基于ARM的海洋站水文氣象自動觀測系統設計

葉 穎，馮林強，成方林，李 博

(國家海洋技術中心，天津 300112)

基于ARM的海洋站水文氣象自動觀測系統設計

葉 穎，馮林強，成方林，李 博

(國家海洋技術中心，天津 300112)

針對國內現有的基于單片機或PC/104的數據采集系統的不足，介紹了一種基于ARM（Advanced RISC Machines）平臺和單片機平臺的數據采集系統。它結合了國外先進的數據采集技術，具有功耗低、體積小、性能高，軟、硬件擴充靈活的特點，其通用性、模塊化和可擴展性能滿足浮標、船用氣象儀等海洋水文氣象儀器設備研發的需求。

ARM；數據采集；嵌入式

海洋站水文氣象自動觀測系統的主要功能是按《GB/T 14914-2006海濱觀測規范》的要求長期、連續、自動地觀測表層海水溫度、表層海水鹽度、潮汐、波高、波周期、波向、風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓、降水量和能見度等水文氣象要素，適用于海岸、海島海洋站和海上油氣平臺等，是海洋環境監測網的一個重要組成部分。為適應海洋預報、防災減災、經濟建設、國防建設和科學研究的需求，海洋站水文氣象自動觀測系統觀測的要素將逐步增加，功能將更加復雜[1]。

目前，國內該系統大多數采用單片機平臺或PC/104平臺來開發。采用單片機開發，雖然具有價格便宜、功耗低等優點，但其處理速度、存儲容量及軟件硬件擴展方面受到一定的限制，無法滿足系統功能日益復雜的需求；采用PC/104為開發平臺，雖然軟件硬件容易擴充，但功耗高、體積大、應用范圍有限。

ARM是32位的RISC微處理器，它有很高的運算速度和處理能力，具有體積小、功耗低、成本低、可靠性高等優勢，并且支持Linux操作系統。目前已經普遍應用于工業控制、通信系統和消費類電子產品中。

本文的主要目的是設計一種軟硬件擴充方便靈活、低功耗、高性能的基于ARM的海洋站水文氣象數據采集平臺。按照《海濱觀測規范》的要求，對風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓、降水、能見度、水位、水溫、鹽度等要素進行采集、質量控制、計算處理、數據存儲和通訊傳輸，縮短系統的開發周期，提高系統的可靠性和系統集成的靈活性。

1 系統硬件設計

1.1 開發平臺

系統硬件采用UC-7408。UC-7408是MOXA公司專為嵌入式應用而設計的智能通信服務器，采用高性能、低成本、低功耗的32位RISC微處理器作為中央處理器，具備8個RS-232/422/485串口、雙10/100 Mbps以太網端口、1個PCMCIA、1個USB接口及用于數據存儲擴充的CF卡接口，此外還配置了8個DI/DO通道，可用來處理I/O端口發生的事件[2]。

1.2 模擬信號和頻率量信號采集

使用單片機實現對多路模擬信號、頻率信號和數字I/O信號的采集，將采集的信號通過串口傳輸給UC-7408，采集單元電路結構如圖1所示。

圖1 數據采集單元電路設計原理圖

1.3 數據存儲器

由于海洋站水文氣象自動觀測系統采集的要素多，需要數據存儲量大，采集系統選用大容量的CF卡存儲數據。上位機可以發送命令向采集系統補要觀測數據，保證系統業務化運行。

2 系統軟件設計

2.1 軟件開發平臺

在Linux操作系統下使用C語言開發系統軟件。Linux是一個多用戶、多任務的操作系統，具有開源性、支持多任務、多用戶、運行穩定可靠等優點。C語言具有代碼可讀性好、可移植性好、運行效率高、升級維護方便等諸多優點，適合用于數據采集系統軟件的開發。

2.2 軟件總體設計

按照模塊化設計方法進行應用軟件的設計。主要模塊有初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊、數據存儲模塊、數據通信模塊、參數設置模塊和命令解析處理模塊。

