随机波浪数据采集与处理技术的研究

1、 天 津 理工 大学 研 究 生 学 位论 文随 机波 浪 数 据 采集 与 处 理技术 的 研 究学 科 专 业： 控 制理论 与 控 制工 程研 究 方向 ： 计算 机控 制与 管理作 者 姓名 ： 孙颖 甅 疭 独 创性 声 明人已 经发表或 撰 写 过 的 研 究 成果，也 不包含为获得学 位论 文版权使用授权书可 以 将学 位论 文的 全 部 或 部 分 内容 编入 艿 难 宦 畚脑诮 饷 芎 笫视帽 臼谌得 签 字日 期： 汐 赌辍 菰 日 本 文主 要 的 是把用于 大型 的 海 洋沿 岸 的 建 设 ，缩 成对应的 比 例用于 实 验 。 根 据 海 洋 软 件设 计 的 内部

2、 逻 辑 程序 。 计算 机 借 助 饫 词迪 侄 圆 贓 的 寄存 器 的 访 问 ，并结 合 的 逻辑 程序 ，控 制其 他 芯片 的 通 信 ，从 而 完成数 据 采集 过 程。数 据 处 理部 分 是对采集 到 的 波 浪 数 据 进行 时域 和 频域 分 析 ，时域 分 析 主 要 是统 计波浪 高度 。 频域 分 析就采用谱 估 计进行 能 量 计算 ，用 语 言 完成数 据 处 理算 法，最后 用 软 件验 证 谱 估 计的 正 确 性 。关 键词： 波 浪 数 据 采集 硬件设 计处 理数 据 方法 瑆 甌 瓵 琣 ， 篢 目 势坠 兰 品 掷唷 淦坠 兰 品 椒 砺邸 本 章

3、小 结 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现 电源 模块 电压 电压 即 使用 刂撇 贓 引 脚 为了 充分 利用河 口海 岸 资 源 ，需要 对河 口海 岸 动 力因素 进行 深入 的 研 究 ，充分 掌 握其 运 动 规律 方能 更好的 对其 加 以 利用。 浅海 动 力因素 最为活 跃也 是最为复 杂 的便是海浪 ，是它 促 成海 底 的 演变 并且会 影响 到 海 洋工 程的稳 定 性 。 海 浪 的 产 生 基 于 以 下两 方面原因，一 方面是风 ，风 的 运 动 速度 和 方向 具有多 变 性 ，这就使得 海 面附 近 的 风 场 结 构 较为复 杂 ，海 风 的 作 用使

4、得 海 水 偏离 平 静的 水 面开 始做 无定 向 的 运 动 。 另一方面是内部 涡流 变 动 ，因为海 水 的 深度 不同 ，海 水 的 上下层 受 到 的 阻 力不同 【 。 海 水 受 到 的 阻 力与 海水 的 深度 是成正 比 的 ，即 随 着 海 水 深度 的 增 加 ，海 水 收 到 的 阻 力就越人，再 加 之惯性 的的 这些 能 量 会 作 用于 海 岸 的 建 筑 物上 ，长此 以 往 海 岸 上的 建 筑 就会 存 在着 很 大的 安 全 隐的 航道 加 大加 深。 致 使航道 里 面和 外 面的 水 的 深度 差 距变 得 越来 越大，进而 改变 其 附 近水 域

5、的 波 浪 场 。 因此 ，在海 洋监 测的 所 有要 素 中 ，波 浪 是非 常 复 杂 的 ，是一 种高 度 无任何 规则 ，同 时也 是不可 重 复 的 ，它 的 表现 与 形成是一 种随 机地波 浪 。在设 计建 造 一 些 海 洋设 施 之前如港 口、 防 潮 堤 、 海 上 平 台 等 ，需要 将海 洋设 施 以 一定 比 例缩 小 ，在实 验 室 进行 海 浪 冲 击 实 验 为相 关 设 计方案 提 供理论 依 据 与 实 验 数 据 。 因此 ，必 须 对波 浪 问 题 进行 全 面、 详 细 地研 究 ，及时获得 精确 的 第 一 手资 料 ，而 随 机波 浪的 采集 与

6、处 理技术 的 研 究 ，不仅 可 以 随 时观 察波 浪 的 变 化，才能 正 确 地描 述波 浪 ，而 且还 能 计算 波 浪 蕴 含的 能 量 ，使我 们 能 更 好的 防 范或 是利用这种能 量 ，把海 岸 工 程、 海 洋工 程等 技术 得 更 加 安 全 、 经济 、 合 理，对国家 和 人民来 说意义 重 大。 所 以 它 具有很 高 的研 究 价值 。 第 一 章绪 论 数 据 采集 及处 理的 国内外 研 究 综 述 谕 梦 氖 莶杉 低 场 】机的软 硬件资 源 来 支持 。 随 着 微机 以 及微电子技术 的 广 泛 应用，为数 据 的 采集 的 研 究 领 域 拓展并且

