浅论基于以太网的开放式船载航行数据记录仪的研究与实现

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1、上海交通大学硕士学位论文基于以太网的开放式船载航行数据记录仪的研究与实现姓名：付宏博申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：曹健20070801上海交通大学工程硕士研究生学位论文摘要船载航行数据记录仪VDR（VoyageDataRecorder）是记录船舶航行时各种参数的重要设备，这些数据可以为分析海难的原因提供重要的支持。目前的VDR设备，采用都是嵌入式工控机+各种板卡的方式，虽然集成度比较高，但是灵活性差、不容易升级，更重要的是后期维护比较困难。针对这种情况，本文提出了一种基于以太网架构的VDR系统，将图象卡、声音卡

2、、数据采集卡、存储单元、主控单元等都各自封装在基于以太网接口的模块中，通过网络实现信息的采集、传输和存储。由于各个模块具有很大的独立性，只要接口之间的协议不变，某个模块的技术升级就不会影响到其它模块，由于采用了网络接口，实施时就可以根据船舶上的情况动态的增减模块，灵活性很高，如果发生故障可以对模块进行单独诊断，能迅速的定位故障点，不需要专业的工程师就可以实现模块的更换。本文在对国际海事组织以及中国等有关VDR标准分析的基础上，提出了系统的设计方案，对每个模块的功能做了定义，并对其中的3个模块：航行数据采集盒、主控制盒、雷达图象采

3、集盒进行了具体的设计和实现。在航行数据采集盒的设计方面，根据该模块的特点，运用了SOPC（SystemOnProgrammableChip）技术，在FPGA（FieldProgrammableGateArray）中嵌入了Nios处理器软核，结合实时高效的嵌入式系统微内核uC/OSII以及轻量级的TCP/IP协议栈LwIP（LightweightIP）完成了系统的功能设计。其中对SOPC及其开发流程做了详细的论述，研究了需要采集的航行数据的种类和特点，设计了合理的任务和处理流程。在主控盒的设计方面，运用了当前比较流行的ARM（Ad

4、vancedRISCMachines）技术，结合功能强大的uClinux操作系统实现了需求的功能。其中对ARM技术做了比较详细的论述，对S3C44B0X的外围接口电路、uClinux在S3C44B0X上的移植以及uClinux下的存储技术设备MTD（MemoryTechnologyDevice）驱动作了研究。在雷达图象采集盒的设计方面，根据雷达图象数据量大、点频高但采集频率低的特点，提出了用FPGA作为采集控制，用ARM做后期处理的方案。其中对雷达图象采集的难点做了详细的分析，对AD转换输出的时钟与ARM总线频率之间如何同步的问

5、题做了深入的研究，并提出了用两个异步先进先出队列FIFO（FirstInputFirstOutput）实现的方法。在完成方案设计的基础上给出了每个模块的具体实现并进行了相应的测试，以验证设计是否合理。测试结果表明，系统的功能达到了设计的要求。本文的意义在于，不仅成功的实现了一个全新架构的、性能优越的VDR系统，而且在系统的设计与开发中所采用的一些设计技术和方法具有很强的通用性，稍加改动就可以应用到其它领域。关键词：船载航行数据记录仪、以太网、ARM、片上系统、uClinux、uC/OSIIIII上海交通大学工程硕士研究生学位论文

6、AbstractVoyageDataRecorder(VDR)isoneimportantdevicewhichisusedtorecordvariousparametersduringtheshipnavigation.Thesedataareveryimportantsupporttoanalyzemarinedisasterreason.CurrentVDRdeviceadoptsbuilt-inindustrialcontrolPCBboardandvariousboardcards.Ithashighintegrati

7、onlevel.Butitsflexibilityislowandnoteasytoupgrade.Mostimportant,itisnoteasyforlaterstagerepairandmaintenance.Basedonthissituation,thisarticlehascomeupwithoneVDRsystembasedonEthernetinfrastructure.Packageimagecard,soundcard,dataacquisitioncard,storageunitandmaincontro

8、lunitintomodulesbasedEthernetnetworkinterface.Itrealizesinformationacquisition,transmissionandstoragevianetwork.Eachmodulehashighle