海底原位監(jiān)測(cè)微剖面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王一辰　李欣

摘 要： 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是海底原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)海底邊界層進(jìn)行微剖面數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)以ARM9為控制核心，MSP430為電源控制模塊核心，基于Linux軟件平臺(tái)，集成了9臺(tái)深海設(shè)備，采用雙ARM冗余控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)控制傳感器框架在三個(gè)不同高度工作，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、自動(dòng)化、穩(wěn)定的微剖面數(shù)據(jù)采集與控制管理功能。

關(guān)鍵詞： ARM9； 原位監(jiān)測(cè)； 嵌入式Linux平臺(tái)； 微剖面

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）10?0050?03

Abstract： Data acquisition system is the core of seabed in?situ monitoring system. In order to collect micro section data on seabed boundary layer， in the system， ARM9 is used as a control core， and MSP430 as a power control module core. Based on Linux software platform， nine deep?sea instruments are integrated， and double?ARM redundancy control and data storage design are adopted. The system controls the frame of sensors by stepper motor to work at three different heights successively. In this way， the real?time， automatic， stable micro section data acquisition and control management functions were realized in the system.

Keywords： ARM9； in?situ monitoring； embedded Linux platform； micro section

深海海底原位監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種能夠?qū)５走吔鐚游锢砼c化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)、定點(diǎn)、多參數(shù)同步采集的水下監(jiān)測(cè)技術(shù)。因?yàn)槠溟L(zhǎng)期、原位、多要素的觀測(cè)能力，所以在深海探測(cè)中起到越來越重要的作用。而在海底進(jìn)行微剖面數(shù)據(jù)采集，可以得到更準(zhǔn)確、詳細(xì)的海底邊界層數(shù)據(jù)，在研究海洋環(huán)境等方面具有重要的使用價(jià)值。深海海底原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的微剖面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以控制所有的物理和化學(xué)傳感器等設(shè)備在深海可以利用系統(tǒng)內(nèi)部的電源供電情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，從而可以實(shí)現(xiàn)在海底進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)采集工作。

1 系統(tǒng)的整體構(gòu)成

系統(tǒng)主要由以下四部分構(gòu)成：負(fù)責(zé)電源管理工作同時(shí)采集兩路模擬量數(shù)據(jù)的單片機(jī)系統(tǒng)；可以在海底穩(wěn)定工作的9臺(tái)深海探測(cè)設(shè)備；負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)運(yùn)行以及采集數(shù)據(jù)的嵌入式系統(tǒng)；串口服務(wù)器以及交換機(jī)。構(gòu)成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)集成的9臺(tái)深海探測(cè)設(shè)備分別為三維海流計(jì)（ADCP）和聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）、二氧化碳（CO2）傳感器和甲烷（CH4）傳感器、輸出模擬量的pH值傳感器和溶解氧（DO）傳感器、步進(jìn)電機(jī)、高度計(jì)和深海攝像機(jī)，其中，ADCP上還集成了一個(gè)濁度傳感器，ADV上集成了電導(dǎo)率傳感器和溫度傳感器。

串口服務(wù)器選用的是具有一個(gè)10M/100M以太網(wǎng)口和8個(gè)異步串口的通信服務(wù)器。其中ADCP、ADV、CO2傳感器、CH4傳感器和高度計(jì)為RS 232通信接口，與MSP430單片機(jī)一同接于串口服務(wù)器上，pH傳感器和DO傳感器直接與MSP430單片機(jī)的12位A/D轉(zhuǎn)換通道相連，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過串口服務(wù)器上傳給ARM。而由兩塊ARM組成的雙冗余嵌入式系統(tǒng)與串口服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。步進(jìn)電機(jī)用來調(diào)整傳感器框架的高度，使得傳感器在不同的高度上采集數(shù)據(jù)，以完成微剖面數(shù)據(jù)采集工作。

2 微剖面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件搭建

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以Atmel公司的AT91S9263CU作為核心，ARM處理器是小體積、低功耗、低成本而高性能的微處理器[1]。系統(tǒng)擁有2 MB的NORFLASH來存放u?boot引導(dǎo)程序，掛載4 GB的SD卡來存放應(yīng)用程序以及采集的數(shù)據(jù)。單片機(jī)系統(tǒng)選用MSP430F149單片機(jī)作為控制核心，MSP430系列單片機(jī)具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段[2]，可以滿足系統(tǒng)的需求。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要長(zhǎng)期工作在海底，一旦投放則維護(hù)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，從而對(duì)應(yīng)用程序提出了較高的要求，如：程序必須靈活，可以根據(jù)情況采用不同的工作方案；程序必須穩(wěn)定，并且有較好的健壯性與容錯(cuò)性，出現(xiàn)錯(cuò)誤可以在一定程度上自恢復(fù)。

2.2.1 整體設(shè)計(jì)