（1）初始化模塊

為應用軟件的運行做準備，主要是對系統硬件進行自檢，讀取設置參數和暫存的數據，初始化硬件接口，設置數據緩沖區等。

（2）數據采集模塊

通過串口進行數據采集，分析傳感器或單片機采集模塊的數據傳輸格式，獲取相應的測量數據，根據傳感器定標參數計算工程量。

（3）數據處理模塊

由于海洋站現場的環境比較惡劣，干擾源較多，為了減少對采樣數據的干擾，提高數據的準確性，需要對采樣數據進行數字濾波，剔除其中的奇異項。計算及處理的數據有：氣溫、相對濕度、本站氣壓、能見度、表層海水溫度、表層海水鹽度每分鐘的平均值、日界內的最大值和最小值；每分鐘的降水量、20時至08時降水總量、08時至20時降水總量和1 d內降水總量；風速和風向每分鐘的平均值、日界內的最大風速及對應風向和出現的時間、極大值及對應的風向及出現的時間、出現大于17 m/s的大風起止時間段；每分鐘潮位的平均值，日界內高潮潮高及對應的潮時，低潮潮高對應的潮時；分析波浪數據，計算波浪特征值數據；分析海流數據，計算海流特征值數據。

（4）數據顯示模塊

按相關規范和標準的要求顯示所觀測到的數據，采用分頁的方式顯示測量數據，便于用戶安裝、調試和維護。

（5）數據存儲模塊

首先將采集數據存入臨時數據文件，每個要素1個月生成1個數據文件。跨日界時，將每個要素1 d內處理生成的數據作為一條記錄存入相應的數據文件，并初始化相應的臨時文件。當系統重新啟動時，初始化模塊將自動讀取臨時數據文件。

（6）通信管理模塊

根據具體應用，選擇 RS-232/RS-442/RS-485、GSM、CDMA/GPRS、VHF、因特網、北斗衛星或Inmarsat-C等通信方式與上位機通信。通信管理模塊根據通信方式，調用相應的通信模塊與上位機通信。

（7）參數設置模塊

對站位信息、傳感器信息、接口、通信、時間和數據存儲等信息進行設置。站位信息有站代碼、站位經緯度、海拔高度等；傳感器信息有傳感器是否開啟、傳感器類型、傳感器參數等；通信設置主要內容有通信類型、通信端口、通信協議等；存儲設置包括存儲數據的類型和存儲時間等。

（8）命令解析處理模塊

上位機通過向數據采集系統發送命令，得到系統觀測數據、運行狀態后，對系統配置參數進行設置。數據采集系統接收到上位機發送的命令后，對命令進行解析。如果是數據命令，組織相應的觀測數據、運行狀態數據或配置參數向上位機發送；如果是配置命令，則對數據采集系統的配置參數進行修改。采用命令交互形式，能夠對數據采集系統進行遠程監控、維護和管理，便于用戶使用。

數據采集系統軟件流程如圖2所示。

圖2 數據采集系統軟件流程圖

2.3 主要模塊實現

2.3.1 數據采集模塊

數據采集和數據通信部分主要通過串口來實現，因此開發串口驅動程序是軟件實現的一個基本且重要的任務。主要設計內容有串口驅動程序，串口接受和發送管理模塊。

（1）串口驅動程序

為了有效管理和使用串口，開發了串口驅動程序，實現對串口的讀寫操作。

串口設置主要驅動函數：

（2）串口接收和發送管理模塊

每個串口分別建立一個接收緩沖區和發送緩沖區，將采集到的數據放入對應的接收緩沖區中，將要發送的數據放入對應的發送緩沖區中。緩沖區為環形結構，提高了串口接收和發送的效率。

①串口接收管理[3]

