1 基 于 μc/os-ii 的 嵌 入 式 电 子 潮 汐 预 报 仪 张 淑 娟, 李 海 森, 么 彬, 陈 宝 伟, 周 天 哈 尔 滨 工 程 大 学 水 声 技 术 国 防 科 技 重 点 实 验 室, 哈 尔 滨 (150001) E-mail: zhangshujuan@hrbeu.edu.cn 摘 要 : 本 文 涉 及 一 种 嵌 入 式 电 子 潮 汐 预 报 仪 的 开 发 与 实 现 其 内 部 集 成 嵌 入 式 μc/os-ii 实 时 操 作 系 统 以 及 潮 汐 预 报 软 件, 能 够 根 据 用 户 需 要 实 时 计 算 待 测 港 口 的 潮 位 信 息 本 文 将 预 测 数 据 与 实 测 数 据 进 行 了 比 对, 说 明 本 系 统 与 传 统 纸 质 潮 汐 表 及 微 机 版 电 子 潮 汐 预 报 仪 相 比, 具 有 便 携 使 用 方 便 预 测 精 度 高 等 优 点 关 键 词 : 嵌 入 式 ; 潮 汐 预 报 仪 ; 便 携 式 中 图 分 类 号 :P731.3 1 引 言 潮 汐 是 重 要 的 海 洋 物 理 要 素 之 一, 潮 汐 预 报 是 认 识 开 发 和 利 用 海 洋 资 源 的 重 要 手 段 潮 汐 预 报 工 作 对 扫 雷 布 雷 港 口 及 航 道 管 理 水 运 资 源 开 发 救 生 打 捞 等 方 面 具 有 重 要 的 意 义 [1] 随 着 海 洋 事 业 的 发 展, 世 界 各 国 家 越 来 越 重 视 应 用 潮 汐 信 息 目 前, 潮 汐 预 报 工 作 的 依 据 主 要 是 各 国 海 洋 信 息 中 心 以 手 册 形 式 出 版 的 纸 质 潮 汐 表 以 及 微 机 版 电 子 潮 汐 预 报 仪 而 纸 质 潮 汐 表 体 系 庞 杂, 携 带 不 便, 并 且 预 报 参 数 不 能 及 时 更 新, 已 不 能 满 足 现 代 化 航 海 及 舰 艇 作 战 指 挥 的 需 要 [2] 微 机 版 电 子 潮 汐 预 报 仪 没 有 摆 脱 对 微 机 操 作 系 统 的 依 赖, 在 复 杂 环 境 中, 其 应 用 受 到 限 制 [3] 我 国 海 域 辽 阔, 潮 汐 变 化 复 杂, 无 论 在 军 事 还 是 经 济 建 设 领 域, 都 需 要 具 备 详 细 准 确 方 便 灵 活 的 潮 汐 保 障 体 系, 急 需 全 新 的 预 报 方 法 及 表 现 形 式 为 了 扩 大 电 子 潮 汐 预 报 仪 的 应 用 范 围, 真 正 实 现 设 备 独 立 化 便 携 式, 本 文 设 计 开 发 了 一 款 基 于 嵌 入 式 μc/os-ii 实 时 操 作 系 统 的 便 携 式 潮 汐 预 报 仪 该 设 备 实 现 了 便 携 式 设 计, 改 善 了 纸 质 潮 汐 表 以 及 微 机 版 电 子 潮 汐 预 报 仪 的 不 足, 能 更 好 的 满 足 各 种 用 户 的 需 求 2 便 携 式 潮 汐 预 报 仪 系 统 设 计 2.1 系 统 硬 件 设 计 便 携 式 潮 汐 预 报 仪 以 微 处 理 器 为 核 心, 外 围 设 备 包 括 LCD 彩 色 液 晶 显 示 器 触 摸 屏 非 线 性 FLASH 存 储 器 USB 下 载 端 口 充 电 电 池 等, 该 系 统 的 系 统 结 构 框 图 如 图 1 所 示 FLASH (BIOS) Nand-FLASH 嵌 入 式 数 据 库 SDRAM 系 统 内 存 USB S3C44B0 LCD + 触 摸 屏 系 统 电 源 ( 电 池 ) 图 1 便 携 式 潮 汐 预 报 仪 系 统 结 构 图 Fig1 The System Structure of a Portable Tide-predicting Instrument 1 本 课 题 得 到 哈 尔 滨 工 程 大 学 基 础 研 究 基 金 项 目 资 助, 名 称 : 基 于 高 速 DSP 器 件 的 微 小 型 声 纳 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 的 研 究 与 实 现, 批 准 号 :HEUF04078-1-
