公司生产的ARM9263S开发板。ARM9263S采用ATMEL公司生产的AT91SAM9263作为处理器，集成了64MB的SDRAM与128MB的NandFlash作为存储器，提供IDE接口、SD/MMC接口、USB2.0接口 、RS232接口、板载CAN总线接口等多种接口模式，它采用了AR

46、M926EJ-S内核，可针对多任务处理，提供全存储器管理，核心尺寸很小，而且功耗特低。 嵌入式系统的硬件电路主要由CPU模块、串行接口模块、网络通信模块、NANDFLASH存储器模块、CAN总线接口等组成。ARM嵌入式硬件实物图如图1-10所示： 图1-10 ARM嵌入式硬件实物图1.3.1 CPU模块 AT91SAM9263采用的处理器内核是32位精简指令集的ARM9263EJ-S。它从属于ARM9通用微处理器系列。它包括一个存储器管理部件，能提供独立的指令和数据AMBATM AHB与TCM接口。支持32 位ARM 和16 位THUMB 指令集。支持8位字节，16位半字与32 位字的访问。可

47、提供快速中断、中断、用户、管理、中止、系统操作以及未定义等七种操作模式。由于ARM926EJ-S上述的种种优势，它被广泛应用于需要高性能，低功耗要求的系统解决方案中。 ARM926EJ-S的内部结构框图如图1-11所示。图1-11 ARM9263EJ-S内部结构图 1.3.2 存储器模块 存储器模块分别由SDRAM、NORFLASH、NANDFLASH、SD卡四部分组成。SDRAM采用的是韩国Hynix公司生产的64MB的HY57V561620芯片，这款芯片非常适合用于需要大容量存取密度与高带宽的主存储器的应用。HY57V561620所有的输入和输出都与输入时钟的上升沿同步，可提供高带宽的内部

48、数据流水线、提供自动刷新与自刷新以及四种内部分区操作。且其所有的器件引脚电压与LVTTL兼容。 NORFLASH采用的是ATMEL公司生产的AT24C16芯片，该芯片大小为2M字节，支持双向传输协议，提供两线串行接口，内部集成施密特触发器，能有效抑制输入时的噪声。它还允许局部页写操作，其支持最大操作频率可达0.4MHz，数据保存时间可达100年。NORFLASH在系统中主要是存放嵌入式Linux系统的启动代码。 NAND FLASH采用的是SAMSUNG公司生产的K9F1208芯片，该芯片大小为64M字节，其中页大小为528字节，块大小为16KB+512 字节。可自动擦写块程序，自动的读/写和

49、擦除页程序，一次可对4页或块的内容进行操作。对大小为528字节的页进行写操 作，所需时间仅为200us。对16K字节大小的块进行擦除操作，仅需2ms的时间。8位I/O端口可方便的提供地址、数据和命令复用的接口方式，减少了接口引脚数，简化了接口电路。NANDFLASH在ARM嵌入式控制系统中的作用主要是存放控制系统的内核镜像如Linux内核、根文件系统或WinCE文件镜像等。 嵌入式搭载平台一直工作于海底，当平台出现问题（如与岸上基站网络连接中断时）后，就需要将采集的传感器数据暂存于SD卡中。SD卡全称为安全数据卡，即Secure Digital Memory Card。结合了快闪记忆卡(San

50、Disk)控制、多层单元(MLC)技术和东芝0.13u的Not AND技术进行数据存储。接口界面为9针，不需额外的电源进行保持记忆信息。SD卡存储容量很大，能高性能的进行数据存储，且其安全性很高。以上特点正适合于本系统的数据采集存储。QY9263S工控版已经提供了SD卡接口。 SD卡要根据具体搭载传感器的数据采集频率进行选用。 1.3.3 串行接口模块 AT91SAM9263提供1路调试串口以及3路普通串口，支持普通与高速的5-9位全双工异步串行通信，支持奇偶校验，支持停止位可选、中断管理和硬件握手，可进行多点串行通信，支持硬件流控和RS485总线标准，QY9263S工控板在此芯片的基础上，为

