基于观测网的海底动力环境监测系统硬件平台的设计与实现

发布时间：2017-04-01 11:04

  本文关键词：基于观测网的海底动力环境监测系统硬件平台的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近些年来,为了能够在海洋环境观测和资源开发利用方面取得更大的进步,各国都在积极发展海洋探测技术。海底观测网作为海洋探测的一种新型技术,可集成数个观测节点对深海海底区域进行化学、物理和地质过程的长期实时监测,现已成为继海洋测量船和遥感卫星之后的第三个重要观测平台。海底动力环境监测系统作为南海海底观测网试验系统的重要节点,其硬件平台的实现是该系统能够搭载多种海洋仪器在海底工作的前提。因此研制一种具有高稳定性、可靠性及可扩展性的硬件平台对保障海底动力环境的长期实时监测,促进我国海底观测网的建立有着重要的意义。本文以爱特梅尔公司的AT91SAM9263ARM处理器和AT90can128单片机为控制核心,集成数据监测与控制系统和协议转换与电源管理系统,采用CAN总线分布式管理方式,实现了对各海洋仪器的供电控制、数据采集、实时上传等功能。并且本文采用的备用电池、冗余设计、隔离机制以及异常处理机制等鲁棒性设计保证了硬件平台能够在海底进行长期实时稳定地工作。论文共分为五章,引言主要介绍了海底观测技术在国内外的发展现状以及建设海底动力环境监测系统的重要性。第一章叙述了海底动力环境监测系统硬件平台的总体设计。通过系统的功能需求以及两种传感器管理方案的比较论述,确定硬件平台的整体架构。第二章详细介绍了ARM监控系统和单片机管理系统中各模块的硬件电路设计和工作原理,给出了相应的原理图和PCB Layout时的设计规则,并对电路中的抗干扰设计做了详细叙述。第三章主要介绍了ARM嵌入式Linux系统多个应用线程和AT90can128单片机程序的工作流程,其中本文采用的ARM双冗余和系统状态实时监控技术极大提高了该硬件平台工作的可靠性。第四章为验证硬件平台整体工作的稳定性和可靠性,分别对其进行了室内测试和环境测试,并最终通过浅海试验和系统联调测试,表明了该硬件平台已达系统设计标准。第五章对本论文完成的工作进行了总结和展望。
【关键词】：海底观测网 海底动力环境 CAN总线 鲁棒性设计
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P715.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 0 引言10-15
• 0.1 建设海底动力环境监测系统的目的与意义10-11
• 0.2 国外海底观测技术的发展现状11-12
• 0.3 我国海底观测技术的发展现状12-13
• 0.4 论文的主要研究工作及章节13-15
• 1 硬件平台总体设计15-27
• 1.1 硬件平台及海洋传感器的技术要求16-20
• 1.1.1 传感器控制舱的技术指标16
• 1.1.2 海洋传感器的技术参数16-20
• 1.2 传感器管理方案的比较20-22
• 1.2.1 集中式管理20-21
• 1.2.2 分布式管理21-22
• 1.3 硬件平台的整体架构22-25
• 1.3.1 数据监测与控制系统23-24
• 1.3.2 协议转换与电源管理系统24-25
• 1.4 硬件平台的鲁棒性设计25-26
• 1.5 本章小结26-27
• 2 系统硬件设计27-48
• 2.1 ARM监控系统设计27-35
• 2.1.1 核心板模块27-28
• 2.1.2 电源转换模块28-29
• 2.1.3 以太网接口模块29-31
• 2.1.4 CAN总线接口模块31
• 2.1.5 SD卡接口模块31-32
• 2.1.6 串行接口模块32-33
• 2.1.7 ARM底板实物图33-35
• 2.2 单片机系统设计35-43
• 2.2.1 单片机熔丝位配置36-37
• 2.2.2 CAN通信模块37-38
• 2.2.3 串口通信模块38
• 2.2.4 电压采集模块38-39
• 2.2.5 温度采集模块39-40
• 2.2.6 电源供电模块40-41
• 2.2.7 隔离机制41-42
• 2.2.8 单片机系统板实物图42-43
• 2.3 抗浪涌模块设计43-46
• 2.3.1 抗浪涌模块原理图44
• 2.3.2 抗浪涌模块实物图44-45
• 2.3.3 抗浪涌模块加入前后效果对比45-46
• 2.4 硬件平台集成46-47
• 2.5 本章小结47-48
• 3 系统程序设计48-58
• 3.1 ARM嵌入式Linux系统应用程序设计48-51
• 3.1.1 命令控制线程49
• 3.1.2 数据采集线程49-50
• 3.1.3 数据上传线程50-51
• 3.1.4 冗余备份线程51
• 3.1.5 系统监控线程51
• 3.2 单片机程序设计51-57
• 3.2.1 数据通信协议52-53
• 3.2.2 RS232/485-CAN协议转换程序53-56
• 3.2.3 电源供电监测程序56-57
• 3.3 本章小结57-58
• 4 实验测试结果58-66
• 4.1 室内功能与性能测试58-60
• 4.1.1 电源供电管理功能检测59
• 4.1.2 采集与控制功能的检测59
• 4.1.3 水声通信网络节点系统功能检测59-60
• 4.2 环境试验测试60-62
• 4.2.1 压力试验60
• 4.2.2 高低温试验60-61
• 4.2.3 振动试验61-62
• 4.3 浅海试验与系统联调测试62-65
• 4.3.1 浅海试验63-64
• 4.3.2 系统联调测试64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 5 总结和展望66-70
• 5.1 总结66-67
• 5.2 展望67-70
• 5.2.1 电源供电管理升级67
• 5.2.2 单片机程序远程升级67-70
• 参考文献70-72
• 致谢72-73
• 个人简历73-74
• 发表的学术论文74

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本文编号：280491