节能型自治式多功能海洋环境监测系统的数据采集控制器的研究

发布时间：2024-05-11 23:44

　　在海洋学研究、海洋生产和工程建设应用中,经常需要对特定区域的海水参数进行长期、定点、实时的垂直剖面测量。锚系浮标和潜标是海洋监测网中最普遍采用的搭载平台之一,它们主要用于海洋环境定点监测。海洋浮标在研究海洋和大气的相互作用及全球气候变化、预报全球性和地区性海洋灾害、海洋污染监测、卫星遥感数据真实性校验、以及作为平台用于水声通讯和水下定位等方面发挥了重要作用,其缺点在于隐蔽性和安全性较差。潜标监测平台由于其主浮体安装在水下50-100米,具有良好的隐蔽性和安全性,在构建海洋立体监测系统中有较好的应用,但由于它总是隐藏在海表面以下,所搭载的测量传感器的种类有限,数据实时传送困难,从某种程度上也限制了其应用。 节能型自治式多功能海洋环境监测系统将定点锚泊潜标和浮标技术相结合,并创新性的融进了节能技术和自动防触碰功能,利用简约的传动储能节能技术,以C8051F340单片机为核心控制芯片,设计了低功耗、高可靠的数据采集控制存储系统的硬件电路和软件系统,使系统不但能够完成锚泊区域海表面水文参数的测量和数据传送,同时依靠单一的传感器组能够完成深达50米以上的水体次表层海洋要素的连续垂直剖面观测。系统...

【文章页数】：149 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 引言
    1.1 课题研究背景
    1.2 新型海洋要素测量载体的研究状况
        1.2.1 剖面测量浮标
        1.2.2 水下滑翔机
        1.2.3 系缆式垂直剖面测量仪
        1.2.4 自主式水面飞行器(ASV)
        1.2.5 自主式水下航行体(AUV)
        1.2.6 潜标系统
    1.3 本文的主要工作
2 低功耗、高可靠的数据采集控制存储系统的研究
    2.1 节能型自治式多功能海洋环境监测系统的整体设计
        2.1.1 节能型自治式多功能海洋环境监测系统的结构设计
        2.1.2 节能型自治式多功能海洋环境监测系统的工作原理
    2.2 低功耗、高可靠的数据采集控制存储系统的总体设计
        2.2.1 海洋环境监测系统特殊的设计要求
        2.2.2 低功耗、高可靠的数据采集控制器的整体设计
            2.2.2.1 中央控制单元功能描述
            2.2.2.2 控制系统的整体设计方案
            2.2.2.3 中央控制单元设计的关键问题
    2.3 上位单片机数据采集与存储系统
        2.3.1 单片机的选择
            2.3.1.1 MCS-51单片机
            2.3.1.2 C8051F340单片机
        2.3.2 传感器及接口电路设计
            2.3.2.1 CTD传感器在剖面观测系统中的应用
            2.3.2.2 单片机与CTD的电平转换接口
        2.3.3 SD卡存储模块
    2.4 下位单片机控制存储系统
        2.4.1 下位单片机控制存储系统硬件设计
        2.4.2 固态继电器
        2.4.3 直流电机驱动电路原理图设计
        2.4.4 电源管理模块
    2.5 数据采集控制系统的低功耗设计
        2.5.1 本质低功耗设计及处理器的选择
        2.5.2 功耗管理和电源管理
            2.5.2.1 单片机系统工作特性分析
            2.5.2.2 功耗和电源管理的设计
        2.5.3 接口驱动电路的低功耗设计
        2.5.4 C8051F340单片机的低功耗设计
            2.5.4.1 C8051F各部分组件的功耗
            2.5.4.2 降低功耗的几点考虑
        2.5.5 小结
    2.6 数据采集控制系统的硬件电路抗干扰设计
3 SD卡在海洋环境监测系统中的应用
    3.1 SD卡存储系统硬件功能原理与外部物理接口
    3.2 SD卡的引脚和寄存器
    3.3 SD卡的通信模式
        3.3.1 SD模式
        3.3.2 SPI模式
    3.4 SPI模式下的命令、响应及数据格式
        3.4.1 命令
        3.4.2 响应
        3.4.3 数据
    3.5 FAT文件系统
        3.5.1 硬盘物理结构
        3.5.2 FAT文件体系
            3.5.2.1 主引导记录区
            3.5.2.2 分区引导扇区
            3.5.2.3 文件分配表FAT表
            3.5.2.4 文件目录表FDT表
            3.5.2.5 用户数据区
        3.5.3 FAT数据结构说明及程序中地址计算
            3.5.3.1 FAT数据结构
            3.5.3.2 程序设计中相关地址计算
    3.6 SD卡在节能型自治式多功能海洋环境监测系统中的应用
        3.6.1 主要功能确定
        3.6.2 SD卡基本命令精简及单片机实现
            3.6.2.1 CMD0和CMD1
            3.6.2.2 CMD17
            3.6.2.3 CMD24
        3.6.3 单片机对SD卡操作的实现
            3.6.3.1 软硬件设计思想
            3.6.3.2 FAT文件层主要函数流程图
            3.6.3.3 访问SD卡的所有函数列表
4 低功耗、高可靠的数据采集控制器的软件设计
    4.1 C语言及汇编语言
    4.2 上位机软件工程
        4.2.1 上位机主程序
        4.2.2 运动状态控制模块
            4.2.2.1 载体下潜过程
            4.2.2.2 载体上浮过程
        4.2.3 系统参数设置模块
    4.3 下位机软件工程
5 数据采集控制器性能试验
    5.1 室内模拟实验
    5.2 海上模拟实验
6 总结与展望
    6.1 全文工作总结
    6.2 展望
    6.3 今后工作设想
参考文献
博士期间发表文章目录
致谢
附录A 部分程序清单
附录B 上位机电路原理图
附录C 下位机电路原理图



本文编号：3970544