深海海底邊界層原位監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王雨飛李欣

（1、中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100；2、中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島，266100）

1 概述

海底原位監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種能對(duì)海底表面或近海底進(jìn)行定點(diǎn)、連續(xù)、多要素同步測(cè)量的水下監(jiān)測(cè)技術(shù)。研發(fā)深海海底邊界層原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)于加快提升我國(guó)海底資源探測(cè)開發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新能力、促進(jìn)深海科學(xué)研究均具有極為重要的意義。

開發(fā)板的硬件系統(tǒng)是海底原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)深海海底邊界層原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序的自啟動(dòng)，采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)傳輸。

2 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：可以在海底穩(wěn)定工作的海洋探測(cè)儀器；控制系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行以及數(shù)據(jù)采集的嵌入式系統(tǒng)；負(fù)責(zé)電源管理和兩路模擬量數(shù)據(jù)采集的單片機(jī)系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的串口服務(wù)器和交換機(jī)系統(tǒng)。

鑒于以上分析，采用基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)作為自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過讀取傳感器的數(shù)據(jù)來判斷環(huán)境位置，基于TCP/IP協(xié)議，通過串口服務(wù)器與海洋儀器進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和管理。電源管理系統(tǒng)基于MSP430單片機(jī)，智能控制電源分配，采集一種其數(shù)據(jù)后，斷開深海儀器與嵌入式系統(tǒng)的供電，進(jìn)入低功耗模式，等待下一周期。

ARM微處理器具有體積小、低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)[1]，嵌入式系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT91S9263CU微處理器作為控制核心。2MB norflash用來存放u-boot引導(dǎo)程序；10M/100M以太網(wǎng)接口，用于程序下載、網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用；4GB SD卡作為系統(tǒng)的主存區(qū)，從深海設(shè)備中采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后保存到SD卡中。MSP430系列單片機(jī)是一種16位單片機(jī),集成功能豐富，內(nèi)存也比較強(qiáng)大[2]。MSP430單片機(jī)自帶8路12位ADC，精度高,設(shè)計(jì)靈活巧妙，在本系統(tǒng)中的功能主要是采集模擬量數(shù)據(jù)和控制整個(gè)系統(tǒng)的電源供給。

系統(tǒng)共集成了8臺(tái)海洋儀器，分別為聲學(xué)多普勒流速計(jì)（ADV），三維海流計(jì)（Aquadopp），CO2、CH4、PH、DO 傳感器，高度計(jì)和深海攝像子系統(tǒng)。其中ADV、Aquadopp、CO2、CH4 四臺(tái)儀器為 RS232通訊接口，經(jīng)過串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換與RJ45接口的交換機(jī)及ARM通訊。PH、DO傳感器數(shù)據(jù)為模擬量輸出，與MSP430單片機(jī)的12位轉(zhuǎn)換通道相連，數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后打包，通過串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換后上傳給ARM。系統(tǒng)集成了深海攝像子系統(tǒng)拍攝海底影像。

3 嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)搭建

3.1 Linux內(nèi)核配置

深海海底邊界層原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是以Atmel公司的AT91S9263CU為微處理器的ARM9開發(fā)板，采用Linux2.6.30作為開發(fā)板的操作系統(tǒng)。選擇Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)板的操作系統(tǒng)主要是因?yàn)長(zhǎng)inux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]，適合需要小核心程序的嵌入式系統(tǒng)。

2.6 版本的內(nèi)核相比于2.4版本的內(nèi)核使用了新的進(jìn)程調(diào)度算法，在高負(fù)載的情況下執(zhí)行的極其出色，并且當(dāng)有很多處理器時(shí)也可很好擴(kuò)展[4]。內(nèi)核任務(wù)可以被搶占，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可以處理任意數(shù)目的縣城，增加對(duì)文件系統(tǒng)支持。

移植內(nèi)核需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簦詽M足開發(fā)的需要。根據(jù)開發(fā)需求，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪。這里，選擇與Atmel公司的AT91S9263CU微處理器相關(guān)的配置。保存相關(guān)配置，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置，并且對(duì)內(nèi)核進(jìn)行編譯。因嵌入式系統(tǒng)需通過uboot來燒寫Linux內(nèi)核以及文件系統(tǒng)，而且uImage是u-boot加載的映像格式，生成可執(zhí)行的內(nèi)核鏡像文件uImage。

3.2 鏡像燒寫

鏡像燒寫是開發(fā)板加載操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，選擇燒寫jffs2鏡像，是因?yàn)閖ffs2支持Nand Flash裝置，是具有斷電可靠性的日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)。

JFFS2是JFFS的后繼者，由Red Hat重新改寫而成。JFFS2的全名為Journalling Flash File System Version 2（閃存日志型文件系統(tǒng)第2版），其功能就是管理在MTD設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的日志型文件系統(tǒng)。與其他的存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)方案相比，JFFS2并不準(zhǔn)備提供讓傳統(tǒng)文件系統(tǒng)也可以使用此類設(shè)備的轉(zhuǎn)換層。它只會(huì)直接在MTD設(shè)備上實(shí)現(xiàn)日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)。JFFS2會(huì)在安裝的時(shí)候，掃描MTD設(shè)備的日志內(nèi)容，并在RAM中重新建立文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身。