微 处 理 器 选 用 三 星 公 司 的 S3C44b0, 使 用 ARM7 TDMI 内 核 该 芯 片 外 设 丰 富, 外 部 可 扩 展 SRAM SDRAM FLASH ROM 等 多 种 存 储 设 备 ; 内 部 集 成 了 LCD 控 制 器, 可 支 持 单 色 灰 度 和 彩 色 LCD, 最 大 可 支 持 256 色 STN, 并 具 有 专 用 的 DMA 同 时, 具 有 丰 富 的 通 用 I/O 管 脚 日 历 功 能 RTC PLL 片 上 时 钟 发 生 器, 这 些 功 能 大 大 简 化 了 系 统 设 计 的 复 杂 程 度 SDRAM 选 用 K4S641632D, 作 为 系 统 的 内 存, 系 统 所 有 程 序 在 上 面 运 行, 容 量 为 64Mbit, 16 位 数 据 总 线 USB 接 口 芯 片 选 用 PDIUSBD12, 用 于 系 统 数 据 文 件 的 更 新 LCD 选 用 夏 普 的 LM050QC1T01, 是 一 款 320*RGB*240 规 格 的 STN 液 晶 显 示 器, 该 显 示 器 可 由 S3C44b0 集 成 的 LCD 控 制 器 进 行 控 制, 作 为 整 个 系 统 的 界 面 显 示 触 摸 屏 主 要 完 成 用 户 输 入 功 能, 控 制 器 选 用 AD7843 FLASH 存 储 器 选 用 SST39LF/VF400, 其 中 包 含 有 系 统 的 启 动 代 码 (BIOS) 初 始 化 程 序 嵌 入 式 操 作 系 统 和 应 用 程 序 等 非 线 性 存 储 器 K9F2808 是 一 个 大 容 量 的 电 子 存 储 设 备, 作 为 系 统 的 电 子 硬 盘, 可 建 立 FAT16 文 件 系 统, 用 于 存 放 潮 汐 预 报 软 件 所 需 要 的 调 和 常 数 每 个 港 口 的 调 和 常 数 都 以 单 独 的 文 件 存 放, 采 用 文 件 系 统 的 目 的 就 是 使 这 些 调 和 常 数 文 件 便 于 管 理, 同 时 使 数 据 和 程 序 完 全 独 立 也 便 于 数 据 的 更 新 升 级 低 功 耗 是 便 携 式 设 备 设 计 中 应 重 点 考 虑 的 问 题 除 选 择 低 功 耗 元 件, 还 要 做 到 系 统 低 功 耗 设 计, 因 此, 本 系 统 利 用 处 理 器 控 制 所 有 外 围 设 备 开 关, 使 部 分 设 备 在 非 工 作 情 况 下 处 于 关 闭 或 低 功 耗 运 行 状 态 如, 在 待 机 状 态 下, 关 闭 LCD;USB 设 备 除 升 级 更 新 外, 一 直 处 于 关 闭 状 态 ; 触 摸 屏 具 有 中 断 功 能 等 2.2 系 统 软 件 设 计 系 统 软 件 设 计 主 要 包 括 潮 汐 预 报 软 件 的 设 计 嵌 入 式 操 作 系 统 μc/os-ii 的 移 植 非 线 性 FLASH 中 文 件 系 统 的 建 立 驱 动 程 序 的 编 写 μc/gui 的 移 植 等 [4] 本 系 统 的 工 作 流 程 如 图 2 所 示 系 统 上 电 复 位 系 统 初 始 化 LCD 显 示 用 户 界 面 利 用 触 摸 屏 输 入 查 询 信 息 读 Nand-Flash 调 用 调 和 常 数 潮 汐 预 报 的 计 算 LCD 输 出 查 询 信 息 图 2 便 携 式 潮 汐 预 报 仪 工 作 流 程 Fig2 The Workflow of a Portable Tide-predicting Instrument -2-
本 系 统 上 电 复 位 后, 处 理 器 执 行 启 动 代 码 和 初 始 化 程 序, 同 时 完 成 系 统 设 备 的 自 检, 并 将 自 检 结 果 通 过 显 示 器 输 出 运 行 操 作 系 统 和 应 用 程 序 采 用 GUI 建 立 友 好 的 用 户 界 面, 以 触 摸 屏 为 媒 介 进 行 人 机 交 互, 且 配 套 软 件 具 有 屏 幕 软 键 盘 通 过 触 摸 屏 选 择 待 查 询 港 口, 输 入 查 询 时 间 和 经 纬 度, 应 用 程 序 通 过 查 表 和 解 算 得 到 潮 位 信 息 并 以 多 种 形 式 输 出 GUI 是 具 有 实 现 界 面 显 示 功 能 的 一 组 函 数, 系 统 通 过 调 用 GUI 函 数 来 建 立 用 户 界 面, 以 便 进 行 人 机 交 互 μc/gui 是 一 