基于uC/OS-Ⅱ的大型海洋资料浮标监控软件设计与实现

论文摘要

我国有辽阔的海上疆土,海洋开发和海洋探测于国计民生有深远的意义。海洋资料浮标是海洋环境监测与海洋灾害预报的主要手段之一,是海洋环境立体监测的重要组成部分,具有全天候、长期连续、定点监测的特点,被海洋学家誉为“海洋上的地球同步卫星”。我国既有的大型海洋资料浮标存在一定不足,如系统架构不够合理,智能化、模块化、网络化程度较低,浮标系统的扩展升级相对困难等。为此本项目设计和开发了新型的大型海洋资料浮标,其设计理念是总线化、模块化、易扩展、低功耗、高可靠性、高可维护性。硬件结构上基于CAN总线,将硬件从功能上划分为主机模块和前置采集器模块,各模块通过CAN总线进行通信,模块内部硬件接口一致,互换性高。为增强系统的可扩展性,软件设计上借鉴组态化的设计思想,通过一组配置库来组织和配置系统中各个模块的功能,做到了只修改配置就可完全重组系统的功能。本论文致力于为新型大型海洋资料浮标设计和开发组态化的可配置的主机软件系统。软件系统基于uC/OS-II实时操作系统而开发,主机软件结构上分三个层次,分别是BSP层,调度及服务功能层,应用进程层。BSP部分不仅包含了驱动库部分,而且还包含操作系统的底层与硬件平台相关的部分,它为系统的其它部分提供访问硬件的接口。调度及服务功能层的主要部分是uC/OS-II实时操作系统,uC/OS-II一方面提供了多进程并行运行的工作环境,另一方面其内核附带的定时延时结构、进程调度结构、进程间通信结构等像粘合剂一样将多个分立的功能进程组成一个协调的整体。应用进程借助操作系统提供的各种服务和BSP提供的功能接口,实现数据的收集、整理、存储、显示和发送。为实现系统的可配置性,设计了用于存储系统数据的通过索引表来组织的实时数据库,用于数据收集的传感器配置库和数据存储索引表,用于实现数据转储的数据筛选属性表,用于提供显示数据信息的图片描述表,以及用于北斗数据发送的帧描述表等等,使得系统具有高度的可配置性。整个软件系统的设计和实现,贯彻模块化思想,各个功能进程（除CAN服务进程外）自己控制自身的调度,完成各自的功能,功能内聚性好。各功能进程之间,通过消息彼此同步和通信,通过若干全局索引表共享系统数据,做到了高内聚低藕合。最后,对本文的研究工作作出了总结,指出了目前存在的一些问题,并提出了进一步完善的建议。目前项目一期工程已经完成,开发的大型海洋资料浮标已经在东海海域连续运行数月,系统运作正常。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 国内外大浮标的研究现状
• 1.1.1 国外海洋资料浮标的现状与发展
• 1.1.2 国内海洋资料浮标的现状与发展
• 1.2 开发新型海洋资料浮标的意义
• 1.3 本文的主要工作及结构
• 2 大型海洋资料浮标系统整体设计
• 2.1 大型海洋资料浮标系统设计思想
• 2.2 大型海洋资料浮标系统的硬件结构
• 2.3 大型海洋资料浮标主机软件的功能及设计
• 2.3.1 主机软件的整体设计
• 2.3.2 软件工程模版的搭建
• 3 组态化可配置的系统数据结构设计
• 3.1 传感器组织方式及描述结构
• 3.2 主机数据组织及各个配置和属性表的作用
• 3.2.1 系统描述结构
• 3.2.2 底层数据表
• 3.2.3 CAN 数据的收集及转储
• 3.2.4 北斗发送数据的组织
• 3.2.5 主机SD 卡存储数据的组织
• 3.2.6 显示相关的数据结构组织
• 3.3 可配置的具体体现
• 4 ODBCAN 协议模块的设计与实现
• 4.1 CAN 协议在主机和前置机上的设计
• 4.2 CAN 的几个主要功能及实现
• 4.2.1 bxCAN 的配置和接收过滤
• 4.2.2 采集器地址编码
• 4.2.3 ODBCAN 协议的基本内容及实现简介
• 4.2.4 各个命令的意义及实现
• 4.2.5 通信的基本流程
• 4.2.6 采集数据的上传
• 4.2.7 广播设时与广播启动命令
• 4.3 传感器配置数据的获取
• 5 北斗通信模块的设计与实现
• 5.1 北斗进程的功能描述
• 5.1.1 北斗的工作模式
• 5.1.2 北斗通信状态机概述
• 5.1.3 数据组帧过程
• 5.1.4 北斗自检
• 5.1.5 数据存SD 卡的操作
• 5.1.6 发送状态机
• 5.1.7 部分帧重发实现
• 5.1.8 参数设置和查询
• 5.2 高可靠性的北斗重发功能的设计与实现
• 5.2.1 支持重发的数据结构
• 5.2.2 数据重发的具体实现
• 6 HMI 功能模块设计与实现
• 6.1 显示进程设计
• 6.2 通道标定
• 6.3 历史数据查询实现
• 7 结论
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表（录用）论文