测深仪综合显控软件开发

摘 要

　　单波束回声测深仪在国防建设和民用市场上均扮演着异常重要的作用，被广泛应用于各个水文监测行业，是一种行之有效的实用化测深工具。本文经过一系列技术理论分析后详细介绍了一种基于 ARM 处理器和 Linux 操作系统的单束波测深仪的显控界面设计。

　　首先介绍了测深仪的工作原理和主要误差来源，并根据基本误差来源给出了具体的解决算法，包括位置修正和修正误差分析，并进行了一定程度的仿真，分析结果后并针对本项目实际存在的误差源提出了相应的解决方案。

　　之后重点介绍了关于嵌入式测深仪显控系统设计实现的具体过程，包括开发环境的搭建，整体结构设计和流程图的而设计。具体到安装交叉编译工具链和针对 S3C6410 核心处理单元制作并且编译了 U-boot 文件，并针对项目实际需求剪裁了 Linux 内核，生成了 zImage 和 yaffs2 根文件系统后并将之移植到目标板上，自行创建了根文件目录，符合项目的文件系统要求。

　　最后详细阐明了综合显控软件的开发思路，详细介绍了了整体显控软件结构框图的构成。根据开发软件过程中使用的技术，做出了适应性修改和具体的适配，详述了在 Linux 系统中的串口线程处理和双线程并发工作与线程间通信等。最终结合设计规范完成了单波束回声测深仪显控界面的设计，并对实时水文信息进行上位机显示。

　　关键词：回波测深仪；Linux 系统；嵌入式；显控软件；

Abstract

　　Single beam echo sounder plays a very important role in the national defense construction and civil market. It is widely used in various hydrological monitoring industry. After a series of technical analysis, this paper introduces the design of a single beam echo sounder based on ARM processor and Linux operating system.

　　First introduced the working principle of the sounder and the main source of error, and effective methods to solve these errors according to the basic error sources , including the analysis of position correction and error correction. We also analyzed the results of simulation and draw conclusions about how to settle errors cased in actual project.

　　After that, the paper illuminates prosess to make the system of sounder which can display depth and control devices come true , including the design of the development environment, the design of the whole structure and the flow chart. The paper introduces the installation of cross compiler chain in details and how to make and compile the U-boot files according to processing unit of S3C6410 , and cut the Linux kernel according to the actual demand of the project. Transplants the zImage and yaffs2 root file system to the target board and succeeds in creating the root directory in accordance with the requirements of the project.

　　At last, the paper illuminates developing idea of the integrated display and control software in details and the structure of the whole display and control software. According to the technology used in the process of developing software, the paper explains how to use the technology to adapt our design. The paper also describes the way of communication between the Linux system serial threads . Finally, the design of the interface of the single beam echo sounder is completed with the design specification , which can display real-time depth.

　　Key words: echo sounder; embedded; display and control software;

　　地球上最广袤的海洋面积约占地球总面积的三分之二，蕴藏着极其丰富的如煤炭、石油、天然气等自然资源。随着近年来地球人口爆炸，数量不断攀升，陆地资源逐渐匮乏不足以供给人类的需求，已经将目光投向广袤的海洋[1-6]。21世纪是海洋的世纪，海洋不仅拥有丰富的资源，还拥有成本低廉连接世界交流与贸易的海上航道。我国大约一半以上的省份绵延在一万八千公里的海岸线上，在一万八千公里海岸线以外十二公里内属于我国的领海面积约为三百平方公里，在这些领海区域内约有几千个岛屿，蕴藏着丰富的资源和经济效益，这些资源有利于解决我国存在的资源紧缺并且极具战略发展[4-6]。但是目前，我国对于海洋的研究和探测还远远不够，不足以支撑寄望于海洋解决能源问题和发展经济的要求。

　　一切海洋活动的基础是海洋探测，水下探测和导航定位技术的研究在海洋活动日益活跃的今天变得尤为重要。开发海洋资源不仅需要海底地图，还需要探测海底岩层厚度，大陆坡坡脚转折点，海底岩层数据等，这些不单单需要一台海底测绘工具获得信息，还需要使用单波束回声测深数据所测得的深度数据、地下三维地形图、水下测绘信息等[5-7]。

　　目前，在水声领域依然是利用声波在海水中传播衰减小，具有很好的穿透性等特点来探测水下[6,7]。在近海或者港口等位置进行作业时，由于观测点较少，地形并不复杂，需要并不是像多波束测深仪这样整体结构完善功能齐全的大型设备，而是比较灵活地可以外接多种外设，可处理多种数据的便携轻便的小型单波束测深仪。