种 代 码 公 开 嵌 入 式 时 实 操 作 系 统, 具 有 类 似 于 Windows 的 显 示 风 格, 用 户 界 面 友 好, 并 且 代 码 易 于 移 植 开 发 [5] 该 内 核 资 源 消 耗 非 常 小 以 至 于 ARM7 微 处 理 自 身 所 带 芯 片 内 存 就 能 够 存 储 一 个 裁 剪 合 适 的 内 核, 而 且 非 常 方 便 开 发 鉴 于 μc/gui 自 身 的 独 特 优 点, 是 本 便 携 式 潮 汐 预 报 仪 的 最 佳 选 择 本 系 统 通 过 调 用 μc/gui 函 数, 完 成 了 人 机 交 互 界 面 的 编 写, 如 图 3 所 示 图 3(a) 为 控 制 界 面, 系 统 启 动 后, 用 户 可 通 过 小 键 盘 在 显 控 界 面 上 输 入 查 询 时 间 通 过 下 拉 列 表 选 择 待 查 港 口, 或 直 接 输 入 待 查 港 口 名 称, 若 在 经 纬 度 编 辑 框 中 输 入 待 查 询 经 纬 坐 标, 系 统 可 自 动 显 示 对 应 的 港 口 信 息 同 时, 系 统 提 供 了 潮 位 列 表 界 面 和 潮 位 图 界 面, 如 图 3(b) 和 3(c) 所 示, 使 用 户 可 通 过 多 种 途 径 清 晰 直 观 地 获 取 潮 位 信 息 (a) 控 制 界 面 (a) The Interface of Control (b) 潮 位 列 表 界 面 (b) The Interface of Tidal Signal -3-
(c) 潮 位 图 界 面 (c) The Interface of Tidal Curve 图 3 便 携 式 潮 汐 预 报 显 控 界 面 Fig3 The Display Interface of a Portable Tide-predicting Instrument 潮 汐 预 报 软 件 是 整 个 系 统 软 件 的 重 要 组 成 部 分 之 一, 该 软 件 主 要 完 成 潮 位 预 报 算 法, 获 取 待 查 询 港 口 的 潮 位 信 息 嵌 入 式 操 作 系 统 μc/os-ii 是 整 个 系 统 的 核 心, 负 责 各 项 任 务 的 调 度, 其 易 于 使 用 便 于 裁 减 提 供 源 代 码 支 持 实 时 多 任 务 等 优 点, 满 足 了 本 系 统 的 设 计 需 求 [6] 文 件 系 统 的 任 务 是 在 非 线 性 FLASH 中 组 织 调 和 常 数 表 文 件, 同 时 提 供 一 组 文 件 操 作 函 数, 进 行 文 件 的 读 写, 从 而 实 现 调 和 常 数 表 的 查 询 和 更 新 文 件 系 统 采 用 了 成 熟 稳 定 的 FAT16 格 式, 并 可 与 Windows 环 境 下 的 文 件 系 统 兼 容 驱 动 程 序 为 操 作 硬 件 的 底 层 接 口 函 数, 操 作 系 统 和 应 用 程 序 通 过 调 用 这 组 函 数 实 现 了 系 统 的 初 始 化 和 对 硬 件 的 访 问 3 试 验 数 据 分 析 调 和 分 析 方 法 是 将 月 球 绕 地 球 地 球 绕 太 阳 的 椭 圆 运 动, 以 及 天 体 间 的 摄 动 运 动, 采 用 级 数 分 解 的 方 法, 分 解 成 一 组 止 余 弦 无 穷 级 数, 根 据 预 报 精 度 要 求, 确 定 选 取 主 要 级 数 项, 再 根 据 具 体 港 口 的 潮 汐 实 测 数 据, 解 算 出 各 级 数 项 的 系 数 和 初 始 角 度, 然 后 根 据 时 间, 即 可 预 报 后 面 某 一 时 刻 的 潮 高 [7] 本 系 统 所 采 用 的 调 和 分 析 和 预 报 方 法 是 将 实 际 观 测 的 潮 汐 视 为 多 个 分 潮 的 叠 加, 并 求 出 它 们 的 调 和 常 数, 然 后 利 用 已 知 的 调 和 常 数 预 报 未 来 的 潮 汐 情 况 预 报 任 意 时 刻 的 潮 高 可 根 [8] 据 下 式 进 行 计 算 [9] : h(t)=a0+ fkhkcos[ωkt+(v0+uk)-gk] (1) 其 中,h 为 预 报 潮 位 高 度 ;t 为 预 报 时 间, 日 期 和 时 间 是 相 对 于 格 林 尼 治 1900 年 1 月 1 日 