海床基动力要素综合自动监测系统中央控制单元的研制
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摘要
“海床基动力要素综合自动监测系统”是国家863计划AA63-01-06课题。本课题是以海床基作为观测平台，研究海洋动力要素定点长期连续监测技术和数据实时传输技术。主要监测对象是波浪、水位、海流剖面、温度、盐度等海洋动力要素。
本文是“海床基动力要素综合自动监测系统”的子课题，主要任务包括监测系统中央控制单元的研制和综合数据处理软件的开发。海床基动力要素综合自动监测系统要求在水下100米左右的浅海大陆架连续工作120天以上，由于工作环境的特殊性，在进行系统设计时要把系统功耗作为主要的技术指标。本文从硬件和软件两个方面阐述了降低系统功耗的主要方法。
本文的主要工作：
在充分理解海洋监测技术原理的基础上，根据海床基动力要素综合自动监测系统的功能要求，规划并论证中央控制系统的整体设计方案。
以降低功耗、提高稳定性作为系统设计主要技术指标，本文采用低功耗单片机MSP430实现中央控制系统电路设计，并绘制系统原理图和PCB图。
设计中央控制系统与各个数据采集模块以及计算机之间的串口通信协议，编写底层软件程序实现其设计功能。
在Visual C++开发环境下，编写基于Excel数据库的综合数据处理软件，实现对监测系统采集的海洋动力参数进行分析处理。
本文的创新之处：
低功耗电路系统设计：从硬件电路和底层软件两个方面提出降低系统功耗的主要方法，满足海洋监测仪器设计的特殊要求。
多路数据通信：设计串口通信协议，利用RS-232通信接口实现一点对多点的双向数据传输。
大容量数据存储：采用两级Flash存储器组合使用，利用相同的数据、地址总线统一寻址。
电源供电控制：对系统中的各个功能模块采用独立分时的电源控制方案，只有在某个模块需要工作时才对其进行供电。
"Marine Dynamic Properties Auto-monitoring System"(MDPAMS) is a project of China national 863 programs. It emphasizes the technology of uninterrupted monitoring marine dynamic properties and real-time data transmission. Wave, water level, ocean current, temperature, salinity and some others are to be monitored.
As a part of MDPAMS, this thesis focuses on the development of Central Control Unit and Integrated Data Analysis Software. For the system is required to work under water more than 120 days uninterruptedly, low power-consumption becomes vital for the system design. And the methods to lower system power-consumption are provided in both hardware and firmware way.
Major work of this dissertation
Utilizing MSP430 to design the Central Control Unit, schematic and PCB are accomplished.
The serial port communication protocol between Central Control Unit and other modules is designed. And the firmware of Central Control Unit is implemented.
Integrated Data Analysis Program based on Excel database is developed to handle the data collected by MDPAMS.
Major innovation of this dissertation
Lowering system power consumption. Methods are provided in both hardware and firmware way.
Multi-channel data transmission. A novel protocol is designed for 1-N serial port communication.
Large data capacity. Two level FLASH is combined with same data and address bus.
Power supply controller. Every module of the system is powered only when needed.
本文是“海床基动力要素综合自动监测系统”的子课题，主要任务包括监测系统中央控制单元的研制和综合数据处理软件的开发。海床基动力要素综合自动监测系统要求在水下100米左右的浅海大陆架连续工作120天以上，由于工作环境的特殊性，在进行系统设计时要把系统功耗作为主要的技术指标。本文从硬件和软件两个方面阐述了降低系统功耗的主要方法。
本文的主要工作：
在充分理解海洋监测技术原理的基础上，根据海床基动力要素综合自动监测系统的功能要求，规划并论证中央控制系统的整体设计方案。
以降低功耗、提高稳定性作为系统设计主要技术指标，本文采用低功耗单片机MSP430实现中央控制系统电路设计，并绘制系统原理图和PCB图。
设计中央控制系统与各个数据采集模块以及计算机之间的串口通信协议，编写底层软件程序实现其设计功能。
在Visual C++开发环境下，编写基于Excel数据库的综合数据处理软件，实现对监测系统采集的海洋动力参数进行分析处理。
本文的创新之处：
低功耗电路系统设计：从硬件电路和底层软件两个方面提出降低系统功耗的主要方法，满足海洋监测仪器设计的特殊要求。
多路数据通信：设计串口通信协议，利用RS-232通信接口实现一点对多点的双向数据传输。
大容量数据存储：采用两级Flash存储器组合使用，利用相同的数据、地址总线统一寻址。
电源供电控制：对系统中的各个功能模块采用独立分时的电源控制方案，只有在某个模块需要工作时才对其进行供电。
"Marine Dynamic Properties Auto-monitoring System"(MDPAMS) is a project of China national 863 programs. It emphasizes the technology of uninterrupted monitoring marine dynamic properties and real-time data transmission. Wave, water level, ocean current, temperature, salinity and some others are to be monitored.
As a part of MDPAMS, this thesis focuses on the development of Central Control Unit and Integrated Data Analysis Software. For the system is required to work under water more than 120 days uninterruptedly, low power-consumption becomes vital for the system design. And the methods to lower system power-consumption are provided in both hardware and firmware way.
Major work of this dissertation
Utilizing MSP430 to design the Central Control Unit, schematic and PCB are accomplished.
