概要设计说明书

1、海浪监测设备概要说明书 合同名称： 合同编号： 编号： 版本： 海浪监测设备概要设计说明书 开发单位名称： 哈尔滨程天科技发展有限公司经办人签名： 年 月 日负责人签名： 年 月 日 28文件历史记录 日期名称版本状态签名备注：状态表示为：1.新建 2.完成未审 3.完成已审 4.完成归档 文件修改记录 编号版本描述（包括：日期，变更的图、表、段落号，标题或简单描述）修改类型A，M，D123456备注：修改类型表示为：A - 增加 M - 修改 D - 删除 目录1.引言41.1.编写目的41.2.背景41.3.名词解释41.4.参考资料42.任务概述52.1.目标52.2.开发与运行环境52

2、.2.1.开发环境的配置52.2.2.运行环境的配置52.2.3.测试环境的配置62.3.需求概述62.3.1.总体需求分析62.3.2.功能需求分析62.3.3.维护需求分析63.总体设计73.1.系统架构73.1.1.数据接入方式73.1.2.软件结构83.1.3.功能架构83.1.4系统处理流程104.接口设计104.1.外部接口104.2.内部接口115.雷达信号转接器设计115.1.系统概述115.2.组成结构115.3.处理流程115.4.模块设计125.4.1.数据采集模块125.4.2.数据发送模块135.4.3.系统状态模块135.4.4.日志管理模块135.4.5.配置管理

3、模块145.4.6.UI模块146.信息处理器设计146.1.组成结构146.2.处理流程156.3.模块设计166.3.1.数据接收模块166.3.2.数据计算模块176.3.3.状态控制模块176.3.4.日志管理模块176.3.5.配置管理模块186.3.6.文件管理模块186.3.7.数据存储模块186.3.8.UI模块197.产品UI设计197.1.雷达信号转接器UI197.1.1.UI简述197.1.2.初始化界面197.1.3.主界面197.2.信息处理器UI208.文件格式说明218.1.海浪文件数据格式说明218.1.1.文件名称218.1.2.文件格式218.1.3.文件各

4、字段说明218.2.雷达原始文件格式说明238.2.1.文件名称238.2.2.文件格式238.2.3.文件各字段说明248.3.日志文件格式说明278.3.1.文件名称278.3.2.文件格式278.3.3.文件各字段说明271. 引言1.1. 编写目的此概要设计说明书是为了说明海浪监测系统的体系架构，其中包括系统的模块划分、处理流程、接口设计，为系统的详细设计人员进行详细设计时提供参考文档，同时也可以作为实施后期的维护人员使用。预期读者：软件开发人员、测试人员。1.2. 背景 海浪监测设备监测系统主要用于对舰船附近海域海浪监测。通过对舰船行驶时附近海域海浪的实测有效波高、波峰风向、波峰周期

5、等信息处理，给舰船航行提供参考依据。1.3. 名词解释术语、缩略语解 释雷达信号转接器负责接受雷达信息并将雷达图像和系统状态传递给信息处理器的模块信息处理器负责接收和处理雷达信号转接器、气象设备、导航设备发来数据的模块，同时将雷达图像和系统状态转发给外部设备气象设备本系统中气象设备主要为：风速、风向仪导航设备本系统中导航设备主要包括：罗经，GPS，测深仪，计程仪Hs有效波高Tp波峰周期p波峰峰向RPI旋转脉冲间隔PRI脉冲重复间隔PRF脉冲重复频率VA船速VF迹向VB位置V航向1.4. 参考资料资料名称资料来源需求分析说明书WAVEX4.0 TECHNICAL HANDBOOKFCFR-USB

6、9825说明书2. 任务概述2.1. 目标为实现完成海浪监测设备软件开发，本文档需要对软件完成模块划分，同时确定模块的功能，明确模块之间的调用关系，确定模块之间的接口和模块之间的信息传递。2.2. 开发与运行环境2.2.1. 开发环境的配置类别标准配置最低配置计算机硬件CPU主频：2G 硬盘：512GB内存容量：3GBCPU主频：1G 硬盘：1GB内存容量：1GB软件Windows XP系统 VC6.0软件开发环境网络通信UDP、FTP其它串口 2.2.2. 运行环境的配置类别标准配置最低配置计算机硬件CPU主频：2.7G 硬盘：1T内存容量：4GB软件Windows XP系统 VC6.0软件

7、网络通信UDP、FTP其它串口 2.2.3. 测试环境的配置类别标准配置最低配置计算机硬件软件网络通信其它 2.3. 需求概述2.3.1. 总体需求分析海浪监测设备实现实时从雷达、相关气象设备与导航设备上获得各种信号和数据，通过处理形成雷达图像文件和相关海浪参数信息并实时显示给用户，处理结果还能够通过网络输出至其他外部设备。具有雷达原始图像信息和海浪实测数据记录功能，能够将所需要记录的雷达原始图像序列数据和连续海浪实测数据以文件方式存储在本地硬盘上。同时设备能够通过历史数据曲线直观回放相关数据的历史记录，方便用户回查。为方便在摇晃的船舶上查看，设备的所有界面配色鲜明、字体清晰；为方便用户使用，

