基于CAN总线的海洋水文气象自动观测系统的设计

论文摘要

海洋是孕育生命的摇篮,随着人类文明的发展,人们渴望认识海洋和合理利用海洋资源的愿望越来越强烈,加之现代信息技术、电子技术、计算机控制技术的飞速发展,海洋探测仪器设备也得到了长足的进步。而我国应用在海滨观测的海洋台站系统相对国际先进水平仍有很大差距,为了更好的对各海洋水文、气象要素进行观测,设计一套技术先进的海洋气象水文自动观测系统势在必行。本课题致力于研制具有更高集成度、更先进技术、更高可靠性和更便于维护性的海洋水文气象自动观测系统。本文根据现有海洋台站存在的缺点和不足,应用目前先进的SOPC技术和非常成熟的CAN总线技术,提出了基于CAN总线的海洋水文气象自动观测系统的总体解决方案。本文在详细比较和论证了基于CAN总线的海洋水文气象自动观测系统的设计和实现方案,并最终确定了采用基于FPGA的硬件开发平台,利用SOPC技术进行软硬件协同设计实现中央数据处理部分,以CAN总线的方式将各传感器作为节点与中央数据处理部分组成网络,以满足高集成度、高性能处理、提高灵活性及降低成本的目标。本系统选用Altera公司的Cyclone II系列EP2C20器件作为中央数据处理部分的主控芯片,AT90CAN128作为传感器节点的控制芯片,并在本文中给出了主要功能模块的电路设计。论文的主要研究内容是对本系统整体架构的突破性改变。首先,利用目前先进的FPGA嵌入式技术,结合其支持的SOPC技术,将系统设计需要的大量数字逻辑模块集成到一片FPGA芯片上,完成了中央数据处理系统硬件平台的搭建,各功能IP核的设计,实现众多数据的处理任务,系统中还设计了LCD、键盘、可移动存储设备等人机接口方式;其次,将目前汽车行业广泛应用的CAN总线技术引入到海洋水文气象观测系统,以AVR单片机AT90CAN128为核心设计智能传感器节点电路,与中央数据处理部分组成通信网络,简化系统结构,制定数据通信格式和协议;第三,设计多种无线通讯方式可选的通讯模式,在中央数据处理部分为各种通讯方式设计接口,扩大系统的应用范围。最后,根据本系统实际研究开发结果,总结分析了系统的特点,并对下一步设计工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 课题的提出背景
• 1.2 海洋水文气象自动观测系统的现状及研究发展方向
• 1.3 课题的研究内容及应用的关键技术
• 1.3.1 系统总体结构概述
• 1.3.2 本课题主要研究内容
• 1.3.3 本课题应用的关键技术
• 1.4 课题研究的意义
• 2 基于CAN 总线的海洋水文气象自动观测系统的研究方案
• 2.1 海洋水文气象自动观测技术概述
• 2.2 基于PC104 的系统方案
• 2.3 基于SOPC 和CAN 总线的系统方案
• 2.4 基于PC104 的系统方案的不足之处
• 2.5 基于SOPC 和CAN 总线的系统方案的优势
• 3 基于FPGA 的SOPC 技术介绍
• 3.1 FPGA 器件介绍
• 3.2 SOPC 技术简介
• 3.3 基于SOPC 技术的嵌入式系统开发流程
• 3.4 系统软硬件集成开发平台简介
• 3.4.1 开发环境
• 3.4.2 NiosII 软核选择
• 3.4.3 FPGA 芯片选择
• 3.5 系统开发软件平台简介
• 3.5.1 嵌入式操作系统选择
• 3.5.2 μClinux 操作系统
• 4 CAN 总线技术介绍
• 4.1 现场总线简介及选择
• 4.1.1 现场总线的定义及特点
• 4.1.2 工业现场总线的发展
• 4.1.3 几种主流现场总线简介
• 4.1.4 CAN 总线的优越性
• 4.1.5 利用CAN 总线的设计方案的确定
• 4.2 CAN 总线工作原理
• 4.2.1 CAN 协议分层结构
• 4.2.2 CAN 总线技术规范及报文传送
• 4.2.3 CAN 总线组织规则
• 4.2.4 CAN 总线错误处理
• 5 基于CAN 总线的海洋水文气象自动观测系统的硬件设计
• 5.1 中央数据处理系统硬件体系结构
• 5.1.1 中央数据处理系统整体设计
• 5.1.2 基于SOPC 平台与IP 软核的芯片级嵌入式系统设计
• 5.1.3 核心板硬件电路分析
• 5.1.4 功能扩展板电路分析
• 5.2 智能传感器节点电路分析
• 5.2.1 数据采集电路
• 5.2.2 CAN 总线通信电路
• 5.2.3 电源电路
• 5.3 与外界通讯的多种可选通讯模式
• 5.3.1 现在可用的通讯方式比较
• 5.3.2 数据通讯系统的功能要求
• 5.3.3 数据通讯硬件配置
• 5.4 供电系统电路分析
• 6 基于CAN 总线的海洋水文气象自动观测系统的功能实现
• 6.1 海洋水文气象自动观测系统的功能要求
• 6.2 智能传感器节点功能实现
• 6.2.1 智能传感器节点功能要求
• 6.2.2 采集传感器的输出信号
• 6.2.3 参数信息处理
• 6.2.4 与主控节点通讯
• 6.3 中央数据处理系统功能实现
• 6.3.1 功能要求
• 6.3.2 接收各参数数据信息
• 6.3.3 数据处理分类编报
• 6.3.4 人机接口
• 6.3.5 与外界数据通讯
• 7 海洋水文气象自动化观测系统CAN 总线应用层协议
• 7.1 CAN 总线通讯协议的设计原则
• 7.2 CAN 总线通讯报文分类
• 7.3 通讯报文格式定义
• 7.3.1 信息标识符分配原则
• 7.3.2 信息标识符结构
• 7.4 通讯报文传输协议
• 7.4.1 协议设计原则
• 7.4.2 报文传输协议
• 7.4.3 协议特点
• 8 完成情况及展望
• 8.1 结论
• 8.2 有待解决的问题及未来展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果