The serial port communication protocol between Central Control Unit and other modules is designed. And the firmware of Central Control Unit is implemented.
Integrated Data Analysis Program based on Excel database is developed to handle the data collected by MDPAMS.
Major innovation of this dissertation
Lowering system power consumption. Methods are provided in both hardware and firmware way.
Multi-channel data transmission. A novel protocol is designed for 1-N serial port communication.
Large data capacity. Two level FLASH is combined with same data and address bus.
Power supply controller. Every module of the system is powered only when needed.
引文
[1] 康寿岭，注重海洋仪器设备的发展提高海洋监测技术水平，海洋技术，1996，15(2):1～5
[2] 卢铭，我国海洋环境科学与海洋监测技术的发展问题，黄渤海海洋，2000，18(3):96～100
[3] 孙仲汉，近海环境自动监测技术的若干发展，海洋技术，2001，20 (1):22～26
[4] 朱光文，我国海洋监测技术研究和开发的现状和未来发展，海洋技术，2002，21 (2):27～32
[5] 刘岩，王昭正，海洋环境监测技术综述，山东科学，2001，14 (3):30～35
[6] 战秀文，隋吉学等，2001年中国海洋环境质量状况，海洋环境科学，2002，21(2):47～49
[7] 朱光文，我国海洋观测技术三十年发展的回顾和展望，海洋技术，1995，14(3):7～13
[8] 朱光文，我国海洋观测技术的现状差距及其发展，海洋技术，1991，10(3)
[9] 康寿岭，注重海洋仪器设备的发展提高海洋监测技术水平，海洋技术，1996，15(2):1～5
[10] 惠绍堂，海洋监测高技术的需求与发展，海洋技术，2000，19(1):1～17
[11] 张玉珍，方秦华等，我国近岸海域环境现状及保护对策，山东环境，2003,(4):32～34
[12] 王斌，海洋生态环境监测体系建设的初步研究，海洋通报，2002，21(2)：52～59
[13] 康寿岭，海洋环境立体自动监测系统，海洋技术，2001，20 (1):1～21
[14] 刘德辅，施建刚，王锌，海洋环境条件联合设计标准，海洋学报，1994，116 (2):116～123
[15] 孙仲汉,国内外近海环境自动监测系统发展动态，海洋信息，2001，(1):13～15
[16] 黄战华，微机原理与接口技术，北京：机械工业出版社，2001
[17] 李广军，王厚军，实用接口技术，成都：电子科技大学出版社，1998
[18] 严蔚敏，吴伟民，数据结构，北京：清华大学出版社，1997
[19] B&B Electronics Mfg. Co. Inc, RS-422 and RS-485 Application Note,
Oct 1997
[20] 窦振中，单片机外围器件实用手册存储器分册，北京：北京航空航天大学出版社，1998
[21] John M.Yarbrough，数字逻辑应用与设计(李书浩，仇广煜译)，北京：机械工业出版社，2000
[22] 张洪润，唐昌建，电子线路与电子技术，北京：科学出版社，2003
[23] 康华光，电子技术基础，北京：高等教育出版社，1998
[24] 魏小龙，MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例，北京：北京航空航天大学出版社，2002
[25] Texas Instruments Incorporated，Getting Started With the MSP430 Microcontroller User’s Guide，July 1999
[26] 胡大可，MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机，北京：北京航空航天大学出版社，2001
[27] Advanced Micro Devices，AMD29LV320D Flash Memory Data Sheet，July 2002
[28] Maxim Integrated Products，MAX3222 Transceiver Data Sheet，1999
[29] Dallas Semiconductor，DS1305 Serial Alarm Real-Time Clock Data Sheet
[30] 胡大可，MSP430系列单片机C语言程序设计与开发，北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[31] Texas Instruments Incorporated，MSP430 C Compiler Programming Guide
[32]Texas Instruments Incorporated，MSP430 Universal Synchronous Asynchronous Receive/Transmit Communication Interface Application Report，April 1999
[33] 谭浩强，C程序设计，北京：清华大学出版社，1997
[34] 贾智平，石冰，微机原理与接口技术，北京：中国水利水电出版社，1999
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[37] 清源计算机工作室，Visual C++ 6.0开发宝典，北京：机械工业出版社，1999
[38] Mark Nelson，串行通信开发指南(潇湘工作室译)，北京：中国水利水电出版社，2001
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[40] 陈细军，谭民．VC编程中的串口通信技术，计算机应用，2001，21 (9) ：95
[41] 李现勇，Visual C++串口通信技术与工程实践，北京：人们邮电出版社，2002
[42] 韩中合，丁常富，齐凤慧，用ActiveX控件实现串口通信编程，山东电力技术，2003 (2): 15～17
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[45] Hector Garcia-Molina，Jeffrey D.Ullman，Jennifer Widom，数据库系统实现（杨冬青，唐世渭，徐其钧译），北京：机械工业出版社，2001
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[51] 候俊杰，深入浅出MFC(第二版)，武汉：华中科技大学出版社，2001.
[52] 赵晶，电路设计与制版Protel99高级应用，北京：人民邮电出版社，2001
[53] 潘江波，李治柱，Windows下实现与设备无关的打印，1999，20 (2) ：107～110
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