數據采集系統需要對多個串口進行接收數據的操作。若采用阻塞模式，每個串口的讀取操作都需要一個獨立的線程在工作，這將加大系統的開銷。若采用無阻塞模式，輪詢頻率低容易丟失數據，輪詢頻率高則會浪費大量CPU時間。信號驅動方式在一個進程中僅支持一個SIGIO信號，常用于接收緊急數據。數據采集系統為多串口采集，不希望任何一個流被阻塞。針對上述的問題，I/O多路轉接技術是一種比較好的解決方案。

I/O多路轉接技術是先構造一張有關描述符的列表，然后調用一個函數，僅當有一個或多個描述符已經準備好進行I/O時才返回，否則一直處于阻塞狀態。在返回時，該函數告知進程哪些描述符已經準備好可以進行I/O。

每次循環時，都采用select函數查詢是否有描述符準備好，有則進行處理，無則處于阻塞狀態，直到有數據準備好為止。在處于阻塞的時間里面，可以讓CPU處理其他事務，避免了輪詢方式所占用的大量CPU時間。

串口接收管理流程圖如圖3所示。

②串口發送管理

發送管理模塊查詢緩沖區中的內容，采用分包的形式發送緩沖區中的內容，使每個緩沖區都有相同的機會發送數據。

部分程序如下所示：

圖3 串口接收管理流程圖

2.3.2 數據處理模塊

（1）數據報文解析

將數據采集到緩沖區后，需要對環形緩沖區中的數據進行解析并保存在生成的文件中。

以XQY1-1氣壓傳感器為例介紹氣壓傳感器的數據解析，其它數據解析類似。XQY1-1氣壓傳感器觀測本站氣壓，傳感器通過RS232端口輸出，每s輸出一組觀測數據，輸出數據格式為：$BP,XXXX.X＜cr＞＜lf＞。如：$BP，1012.4＜cr＞＜lf＞。

如果觀測數據完整，在解析數據時首先找出整條報文數據的開始字符和結束字符，并按照數據長度截取觀測數據的實際測量值，最后將解析出的觀測數值放入臨時緩沖區等待保存。

（2）數據處理[4]

對于解析后的數據，根據《海濱觀測規范》中對觀測數據的要求，需要對數據進行計算、處理。

高低潮及對應潮時的挑選比較復雜。《海濱觀測規范》中對高（低）潮挑選的基本要求是：幅度超過10 cm且時間超過2 h者應作為一個高（低）潮來挑選。因此，首先確定高（低）潮可能出現的區間，其次計算這些區間可能出現高（低）潮高及對應的潮時，最后再確定真正的高（低）潮高及對應的潮時。

①確定高（低）潮可能出現的區間

如果把潮汐隨時間的變化看成一條連續變化的曲線，這樣高潮只能出現在此曲線的峰（在某一區間內的最大值），低潮只能出現在此曲線的谷（在某一區間內的最小值）。因此，確定高（低）潮可能出現的區間，即成了求潮汐變化曲線的峰和谷。

假設共有連續3 d的每分鐘的潮汐數據，共4 320個數據。在觀測日界到來時，先用9999做為本日內每分鐘的潮汐值。每計算出一個潮汐值，用測量的潮汐值代替9999。

假設step為向前滑動的步長，值為60；value為判斷潮汐升降時的閾值；i計算升降數值的個數，其范圍是1≤i≤4320/step-1。

Xi*step和X(i+1)*step這兩個數中，只要其中有一個為9999，則不能判斷在區間[i*step,(i+1)*step]內潮汐的升降趨勢，把計算結果設為0。如果Xi-Xi+offset＜-value，表示潮汐處于下降趨勢，把計算結果設為-1。如果Xi-Xi+offset＞value，表示潮汐處于上升趨勢，把計算結果設為1。這樣計算后得到一個含71個表示潮汐升降趨勢數據的數組，則可以判斷出各峰（谷）所在的區間，當數組中的數值由負數變為正數時，有一個谷出現，反之肯定有一個峰出現，當數值為零時忽略不計。