7、宽 阔 了 思路 与视野 ，同 时还 深刻 的影响 着 它 的发展方向 ，其 系 统的发展趋势女 下所 述：基 于 以 上综 述相 关 内容 ，本 文将基 于 的逻辑 处 理功 能 设 计一 套 硬件系 统米完 ，一实 验 过 程： 第 四章采用第 三章中 介 绍的 硬件电路 来 采集 数 据 ，得 到 的 相 关 数 据 经过 实 序 列 快 速 第 五章介 绍波 浪 数 据 采集 及处 理界面的 实 验 过 程，及实 验 数 据 ，便于 相 关 人员操作 ，读 取数 据 。 第 二章数 据 采集 及处 理方案 数 据 波 浪 采集 方案数 据 采集 系 统 各 模块 的 功 能 ： 第 二

8、章数 据 采集 及处 理方案可 编程逻辑 器 件的 优点如下： 逻辑 和 存 储 器 资 源 丰 富； 銮 啃 筒 可 直接与 机相 连 ，不需要 其 他 的 卡 。 无限 制的 连 接的 数 目，只 要 机上有足够多 的 端 口。 设 备 的 安 装 与 使用容 易。 谱可 以 表现 为同 一 低 频率 的 波 动 。 粑 狽 圆 频率 或 折 叠 圆 频率 ，而 第 二章数 据 采集 及处 理方案一 是相 关 函 数 法，二是周 期图法。尺 而 砉 随机函 数 的双 侧谱 为：率 对应的 谱 值 。 令 f德蔤 对应的 谱 值 ，则数 值 积分 中 使用梯形公式，则 谱 值 得 ： 第 二

9、章数 据 采集 及处 理方案 门矽，” 鱢 将上式带入 得 ：厶一 駻 尺一， 褪 絩 第 二章数 据 采集 及处 理方案 等 赤 等 。 ， 丌 的 谱 值 ，另一侧 可 由对称性 得 到 。 狿 中 是有效。 它 们 分 别 转 换 为正 负 电压 。 它 们 的 共 同 特 征 ： 是叁 端 固 定 妊 蛊鳌涑 龅牡 缌 鞫 际 莑 饕 w 饔 镁 褪 前 电压 转 ； 。广： 一 ： 沁 酒 ，的 一 个 信 号输 出 。 酒 ， 玌 灿 个 输 出 信 号，该 输 出 信 号与 一座 蕊图 模拟 通 道 选择 模块 框 图 信 号被选中 ，选中 的 信 号与 编号为 酒 牡 位被选中

10、 ，即编号 被选中 输 出 。 通 过 这个 功 能 ，我 们 可 以 看 出 ，于 我 们 编程时，可 以 随 意观 察某 一 个 编号通 道 。 而 的 高 低 电平 的 控 鲁 所以 镃 蒮 ，得 旧 杓浦 校 琑 ， 模数 转 换 器 分 辨率 ： 位； 转 换 速率 ： ； 功 耗 低 ，精度 高； 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现一狲一舵一躲一艇一雕一驯一硪一，一舻一一一雕一般一雕旺叮叮 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现 判 藕 庞 肫渌 酒 尤缤 所 示 。 为转 换 状 态 信 号连 接 的 输 入 端 ； 燃 孓 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现

11、 数 据 完成转 换 ，立 马 进入 数 据 的 读 取 状 态 。 这时 的 状 态 信 号为低 ： 把 信 号为低 ， 信 号为高 。 开 始读 数 据 ，大约 碆 点前为高 阻 态 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现星奄萤置霎 函 数 编写 关 于 并口的 应用程序 ，实 现 对 机并行 端 口的 操作 ，继 而 达到 与外 部 设 备 进 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现 欢 憾 籮 海 篈 在 抖 软 件中 ，先建 立 一个 消 息函 数 ，写 地址 函 数 ； 函 数 ： 菏 侵 付 桓 龆 丝 诘 刂分 担 碋 寄 存 器 的 地址 ： 憾 寥 纸 谑 悼 梢

