摘 要

　　單波束回聲測深儀在國防建設和民用市場(chǎng)上均扮演著(zhù)異常重要的作用，被廣泛應用于各個(gè)水文監測行業(yè)，是一種行之有效的實(shí)用化測深工具。本文經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)理論分析后詳細介紹了一種基于 ARM 處理器和 Linux 操作系統的單束波測深儀的顯控界面設計。

　　首先介紹了測深儀的工作原理和主要誤差來(lái)源，并根據基本誤差來(lái)源給出了具體的解決算法，包括位置修正和修正誤差分析，并進(jìn)行了一定程度的仿真，分析結果后并針對本項目實(shí)際存在的誤差源提出了相應的解決方案。

　　之后重點(diǎn)介紹了關(guān)于嵌入式測深儀顯控系統設計實(shí)現的具體過(guò)程，包括開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建，整體結構設計和流程圖的而設計。具體到安裝交叉編譯工具鏈和針對 S3C6410 核心處理單元制作并且編譯了 U-boot 文件，并針對項目實(shí)際需求剪裁了 Linux 內核，生成了 zImage 和 yaffs2 根文件系統后并將之移植到目標板上，自行創(chuàng )建了根文件目錄，符合項目的文件系統要求。

　　最后詳細闡明了綜合顯控軟件的開(kāi)發(fā)思路，詳細介紹了了整體顯控軟件結構框圖的構成。根據開(kāi)發(fā)軟件過(guò)程中使用的技術(shù)，做出了適應性修改和具體的適配，詳述了在 Linux 系統中的串口線(xiàn)程處理和雙線(xiàn)程并發(fā)工作與線(xiàn)程間通信等。最終結合設計規范完成了單波束回聲測深儀顯控界面的設計，并對實(shí)時(shí)水文信息進(jìn)行上位機顯示。

　　關(guān)鍵詞：回波測深儀；Linux 系統；嵌入式；顯控軟件；

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;

　　地球上最廣袤的海洋面積約占地球總面積的三分之二，蘊藏著(zhù)極其豐富的如煤炭、石油、天然氣等自然資源。隨著(zhù)近年來(lái)地球人口爆炸，數量不斷攀升，陸地資源逐漸匱乏不足以供給人類(lèi)的需求，已經(jīng)將目光投向廣袤的海洋[1-6]。21世紀是海洋的世紀，海洋不僅擁有豐富的資源，還擁有成本低廉連接世界交流與貿易的海上航道。我國大約一半以上的省份綿延在一萬(wàn)八千公里的海岸線(xiàn)上，在一萬(wàn)八千公里海岸線(xiàn)以外十二公里內屬于我國的領(lǐng)海面積約為三百平方公里，在這些領(lǐng)海區域內約有幾千個(gè)島嶼，蘊藏著(zhù)豐富的資源和經(jīng)濟效益，這些資源有利于解決我國存在的資源緊缺并且極具戰略發(fā)展[4-6]。但是目前，我國對于海洋的研究和探測還遠遠不夠，不足以支撐寄望于海洋解決能源問(wèn)題和發(fā)展經(jīng)濟的要求。

　　一切海洋活動(dòng)的基礎是海洋探測，水下探測和導航定位技術(shù)的研究在海洋活動(dòng)日益活躍的今天變得尤為重要。開(kāi)發(fā)海洋資源不僅需要海底地圖，還需要探測海底巖層厚度，大陸坡坡腳轉折點(diǎn)，海底巖層數據等，這些不單單需要一臺海底測繪工具獲得信息，還需要使用單波束回聲測深數據所測得的深度數據、地下三維地形圖、水下測繪信息等[5-7]。

　　目前，在水聲領(lǐng)域依然是利用聲波在海水中傳播衰減小，具有很好的穿透性等特點(diǎn)來(lái)探測水下[6,7]。在近海或者港口等位置進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由于觀(guān)測點(diǎn)較少，地形并不復雜，需要并不是像多波束測深儀這樣整體結構完善功能齊全的大型設備，而是比較靈活地可以外接多種外設，可處理多種數據的便攜輕便的小型單波束測深儀。

　　綜上所述，雖然高精度的多波束探測設備非常多，但是由于其昂貴的價(jià)格、復雜的安裝使用操作和較為大型的設備體積，都限制了它在國內的推廣和使用。

　　因此需要針對個(gè)體用戶(hù)定制一套擁有自主產(chǎn)權便攜實(shí)用的測深軟件，有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)需求。隨著(zhù)數字時(shí)代計算機時(shí)代的來(lái)臨，信息技術(shù)日新月異，將數字技術(shù)和計算機技術(shù)融入測深過(guò)程也成為了研究的主流。自主研發(fā)一套可實(shí)時(shí)監控設備狀態(tài)，隨時(shí)接受外部指令，并能執行這些指令完成用戶(hù)控制，并能實(shí)現一些數字處理的測深軟件迫在眉睫。