確定每個波峰（谷）內出現可能的高（低）潮潮高和對應潮時

假設y=f(x)是[a,b]區間內潮汐隨時間變化的函數。根據連續函數的性質，[a,b]區間上的連續函數y=f(x)至少存在一個區間[a1,b1]（其中[a,b]包含[a1,b1])，使得函數f(x)在[a1,b1]上達到最大值。同理，在[a,b]區間上至少存在一個[a2,b2]，使得函數f(x)在[a2,b2]上達到最小值。因此，只要找出[a,b]內函數的最大值即可確定高潮的潮高，關鍵是確定高潮所對應的潮時。設高潮為maxab，根據此值在[a,b]內找所有的最大值區間[ai,bi],其中 i≥1。

當i=1時，表示最大值只在一個閉區間內出現。假設在閉區間內出現的最高值的個數為n（n≥1）。如果n為奇數，則(n+1)/2點數據對應的時間為高（低）潮對應的潮時；如果n為偶數，則n/2點數據對應的時間為高（低）潮對應的潮時。

當i＞2時，表示最高（低）值在多個閉區間內出現，此時先計算出最高（低）值持續時間最長閉區間數個數。設此值為m（m≥1），若m為奇數，取(m+1)/2為高（低）潮出現的閉區間；若m為偶數，取m/2為高（低）潮出現的閉區間。確定好這個閉區間，計算潮時的方法和i=1時相同。

2.3.3 命令解析處理模塊

數據采集系統與數據接收處理機之間的命令見表1。數據采集系統接收到命令后，對命令進行分析，然后組織相應數據向上位機傳輸。傳輸的數據由數據包和一個結束包組成。傳輸的數據分為實時數據、整日數據和原始數據3類。

表1 命令類型

3 總結

通過將PWD20能見度儀、XZY3數據采集器、SCA11-3型水位計、聲學測波儀探頭分別與4個串口連接，Console Port作為通信端口與PC連接。在PC機上運行超級終端，對設計的海洋水文氣象自動觀測系統進行了測試，結果表明該系統達到了設計要求。

本文以通用性、模塊化和可擴展性為目標，硬件平臺采用了ARM處理器與單片機處理器相結合的方式，在Linux操作系統下使用C語言開發應用軟件，建立了一個功耗低、體積小、性能高，軟件和硬件擴充方便靈活的嵌入式數據采集系統。該系統能滿足海洋站、船舶、浮標等海洋水文、氣象、水質監測設備研發的需求。

[1]侍茂崇，高郭平，鮑獻文.海洋調查方法[M].青島：青島海洋大學出版社，2007：1-22.

[2]Moxa.UC-7408_Users_Manual_v6(6 th)[M],2009.

[3] 李萌.Linux操作系統多串口編程技術[J].火控雷達技術，2008，37（3）：1-4.

[4]中國國家標準化管理委員會.GB/T14914-2006.海濱觀測規范[S].北京：中國標準出版社，2006.

Research on High Accuracy Frequency Estimating and the Frequency Stability of Line Spectrums Radiated by Ships

LIU Bao-liang1,XU Quan-jun2,DENG Yu-fen1,SUN Fang1
（1.Navel Institute Hydrographic Surveying and Charting,Tianjin 300061,China;2.Meteorological and Hydrological Bureau of General Staff Headquaters,Beijing 100081,China）

As the progress of underwater acoustic technology,very low frequency signal analysis attracts more and more interests.The stability analysis of very low frequency is quite important to line spectrum detection.Traditional adaptive frequency estimator cannot reach the qualification under low signal to noise ratio circumstance.To enhance the ability of line spectrum detection and increase the accuracy of frequency estimating,the adaptive frequency estimator was combined with an adaptive line enhancer with coherent adder.The simulation confirms its well performance of frequency estimating under low signal to noise ratio.Sea trial data analysis indicates that the very low frequency line spectrums radiated by ships are quite stable and the frequency instability is within±0.01 Hz.

frequency estimating of line spectrum;coherent adder adaptive;very low frequency

P715，TP274+.2

B

1003-2029（2012）02-0040-05

2011-11-16

葉穎（1987-），女，碩士研究生，研究方向為海洋觀測。