深海海底邊界層原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要使用可寫文件系統(tǒng)，因此選擇使用JFFS2具有斷電可靠性的日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)。根據(jù)開發(fā)者的開發(fā)需求對(duì)開發(fā)板的系統(tǒng)文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，以滿足系統(tǒng)的需求。

3.3 自動(dòng)掛載SD卡

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，選用Atmel公司的AT91S9263CU為微處理器的ARM9的開發(fā)板，其存儲(chǔ)器容量為64MB SDRAM、128MB NandFlash、2MB DataFlash，不能滿足存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)的要求，需要外接存儲(chǔ)設(shè)備。在外圍設(shè)備方面，本型號(hào)的開發(fā)板有1路SD/MMC卡接口，可以在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，通過外部擴(kuò)展SD卡實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。

對(duì)開發(fā)板自啟動(dòng)文件進(jìn)行相應(yīng)的修改，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掛載SD卡的功能。開機(jī)自啟動(dòng)的文件是Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)文件，該文件完成各種設(shè)備的掛載。通過修改此文件，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)掛載。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掛載SD卡的功能，在此系統(tǒng)文件中添加相關(guān)命令。重新啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)，通過相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以監(jiān)測(cè)是否自動(dòng)掛載SD卡。

3.4 程序啟動(dòng)

在深海海底邊界層原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，SD卡內(nèi)的監(jiān)測(cè)程序是整個(gè)系統(tǒng)中最核心的部分，而監(jiān)測(cè)程序的自動(dòng)啟動(dòng)是深海海底邊界層原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠順利工作的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)程序的自動(dòng)啟動(dòng)除了實(shí)現(xiàn)開機(jī)后SD卡自動(dòng)掛載，還需要實(shí)現(xiàn)使用者自定義開機(jī)啟動(dòng)程序，Linux啟動(dòng)最后階段，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行SD卡中相關(guān)文件命令。在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，需自動(dòng)運(yùn)行自定義開機(jī)啟動(dòng)程序。將通過交叉編譯環(huán)境所生成的二進(jìn)制文件存儲(chǔ)到SD卡中并且建立相關(guān)文件，在該文件中添加啟動(dòng)命令，重新啟動(dòng)通過監(jiān)測(cè)設(shè)備可以監(jiān)測(cè)程序是否自動(dòng)運(yùn)行。

3.5 FTP服務(wù)器的搭建

FTP是文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol）的簡(jiǎn)稱，是因特網(wǎng)上使用的最廣泛的文件傳輸協(xié)議。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[5]，文件傳送協(xié)議FTP使用TCP可靠的運(yùn)輸服務(wù)。在進(jìn)行文件傳輸時(shí)，F(xiàn)TP的客戶和服務(wù)器之間要建立兩個(gè)并行的TCP連接：控制連接和數(shù)據(jù)連接?？刂七B接在整個(gè)會(huì)話期間一直保持打開，F(xiàn)TP客戶所發(fā)出的傳送請(qǐng)求，通過控制連接發(fā)送給服務(wù)器端的控制進(jìn)程。服務(wù)器端的控制進(jìn)程在接收到FTP客戶發(fā)送來的文件傳輸請(qǐng)求后就創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳送進(jìn)程和數(shù)據(jù)連接，用來連接客戶端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳送進(jìn)程。

通過FTP服務(wù)器，可以使上位機(jī)（PC機(jī)）通過網(wǎng)絡(luò)接口訪問嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上傳下載數(shù)據(jù)的功能。FTP服務(wù)器使用簡(jiǎn)單，可以通過FTP客戶端建遠(yuǎn)程登錄FTP服務(wù)器，進(jìn)行各種文件的操作。

FTP有多種實(shí)現(xiàn)形式，本系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)使用bftpd服務(wù)器程序。bftpd可以廣泛應(yīng)用于 Linux、BSD/OS、FreeBSD、Solaris、DG-UX以及Tru64平臺(tái)。bftpd主旨成為一款高速、小巧而且配置方便的服務(wù)器，可以使用其默認(rèn)的配置選項(xiàng)，也可以通過交叉編譯將其嵌入在不同的應(yīng)用平臺(tái)上，bftpd依賴關(guān)系比較簡(jiǎn)單,運(yùn)行穩(wěn)定。

結(jié)語

通過長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)掛載SD卡以及連接FTP服務(wù)器的試驗(yàn)，表明以上方法可以滿足深海海底邊界層原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了在外圍設(shè)備中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)傳輸。

[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(36):89-92.

[2]秦龍.MSP430單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006:1.

[3]鳥哥.鳥哥的Linux私房菜，基礎(chǔ)學(xué)習(xí)篇(第二版)[M].北京:人民郵電出版社，2007:16.

[4]宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解[M].北京:人民郵電出版社，2008:45-46.

[5]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第 5版)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007:232.