12、晕 ， 。 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现表 海 篋 ， ， ； 海 篋 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现 定 义 一 个 双 子节 消 息函 数 ，数 据 读 取 作 用。 ， ， ： 表示 銭 控 制寄 存 器 的地址 中 存 入数 值 ，即是引 脚 信 号均 为低 。 函 数 ： 菏 侵 付 桓 龆 丝 诘 刂分 担 碋 寄 存 器 的 地址 ； 憾 寥 纸 谑 悼 梢 晕猯 ， 。作 用： 向 指定 的地址 端 口中 读 取一个 数 值 ，它 的类型 为 引 脚 。 见上 面的 珽 与 的 连 接框 图。 这样 使 是 公司 的 系 列 。 它 的 特 点：脚 为

13、输 入 输 出 管脚 ，每 一 个 输 入 输 出 管脚 通 过 编程可 以 作 为输 入 、 输 出 或 者 双 向 管脚 章； 名 ，它 的 输 入 方式有 布 枋 鲇镅 设 计输 入 方 。 根 据 实 现 的 篙 与 其 他 芯片 的 连 接框 图 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现 瑆 为低 电平； 琖 为低 电平 ； 一 一选中 嫫 腉 脚过 程如下： 写 地址 ，编程为： 进行 写 操作 时，引 脚 琖 为低 电平 。 输 入 地址 数 值 为 锁存 器 的 一 为 。 经过 非 门为 译 码器 的 脚 为高 电平 。 计算 机 通 过 并口 囊 臤 写 数 据 ，编程为

14、：输 入 端 砸 肼 肫魇 涑 龆 薡 被选中 为低 电平 。 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现真 结 果与 设 计的 逻辑 思 路 相 同 。二二 煅 锳 的 信 号状 态计算 机通 过 萇 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现 进行 写 操作 时，引 脚 琖 为低 电平 。 玂 ； 刂艫 的 转 换 和 读 取 功 能 一选中 嫫 腉引 脚据 写 入 的 数 据 ，变 为高 低 平 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现 进行 写 操作 时，引 脚 琖 为低 电平 。思 路 相 同 。 ； ； ； 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现 ； ； ； ； 采集 数 据

15、 有关 参 数 的 设 计的连 续信 号进行 采集 ，采集 时间 称为采样 间 隔。 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现选择 低 位信 号进入 通 道选择 高 位信 号进入 通 道 第 三章数 据 采集 卡 设 计与 实 现为 琕 喑 讨 猩 柚玫 牟裳 蔽始涓 舴 直鹗 。 采样 的 图形如图 本 章介 绍了 数 据 采集 模块 的 硬件设 计，首 先介 绍了 搭 建 硬件设 计的 结 构 和 原理。 其次 分 别 详 细 地介 绍了 模拟 量 输 入 通 道 选择 模块 ，模拟 信 号滤 波 与 驱动 ， 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 波 浪 数 据 时域

16、分 析第 三章我 们 采集 的一组数 据 如图 所示。相 交，把这段数 据 分 为一 个 完整 的 波 。 把这些 个 完整 波 ，把每 个 完整 波 的 最大波 高 计算 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 扑悴 遻 计算 波 浪 数 据 频域 分 析卜周 期图公式 谱 的光 滑 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现中 的数 据 平 均分 给 縖 恐 小 鞒 掏 既 缤 所示。开 始 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 ， ； ；以 一卜程序 是将保存 的数 据 放 入数 组 緍】中 ； 篛 ： 琺以 上程序 计算 担 衙慷问 捣 旁 趚

17、】数 组中 。 的实 部 为偶 ，虚 部 为奇 ，即 尼 一川 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 互 尼 粢 黄 一吾 一 一七 再 将 的 实 部 与 虚 部 分 开 ， 的实 部 与虚 部 分 ：图 实 序 列 程序 流 程图 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 ； 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 ； 宰 ； 州 墨 酰琽 七 ， 躥 叫 ，蹦 争 务 所以 ； 】木 】；把计算 出 的值 放 入数 字 縖 恐 斜 妗 段数 据 均计算 。 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 籯 ； 粗值 的算 术 平 均值 来

18、 得 到 的，即取 飞 七 历 騍 。 编程实 现 ： 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 程序 实 现 结 果按上 述方法计算 功 率 谱 能 量 后 ，将各 个 频率 的 功 率 谱 能 量 显 示在屏幕 上。 横 坐 标 表线 为谱 估 计后 平 滑 曲 线 图。的 频率 。 在工 程中 研 究 波 浪 的 特 征 时，需要 用到 普的 各 阶 矩：谱 的总 能 量 值 变 化彳 螅 曰 智 湮 猍 印， 。 谱 的各 阶 矩为： 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 。 误 差为： 第 四章波 浪 数 据 分 析 与 处 理编程实 现 第 五章波 浪 数 据 实 验 及处 理结 果图 波 浪 数 据 采集