0 时 0 分 的 时 间 长 度 ;A0 为 平 均 海 平 面 高 度 ;k 为 分 潮 序 号, 本 方 法 设 置 了 122 个 分 潮 ; fk 是 对 应 分 潮 的 交 点 因 子 ;Hk 和 gk 为 对 应 分 潮 的 振 幅 和 迟 角, 是 港 口 的 调 和 常 数 ;ωk 为 分 潮 的 角 频 率 ;V0 是 参 考 时 刻 的 平 衡 潮 相 角 ;uk 是 对 应 分 潮 的 交 点 订 正 角,fk 和 uk 变 化 缓 慢, 在 某 一 段 时 间 里 可 以 取 为 常 数 因 此, 只 要 获 得 上 述 这 些 参 数 即 可 对 分 潮 进 行 预 报 实 际 潮 位 预 报 值 可 通 过 对 式 (1) 进 行 122 次 叠 加 求 和 得 到 调 和 常 数 Hk 和 gk 尤 其 重 要, 其 精 度 直 接 影 响 最 终 的 预 报 结 果 另 外, 调 和 分 析 法 的 精 度 也 取 决 于 级 数 项 选 取 的 多 少, 选 项 越 多 精 度 越 高, 但 计 算 越 复 杂, 无 论 选 取 多 少 项, 都 是 一 种 近 似 计 算, 并 且 分 潮 数 目 过 多 会 增 加 截 断 误 差, 影 响 分 析 精 度 作 为 潮 汐 调 和 预 报 技 术, 其 自 身 存 在 着 不 足 它 以 平 衡 潮 理 论 为 基 础, 主 要 考 虑 天 体 的 引 潮 -4-
作 用, 而 实 际 上 地 球 在 不 停 自 转, 气 候 随 时 变 迁, 这 些 因 素 都 会 影 响 到 潮 汐 的 预 报 精 度, 但 我 们 可 以 通 过 不 断 修 正 调 和 常 数, 使 之 包 容 更 多 的 因 素, 以 提 高 预 测 精 度 通 常 潮 汐 表 的 预 报 精 度 在 20~30cm 以 内, 对 于 一 些 位 于 感 潮 河 段 的 主 港, 预 报 潮 高 与 实 际 水 位 相 差 较 大 利 用 本 便 携 式 潮 汐 预 报 仪 对 青 岛 港 和 秦 皇 岛 港 24 小 时 内 的 潮 位 进 行 了 预 测, 并 与 实 测 值 进 行 了 比 对, 比 对 结 果 如 图 4 所 示 通 过 数 据 比 对 可 见, 潮 高 预 测 偏 差 较 小, 可 满 足 大 多 数 用 户 的 需 求 图 4 青 岛 港 秦 皇 岛 港 实 测 数 据 与 预 测 数 据 对 比 图 Fig4 The figure of Comparison on Measured Data and Predictive Data of Qingdao Harbor and Qinhuangdao Harbor 青 岛 港 和 秦 皇 岛 港 实 测 数 据 与 预 测 数 据 间 存 在 着 一 定 的 偏 差 由 于 预 测 时 间 短, 导 致 调 和 常 数 估 计 误 差 大, 是 影 响 预 测 精 度 的 主 要 因 素, 气 候 变 化 等 因 素 也 给 预 测 带 来 的 一 定 的 影 响 从 实 测 与 计 算 结 果 的 比 较 中 不 难 看 到, 二 者 符 合 较 好, 也 进 一 步 说 明 了 该 系 统 的 潮 汐 调 和 分 析 较 为 真 实 地 捕 捉 到 了 当 地 的 潮 汐 特 征, 满 足 了 系 统 设 计 要 求 系 统 还 需 要 进 行 更 多 实 测 与 计 算 结 果 的 比 对, 对 不 同 海 域 潮 汐 调 和 分 析 算 法 进 行 改 进, 提 高 该 系 统 的 预 报 精 度, 通 过 对 潮 汐 资 料 的 积 累 和 获 取, 使 该 系 统 得 到 不 断 的 完 善 4 总 结 本 便 携 式 潮 汐 预 报 仪 彻 底 解 决 了 传 统 纸 质 潮 汐 表 使 用 不 便 以 及 微 机 版 电 子 潮 汐 预 报 仪 受 使 用 环 境 限 制 等 问 题 系 统 设 计 采 用 了 低 功 耗 的 电 子 器 件 和 低 功 耗 的 设 计 理 念, 移 植 了 嵌 入 式 μc/os-ii 实 时 操 作 系 统, 通 过 μc/gui 设 计 了 友 好 的 人 机 交 互 界 面, 实 现 了 设 备 独 立 化 便 携 式 低 功 耗 等 设 计 要 求 本 设 备 还 增 加 了 潮 位 图 功 能, 使 用 户 可 以 更 加 直 观 地 查 看 每 日 的 潮 位 信 息, 极 大 地 提 高 了 用 户 的 工 作 效 率 5 致 谢 在 本 工 作 完 成 期 间 得 到 了 厦 门 大 学 万 振 文 博 士 在 模 型 方 面 的 指 点, 以 及 田 婧, 钱 彬 等 人 在 系 统 设 计 及 实 现 工 作 中 给 予 的 无 私 帮 助, 在 此 表 示 感 谢! 或 单 位 表 示 谢 意 -5-