　　综上所述，虽然高精度的多波束探测设备非常多，但是由于其昂贵的价格、复杂的安装使用操作和较为大型的设备体积，都限制了它在国内的推广和使用。

　　因此需要针对个体用户定制一套拥有自主产权便携实用的测深软件，有着广阔的市场需求。随着数字时代计算机时代的来临，信息技术日新月异，将数字技术和计算机技术融入测深过程也成为了研究的主流。自主研发一套可实时监控设备状态，随时接受外部指令，并能执行这些指令完成用户控制，并能实现一些数字处理的测深软件迫在眉睫。

　　海洋测绘工程中，由于测量方法和复杂的测量环境的限制，测量水深数据的误差修正一直是工程实践中的难题。本文的研究以回声测深仪的显控软件为核心，简述了单波束测深仪的工作流程；分析了回波测深过程中的误差来源如：

　　声速受到水温、盐度和压力的影响而发生偏差会带来测深误差；给出了误差范围和修正误差的解决办法；介绍了本软件所使用的开发工具和搭建的开发环境；就测深仪的综合显控软件来说，详细的叙述了一个嵌入式软件的开发过程，包括：整体框架的设计和所使用的编程技术等。

　　第一章主要介绍了测深仪的研究背景和研究意义，阐述了国内外的发展情况，并且分析和对比了国内外测深仪显控系统的历史和设计理念，最终还分析了误差来源和误差修正的方法。

　　第二章主要对测深仪的工作原理和结构进行了梳理，测深仪的基本原理就是基于回声测距原理而实现的，说明了测深仪的各个部分的功能，分析了误差来源，并给出相应的解决方法。

　　第三章主要针对整个测深仪显控的开发环境展开论述，开发环境基本由虚拟机 VMware、Ubuntu 14.04 操作系统和 S3C6410 的核心处理器构成的 ARM 开发板。这一部分还包括安装交叉编译环境、TFTP 服务器的安装和相应的 Qt 开发环境的安装和配置。

　　第四章主要就Linux操作系统相关的U-boot移植和内核移植做以分析论述，完成了 U-boot 文件的编译和烧写，并对其进行了分析。分析了对 Linux 内核的转移，这一部分包括根文件系统的配置和 yaffs2 文件与 zImage 文件的生成，最后完成根文件系统的构建并建立了相应的目录文件。

　　第五章主要论述了综合显控界面的设计和实现。阐述了测深仪显控界面设计的结构和软件需求分析，包括 GPS 程序段设计、PWM 驱动编写、ADC 驱动编写等。完成了双线程并发结构的实体化操作，并通过实验验证了软件的实用性，最后完成单束波测深仪系统的信息显示。

　　第六章对整个系统的各项工作进行总结，展望了下一步待实现的工作。

　　测深仪综合显控软件界面实现：

显控软件主界面

显控软件的配置界面

功率增益设置

阈值设置

串口设置

目 录

　　第一章 绪 论
　　　　1.1 选题研究背景和意义
　　　　1.2 测深仪显控界面的发展现状
　　　　1.3 误差分析
　　　　1.4 论文主要研究内容
　　第二章 测深仪系统的工作原理
　　　　2.1 测深仪的工作原理
　　　　　　2.1.1 测深仪的测深原理
　　　　　　2.1.2 测深仪的系统组成
　　　　2.2 水声误差分析
　　　　2.3 本章小结
　　第三章 嵌入式开发环境
　　　　3.1 LINUX 操作系统
　　　　3.2 交叉编译环境
　　　　3.3 TFTP 服务器
　　　　3.4 QT 软件开发平台
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 LINUX 系统结构
　　　　4.1 BOOTLOADER 移植
　　　　4.2 系统内核移植
　　　　4.3 构建根文件系统
　　　　4.4 系统驱动
　　　　　　4.4.1 ADC 驱动
　　　　　　4.4.2 PWM 驱动
　　　　　　4.4.3 GPIO 驱动
　　　　4.5 本章小结
　　第五章 测深仪综合显控软件设计与实现
　　　　5.1 测深仪显控系统结构
　　　　5.2 多线程并发应用
　　　　　　5.2.1 系统主线程
　　　　　　5.2.2 系统工作线程
　　　　5.3 线程间通信
　　　　5.4 显控界面实现
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 总结和展望
　　参考文献
　　致谢

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