平臺(tái)選用Linux 2.6.30作為操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)，可以進(jìn)行獨(dú)立工作，自由與開放，配置要求低廉，功能強(qiáng)大而穩(wěn)定[3]，它是以核心為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護(hù)、多任務(wù)多進(jìn)程的操作系統(tǒng)[4]，應(yīng)用程序運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)之上，使得應(yīng)用程序的穩(wěn)定性大大提高[5]。程序主要分為三個(gè)階段：甲板設(shè)置階段、投放階段和數(shù)據(jù)采集階段。甲板設(shè)置階段主要是設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)包括系統(tǒng)循環(huán)采集周期，數(shù)據(jù)采集頻率，開啟/關(guān)閉電機(jī)與攝像機(jī)設(shè)置等參數(shù)。投放階段主要是設(shè)置投放時(shí)間，定時(shí)開機(jī)并將傳感器調(diào)整到最高或最低端。數(shù)據(jù)采集階段主要是控制傳感器分別在最高端、中間以及最低端采集數(shù)據(jù)3次，以完成微剖面數(shù)據(jù)采集工作。

應(yīng)用程序采用了多線程編程。線程是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的基本調(diào)度單位，也可以稱為輕量級(jí)的進(jìn)程。線程是在共享內(nèi)存中并發(fā)的多道執(zhí)行路徑，它們共享一個(gè)進(jìn)程的資源，因此，大大減小了上下文切換的開銷[6]。程序主要分3個(gè)線程。主線程主要負(fù)責(zé)主從兩塊ARM間的通信，通過給單片機(jī)發(fā)送指令控制系統(tǒng)電源，以及監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集線程主要負(fù)責(zé)控制各設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接收并存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳線程主要負(fù)責(zé)設(shè)備回收后與PC機(jī)的通信，并上傳采集的數(shù)據(jù)。

2.2.2 微剖面數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過高度計(jì)的數(shù)據(jù)來判斷傳感器框架的當(dāng)前高度，并通過控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器框架高度的調(diào)整，調(diào)整到所設(shè)置的高度后再給傳感器上電后采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制傳感器框架分別在最高點(diǎn)、中點(diǎn)和最低點(diǎn)各采集一次數(shù)據(jù)。傳感器框架的總行程為20 cm，每移動(dòng)10 cm采集1次，采集順序從上至下和從下至上交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)海底邊界層微剖面數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

2.2.3 系統(tǒng)的健壯性與自恢復(fù)

系統(tǒng)從硬件故障和軟件錯(cuò)誤處理兩個(gè)方面來保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定以及采集數(shù)據(jù)的正確性。

硬件方面：采用ARM雙冗余設(shè)計(jì)，兩個(gè)ARM模塊分為主系統(tǒng)和從系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，主從系統(tǒng)會(huì)相互通信確認(rèn)彼此狀態(tài)。主系統(tǒng)負(fù)責(zé)與單片機(jī)通信并控制設(shè)備采集數(shù)據(jù)，調(diào)整傳感器框架高度以及存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)只負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到SD卡上。如果主系統(tǒng)出現(xiàn)問題，從系統(tǒng)會(huì)接替主系統(tǒng)完成控制工作，從而提高系統(tǒng)可靠性。主從系統(tǒng)流程圖如圖3和圖4所示。

軟件方面：操作系統(tǒng)向各個(gè)傳感器設(shè)備發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令，并檢測(cè)該設(shè)備是否響應(yīng)，如果響應(yīng)超時(shí)或沒有響應(yīng)，會(huì)重新發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令。如果發(fā)送3次指令均響應(yīng)超時(shí)，則跳出循環(huán)，放棄該設(shè)備本周期的數(shù)據(jù)采集，不會(huì)始終等待而形成阻塞，同時(shí)記錄出錯(cuò)信息，寫入日志。

3 FTP服務(wù)器的搭建

FTP是文件傳輸協(xié)議的簡(jiǎn)稱，F(xiàn)TP是在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和Internet上最早使用的協(xié)議之一。FTP提供交互式的訪問，允許客戶指明文件的類型與格式，并允許文件具有存取權(quán)限[7]。系統(tǒng)使用bftpd服務(wù)器程序搭建了FTP服務(wù)器。當(dāng)程序進(jìn)入上傳線程時(shí)，可通過FTP協(xié)議訪問ARM板SD卡上的數(shù)據(jù)，并在回收系統(tǒng)之后，在不拆卸系統(tǒng)的情況下將數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)上。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地在三個(gè)不同高度采集數(shù)據(jù)，完成微剖面數(shù)據(jù)采集工作，并方便地上傳數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足海底邊界層微剖面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉銳，王林.基于ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)量，2010（6）：89?92.