参 考 文 献 [1] 陈 满 春, 储 英 杰, 刘 克 修 等. 浅 水 港 口 潮 汐 预 报 准 调 和 方 法 的 改 进 [J]. 海 洋 学 报, 2006, 28(1): 9-17. [2] 张 学 宏, 刘 金 芳, 郝 培 章 等. 电 子 潮 汐 表 的 开 发 与 应 用 [J]. 海 洋 预 报,2005, 22(2): 72-76. [3] 叶 永 乐, 李 凤 岐. 海 洋 物 理 学 [M]. 青 岛 : 青 岛 海 洋 大 学 出 版 社. 1992. [4] 袁 野, 王 宏 远. 一 种 嵌 入 式 系 统 中 GUI 的 设 计 [J]. 计 算 机 与 数 字 工 程, 2006, 34(1): 103-106. [5] 杨 云, 张 勇. 基 于 ARM7 的 µc/os-ii 移 植 分 析 与 实 现 [J]. 计 算 机 工 程 与 设 计, 2009, 30(3): 539-541. [6] 吴 永 明, 罗 海 据. µc/os-ii 系 统 中 任 务 调 度 与 监 控 机 制 改 进 [J]. 计 算 机 工 程, 2009, 35(12): 266-268. [7] 胡 继 洋, 李 启 华, 王 宇 浩. 基 于 神 经 网 络 的 潮 汐 预 报 方 法 初 探 [J]. 海 洋 预 报, 2006, 23, 110-114. [8] 暴 景 阳, 刘 雁 春, 晁 定 波 等. 中 国 沿 岸 主 要 验 潮 站 海 图 深 度 基 准 面 的 计 算 与 分 析 [J]. 武 汉 大 学 学 报, 2006, 31(3): 224-228. [9] 马 丽 娟, 徐 丰, 胡 非 等. 潮 汐 调 和 分 析 与 预 报 系 统 [J]. 计 算 机 辅 助 工 程, 2006, 15(2): 52-58. Embedded Digital Tide-predicting Instrument Based on μc/os-ii Zhang Shujuan, Li Haisen, Yao Bin, Chen Baowei, Zhou Tian National Laboratory of Underwater Acoustic Technology, Harbin Engineering University, Harbin, Hei Long Jiang(150001) Abstract This paper related to the development and research on the embedded tide-predicting instrument. The embedded μc/os-ii real-time operating system and the tide-predicting software are integrated in the instrument which can calculate the tide-predicting information of the harbor to be measured according to the user s requirements. The predicted datas had been compared to the measured datas at the end of this paper, it indicated that this system is portable, convenience and high accuracy when compared to traditional paper tide-predicting chart and the microcomputer electronic tide-forecast instruments. Keywords: embedded; tide-predicting instrument; portable -6-