基于CAN总线的海底地磁观测技术研究

论文摘要

海底观测技术主要应用在海底科学研究、海洋矿产资源勘探等领域。海底地磁观测技术是海底观测的一个重要组成部分,近年来,海底地磁的观测在实际研究中越来越得到重视和应用,尤其是在深远海底的资源调查、海底地震的监测以及军事反潜等研究领域。海洋地磁观测网是一个以大范围海底覆盖为基础,以信息传送网络化为依托的庞大计划,它的建立将改变我国在这一高端领域处于空白的状态,在海洋科学、环境科学、国防安全等领域都具有开创性意义。而海洋地磁观测网的若干关键技术的解决,将使得在未来实施海洋地磁观测网计划具备可行性。本毕业设计的目的在于研究和设计基于CAN总线的海底地磁采集系统,减少连接导线的数量和系统本身的负荷,提高系统的通用性和灵活性,使用网络和总线技术对海底的磁场分布进行观测和研究,获取有效数据提供预测地震和军事应用等领域。本文主要分为以下几个部分进行阐述：1.介绍了海底观测技术的概况,.归纳和总结了国内外海底观测技术的研究现状和发展趋势,阐述了海底观测网的建立与铺设情况；2.分析了系统总体结构和各子系统的研究任务,包括海底采集系统中采集节点和控制节点的任务要求以及海面无线传感网络覆盖分析,概括介绍了系统中包含的关键技术；3.对海底采集系统中CAN总线技术进行分析,主要对CAN技术的特点和技术规范作简单的介绍,包括CAN总线的电气特性、分层结构、报文传输、错误检测、冲突仲裁等,诠释本文采用CAN总线方案的原因；4.重点描述了海底采集系统的设计过程。首先介绍了基于STC89C52微处理器控制的采集节点结构框图,分别从采集电路、微处理器及其外围电路、CAN通信接口进行硬件设计,从CAN控制器报文的初始化、发送和接收模块进行软件程序的编写与实现。然后介绍了以STM32F103VBT6为控制芯片的控制节点模块设计,包括电源电路、微控制器及其外围电路、通信电路等硬件PCB电路设计和嵌入式软件的设计流程,并对具体的程序代码进行了说明；5.基于海底采集传感链连接的浮标系统所组成的海面无线传感网络是课题理论研究的部分,分别从覆盖角度和能量角度进行算法研究,包括对区域节点的部署和有效较少网络中冗余节点来提高网络覆盖率的问题进行了讨论,并通过仿真验证算法的有效性；6.对海底地磁采集系统进行了相关的实验室测试,通过上位机调试界面的编写和显示,实现了对海底各节点数据的采集、整理和分析,证实了该系统已基本满足了本课题的指标要求,达到了设计的目标。最后总结了本课题的全部工作,提出了可以进一步完善的地方,并展望了海底地磁观测技术的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 系统总体方案设计
• 2.1 系统总体结构
• 2.2 各子系统的研究与分析
• 2.2.1 海底采集节点的任务分析
• 2.2.2 海底控制节点的任务分析
• 2.2.3 海面无线传感网络覆盖分析
• 2.3 系统的关键技术
• 2.4 本章小结
• 第3章 CAN总线技术概述
• 3.1 CAN技术简介
• 3.2 CAN总线特点及方案的确定
• 3.3 CAN总线技术规范
• 3.4 CAN总线相关器件及其应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 采集节点模块设计
• 4.1 采集节点的结构框图
• 4.2 采集节点硬件电路的设计
• 4.2.1 传感器采集模块设计
• 4.2.2 微控制器及其外围电路设计
• 4.2.3 CAN总线通信接口设计
• 4.3 采集节点的CAN总线控制器程序设计
• 4.3.1 CAN2.0B数据帧格式
• 4.3.2 CAN总线控制器的初始化
• 4.3.3 报文的发送与接收
• 4.4 本章小结
• 第5章 控制节点模块设计
• 5.1 控制节点的结构框图
• 5.2 控制节点硬件电路的设计
• 5.2.1 微控制器及其外围电路设计
• 5.2.2 电源电路设计
• 5.2.3 CAN通信电路设计
• 5.3 控制节点的CAN总线控制器程序设计
• 5.3.1 STM32固件库简介
• 5.3.2 STM32的CAN总线相关程序
• 5.4 本章小结
• 第6章 海面无线传感网络覆盖问题的研究
• 6.1 无线传感器网络相关技术
• 6.1.1 网络体系结构
• 6.1.2 网络的性能与特点
• 6.2 无线传感网络的节点部署算法研究
• 6.2.1 节点部署问题描述
• 6.2.2 一种基于特殊网格的节点部署算法
• 6.2.3 算法仿真及结果分析
• 6.3 无线传感网络覆盖算法研究
• 6.3.1 感知模型与假设
• 6.3.2 覆盖算法描述
• 6.3.3 算法仿真及结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 单条海底传感链的组装及测试
• 7.1 海底传感链的组装
• 7.2 上位机调试软件的编写
• 7.2.1 连接和选项设置
• 7.2.2 实时数据显示
• 7.2.3 文件存储
• 7.3 海底传感链的实验室测试
• 第8章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录