　　海洋測繪工程中，由于測量方法和復雜的測量環(huán)境的限制，測量水深數據的誤差修正一直是工程實(shí)踐中的難題。本文的研究以回聲測深儀的顯控軟件為核心，簡(jiǎn)述了單波束測深儀的工作流程；分析了回波測深過(guò)程中的誤差來(lái)源如：

　　聲速受到水溫、鹽度和壓力的影響而發(fā)生偏差會(huì )帶來(lái)測深誤差；給出了誤差范圍和修正誤差的解決辦法；介紹了本軟件所使用的開(kāi)發(fā)工具和搭建的開(kāi)發(fā)環(huán)境；就測深儀的綜合顯控軟件來(lái)說(shuō)，詳細的敘述了一個(gè)嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括：整體框架的設計和所使用的編程技術(shù)等。

　　第一章主要介紹了測深儀的研究背景和研究意義，闡述了國內外的發(fā)展情況，并且分析和對比了國內外測深儀顯控系統的歷史和設計理念，最終還分析了誤差來(lái)源和誤差修正的方法。

　　第二章主要對測深儀的工作原理和結構進(jìn)行了梳理，測深儀的基本原理就是基于回聲測距原理而實(shí)現的，說(shuō)明了測深儀的各個(gè)部分的功能，分析了誤差來(lái)源，并給出相應的解決方法。

　　第三章主要針對整個(gè)測深儀顯控的開(kāi)發(fā)環(huán)境展開(kāi)論述，開(kāi)發(fā)環(huán)境基本由虛擬機 VMware、Ubuntu 14.04 操作系統和 S3C6410 的核心處理器構成的 ARM 開(kāi)發(fā)板。這一部分還包括安裝交叉編譯環(huán)境、TFTP 服務(wù)器的安裝和相應的 Qt 開(kāi)發(fā)環(huán)境的安裝和配置。

　　第四章主要就Linux操作系統相關(guān)的U-boot移植和內核移植做以分析論述，完成了 U-boot 文件的編譯和燒寫(xiě)，并對其進(jìn)行了分析。分析了對 Linux 內核的轉移，這一部分包括根文件系統的配置和 yaffs2 文件與 zImage 文件的生成，最后完成根文件系統的構建并建立了相應的目錄文件。

　　第五章主要論述了綜合顯控界面的設計和實(shí)現。闡述了測深儀顯控界面設計的結構和軟件需求分析，包括 GPS 程序段設計、PWM 驅動(dòng)編寫(xiě)、ADC 驅動(dòng)編寫(xiě)等。完成了雙線(xiàn)程并發(fā)結構的實(shí)體化操作，并通過(guò)實(shí)驗驗證了軟件的實(shí)用性，最后完成單束波測深儀系統的信息顯示。

　　第六章對整個(gè)系統的各項工作進(jìn)行總結，展望了下一步待實(shí)現的工作。

　　測深儀綜合顯控軟件界面實(shí)現：

顯控軟件主界面

顯控軟件的配置界面

功率增益設置

閾值設置

串口設置

目 錄

　　第一章 緒 論
　　　　1.1 選題研究背景和意義
　　　　1.2 測深儀顯控界面的發(fā)展現狀
　　　　1.3 誤差分析
　　　　1.4 論文主要研究?jì)热?br /> 　　第二章 測深儀系統的工作原理
　　　　2.1 測深儀的工作原理
　　　　　　2.1.1 測深儀的測深原理
　　　　　　2.1.2 測深儀的系統組成
　　　　2.2 水聲誤差分析
　　　　2.3 本章小結
　　第三章 嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境
　　　　3.1 LINUX 操作系統
　　　　3.2 交叉編譯環(huán)境
　　　　3.3 TFTP 服務(wù)器
　　　　3.4 QT 軟件開(kāi)發(fā)平臺
　　　　3.5 本章小結
　　第四章 LINUX 系統結構
　　　　4.1 BOOTLOADER 移植
　　　　4.2 系統內核移植
　　　　4.3 構建根文件系統
　　　　4.4 系統驅動(dòng)
　　　　　　4.4.1 ADC 驅動(dòng)
　　　　　　4.4.2 PWM 驅動(dòng)
　　　　　　4.4.3 GPIO 驅動(dòng)
　　　　4.5 本章小結
　　第五章 測深儀綜合顯控軟件設計與實(shí)現
　　　　5.1 測深儀顯控系統結構
　　　　5.2 多線(xiàn)程并發(fā)應用
　　　　　　5.2.1 系統主線(xiàn)程
　　　　　　5.2.2 系統工作線(xiàn)程
　　　　5.3 線(xiàn)程間通信
　　　　5.4 顯控界面實(shí)現
　　　　5.5 本章小結
　　第六章 總結和展望
　　參考文獻
　　致謝

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