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[7] 謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].5版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

2.2.2 微剖面數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過高度計(jì)的數(shù)據(jù)來判斷傳感器框架的當(dāng)前高度，并通過控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器框架高度的調(diào)整，調(diào)整到所設(shè)置的高度后再給傳感器上電后采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制傳感器框架分別在最高點(diǎn)、中點(diǎn)和最低點(diǎn)各采集一次數(shù)據(jù)。傳感器框架的總行程為20 cm，每移動(dòng)10 cm采集1次，采集順序從上至下和從下至上交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)海底邊界層微剖面數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

2.2.3 系統(tǒng)的健壯性與自恢復(fù)

系統(tǒng)從硬件故障和軟件錯(cuò)誤處理兩個(gè)方面來保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定以及采集數(shù)據(jù)的正確性。

硬件方面：采用ARM雙冗余設(shè)計(jì)，兩個(gè)ARM模塊分為主系統(tǒng)和從系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，主從系統(tǒng)會(huì)相互通信確認(rèn)彼此狀態(tài)。主系統(tǒng)負(fù)責(zé)與單片機(jī)通信并控制設(shè)備采集數(shù)據(jù)，調(diào)整傳感器框架高度以及存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)只負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到SD卡上。如果主系統(tǒng)出現(xiàn)問題，從系統(tǒng)會(huì)接替主系統(tǒng)完成控制工作，從而提高系統(tǒng)可靠性。主從系統(tǒng)流程圖如圖3和圖4所示。

軟件方面：操作系統(tǒng)向各個(gè)傳感器設(shè)備發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令，并檢測(cè)該設(shè)備是否響應(yīng)，如果響應(yīng)超時(shí)或沒有響應(yīng)，會(huì)重新發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令。如果發(fā)送3次指令均響應(yīng)超時(shí)，則跳出循環(huán)，放棄該設(shè)備本周期的數(shù)據(jù)采集，不會(huì)始終等待而形成阻塞，同時(shí)記錄出錯(cuò)信息，寫入日志。

3 FTP服務(wù)器的搭建

FTP是文件傳輸協(xié)議的簡(jiǎn)稱，F(xiàn)TP是在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和Internet上最早使用的協(xié)議之一。FTP提供交互式的訪問，允許客戶指明文件的類型與格式，并允許文件具有存取權(quán)限[7]。系統(tǒng)使用bftpd服務(wù)器程序搭建了FTP服務(wù)器。當(dāng)程序進(jìn)入上傳線程時(shí)，可通過FTP協(xié)議訪問ARM板SD卡上的數(shù)據(jù)，并在回收系統(tǒng)之后，在不拆卸系統(tǒng)的情況下將數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)上。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地在三個(gè)不同高度采集數(shù)據(jù)，完成微剖面數(shù)據(jù)采集工作，并方便地上傳數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足海底邊界層微剖面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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2.2.2 微剖面數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過高度計(jì)的數(shù)據(jù)來判斷傳感器框架的當(dāng)前高度，并通過控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器框架高度的調(diào)整，調(diào)整到所設(shè)置的高度后再給傳感器上電后采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制傳感器框架分別在最高點(diǎn)、中點(diǎn)和最低點(diǎn)各采集一次數(shù)據(jù)。傳感器框架的總行程為20 cm，每移動(dòng)10 cm采集1次，采集順序從上至下和從下至上交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)海底邊界層微剖面數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

2.2.3 系統(tǒng)的健壯性與自恢復(fù)

系統(tǒng)從硬件故障和軟件錯(cuò)誤處理兩個(gè)方面來保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定以及采集數(shù)據(jù)的正確性。

硬件方面：采用ARM雙冗余設(shè)計(jì)，兩個(gè)ARM模塊分為主系統(tǒng)和從系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，主從系統(tǒng)會(huì)相互通信確認(rèn)彼此狀態(tài)。主系統(tǒng)負(fù)責(zé)與單片機(jī)通信并控制設(shè)備采集數(shù)據(jù)，調(diào)整傳感器框架高度以及存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)只負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到SD卡上。如果主系統(tǒng)出現(xiàn)問題，從系統(tǒng)會(huì)接替主系統(tǒng)完成控制工作，從而提高系統(tǒng)可靠性。主從系統(tǒng)流程圖如圖3和圖4所示。

軟件方面：操作系統(tǒng)向各個(gè)傳感器設(shè)備發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令，并檢測(cè)該設(shè)備是否響應(yīng)，如果響應(yīng)超時(shí)或沒有響應(yīng)，會(huì)重新發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令。如果發(fā)送3次指令均響應(yīng)超時(shí)，則跳出循環(huán)，放棄該設(shè)備本周期的數(shù)據(jù)采集，不會(huì)始終等待而形成阻塞，同時(shí)記錄出錯(cuò)信息，寫入日志。

3 FTP服務(wù)器的搭建

FTP是文件傳輸協(xié)議的簡(jiǎn)稱，F(xiàn)TP是在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和Internet上最早使用的協(xié)議之一。FTP提供交互式的訪問，允許客戶指明文件的類型與格式，并允許文件具有存取權(quán)限[7]。系統(tǒng)使用bftpd服務(wù)器程序搭建了FTP服務(wù)器。當(dāng)程序進(jìn)入上傳線程時(shí)，可通過FTP協(xié)議訪問ARM板SD卡上的數(shù)據(jù)，并在回收系統(tǒng)之后，在不拆卸系統(tǒng)的情況下將數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)上。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地在三個(gè)不同高度采集數(shù)據(jù)，完成微剖面數(shù)據(jù)采集工作，并方便地上傳數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足海底邊界層微剖面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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