51、 其分别连接了RS232电平转换器器MAX3232与RS485电平转换器MAX3485，使其可对外提供标准的RS232接口与RS485接口。方便了与外界的通信。内置USART结构图如图1-12如下： 图1-12 USART结构图 1.3.4 CAN 总 线 接 口 模 块AT91SAM9263内部集成CAN控制器，可支持CAN2.0A与CAN2.0B协议，传输速率最高可达1Mbit/s，可提供16个面向对象的邮 箱，每个邮箱分别使用不同的CAN通信协议、标识符以及通道，邮箱之间优先级可进行管理，提供自检测与自适应两种模式 ，提供低功耗模式，可通过编程方式唤醒总线，可处理数据帧，远程帧，错误帧，

52、和过载帧。CAN总线采用的差分电压进行通信，因此需为其搭载相应的CAN收发器。QY9263S工控板为其连接了TI公司生产的SN65HVD233芯片，该芯片能在3.3V的电压下工作，支持最高1Mbit/s的CAN总线通信速率。可提供-7V到12V的共模范围，在总线无数据时，可提供200uA的低电流待机模式 。此外还具有热保护功能。此接口已足够满足本系统设计所需的CAN总线通信的功能。内置CAN控制器结构框图如图1-13下：图1-13 CAN控制器结构图 1.3.5 以太网接口模块 本搭载平台要通过网络与岸上基站进行交互通信，AT91SAM9263提供10/100Mbps的MAC控制器，与IEEE

53、802.3标准完全兼容 ，可提供10M与100M每秒的数据吞吐能力，内置28字节的发送、接受FIFO，可分别进行全双工与半双工操作，能自动生成填充CRC校验位，支持物理层控制报警和更新时间/日历。QY9263S工控版为其连接了DAVICOM公司的DM9161A芯片，该芯片用于100BASE-TX和10BASE-T以太网的收发通信，它采用了先进的CMOS工艺，耗能低。通过标准的媒介独立接口(MII)，可连接到不同的媒介访问控制器。此外还支持自协商功能，完全符合IEEE802.3u 规定的100BASE-TX物理层协议。 内置以太网媒介控制器结构框图如图1-14所示： 图1-14以太网媒介控制器结

54、构图 1.4系统集成 在分步将单片机控制系统电路与ARM嵌入式控制系统电路调通后，将单片机控制系统电路与ARM嵌入式控制系统电路集成在一起。 集成控制系统实物图如图1-15所示： 图1-15搭载平台集成实物图 搭载平台的结构分为两层，两层都搭载了单片机控制系统，先提供了3个单片机控制系统，可连接3个海洋传感器进行实验，从左到右，首先是RS232串口转换系统，然后是单片机控制系统，在两层之间分布着两块ARM板，上边为ARM主控制系统，下边为ARM从控制系统。在最右边放置了电源转换模块，为整体系统以及传感器供电。 2 嵌入式控制系统软件平台搭建 目前市场上的嵌入式操作系统主要有LINUX以及WIN

55、CE，LINUX不仅对许多硬件设备、应用程序、网络协议表现出良好的支持，而且其扩展性很强。和传统的专有嵌入式操作系统不同，部署LINUX不需要缴纳专利费，因此吸引了众多的开发者为其开发新的功能，这样对已出现的设备能提供可靠的支持，对新出现的硬件平台、设备也可快速的进行支持。基于LINUX系统表现出的优势，我们采用嵌入式LINUX作为搭载平台的操作系统。 选用嵌入式Linux作为操作系统，就必需在处理器上为其搭建合适的平台环境，为完成嵌入式LINUX系统平台搭建，我们需进行以下几个步骤： 1、建立合适的交叉开发环境；2、移植合适的系统引导加载程序；3、裁剪并编译Linux内核；4、为Linux建

56、立根文件系统； 2.1 嵌入式交叉开发环境的建立 通常一个系统会含有3种编译器以及3个版本的标准头文件，这就需要嵌入式系统具有很强的CPU运算能力，对其储存空间也有相应的要求，如果没有合适的工具和主机系统配合，在目标嵌入式系统上调试应用程序是非常困难的。为解决这一难题 ，在此引入交叉开发，交叉开发指的是在主机系统上编译和构建应用程序，然后将编译好的应用程序在嵌入式系统上运行。采用交叉开发的好处在于，我们可以利用开发主机的强大功能来运行编译器、调试器、编辑器等工具，在开发板上只需执行专门为它设计的应用程序。 2.1.1 交叉开发环境的建立步骤 搭建交叉开发环境的方法很多，不同的体系结构，不同的操作方式