8、通过配置项尽量减少用户操作，设备修改配置信息只能通过配置文件进行修改。2.3.2. 功能需求分析详见海浪监测设备需求分析说明书2.3.3. 维护需求分析. 程序编写规范详见代码编写规范说明书. 程序运行日志功能程序运行日志记录设备运行状态，方便设备发生故障时，维护人员通过日志分析系统出现故障原因。3. 总体设计3.1. 系统架构由于涉及若干硬件，画图说明系统包括硬件层、中间层和软件层，如图3.1所示。图3.1如上图所示海浪监测设备分为硬件层、中间层、软件层。硬件层主要涉及采集数据的若干硬件（雷达，采集卡，计程仪，气象仪，罗经等）。中间层是软件层和硬件层的桥梁，主要负

9、责配置相应的硬件参数，为软件层读取硬件数据的通道，中间层系统由雷达信息采集卡、设备串口、网口等硬件接口和相应的软件API、相关接口协议组成，系统调用相关API读取硬件中的数据。软件层是海浪监测设备的主要功能层，负责处理和显示海浪的实测有效波高、波峰峰向、波峰周期等信息。3.1.1. 数据接入方式数据接入方式分为直接接入雷达四路信号和串口接入。直接接收四路信号将雷达模拟量信号，处理成数字化雷达图像原始文件；通过串口连接气象设备和导航设备获得气象、导航信息。3.1.2. 软件结构为了能清晰了解软件层的划分图3.1.2给出软件层组成。图3.1.2软件层分为雷达信号转接器和信息处理器两部分。雷达信号转

10、接器负责接收雷达信息并将雷达图像和设备状态传递给信息处理器的模块。信息处理器负责接收和处理雷达信号转接器、气象设备、导航设备发来数据的模块，同时将计算结果、海浪数据、设备状态通过网络网路转发给外部设备。信息处理器通过udp协议向雷达信号转接器发控制命令3.1.3. 功能架构按照海浪监测设备的功能，对硬件、软件进行解剖，详细描述功能列表结构，构成。如图3.1.3：图3.1.3如上图所示海浪监测设备接收雷达四路信号，雷达信号转接器由配置管理、数据采集、数据发送、日志管理、系统状态、系统界面6个模块组成。雷达信号转接器将雷达传来的的四路信号经采集卡形成原始雷达图像。信息处理器由配置管理、数据接收、数

11、据计算、文件管理、数据管理、日志管理、状态管理、系统界面、数据存储九部分组成。其中数据接收模块负责接收雷达信号处理器发来的雷达原始图形和气象设备、导航设备传来的数据。经过信息处理器处理后的结果，可以通过网络路将解算结果文件、系统状态、雷达数据输出到外部设备同时通过控制命令将信息处理器状态和雷达控制命令发送给雷达信号转接器。FTP服务器是架设在信息处理器上，可以用windows xp系统本身自带的ftp功能架设，也可以通过第三方工具架设。FTP服务器负责接收雷达信号处理器发来的文件。3.1.4系统处理流程为了清晰了解系统的工作流程 ，图3.1.4给出系统处理流程： 图3.1.4如上图所示，海浪监

12、测设备利用雷达输出信号，经过雷达信号转接器形成数字化雷达图像文件并与设备状态一起传送到信息处理器，同时信息处理器还接收气象设备、导航设备传来的数据，利用特定的算法对数据进行处理，并将数据处理结果显示在海浪监测设备上，方便用户查看。处理结果还能够通过网络输出至其他外部设备。4. 接口设计4.1. 外部接口雷达数据采集过程采用专用数据采集卡与雷达设备相连，设备调用采集卡提供的API接口对雷达数据进行采集。通过串口方式连接。风速风向仪可输出风向、风速信息；罗经可输出航向信息；GPS可输出经度、纬度、对地速度、航迹向、时间信息；测深仪可输出水深信息；计程仪可输出航速信息。设备可以向指定IP地址定时发送

13、海浪数据、雷达原始图像文件及设备工作状态。其中海浪计算数据、雷达原始文件以ftp形式发送，设备工作状态以udp方式发送。详细接口见海浪监测设备详细设计说明书4.2. 内部接口设备内部的雷达信号转接器与信息处理器之间采用两种数据接口协议传输数据。其中雷达原始图像文件的传输采用ftp方式，设备工作状态、控制命令采用udp方式传输。详细接口见海浪监测设备详细设计说明书5. 雷达信号转接器设计5.1. 系统概述雷达信号转接器由数据采集模块、数据发送模块、系统状态模块、日志管理模块、配置管理模块、UI模块组成。主要负责将雷达四路信号通过采集卡转换为雷达数据文件，使用ftp、udp协议的方式将雷达数据文件

14、和系统状态传送给信息处理器。同时还接收信息处理器发来的控制命令。5.2. 组成结构雷达信号转接器的组成结构如图5.2所示：图5.25.3. 处理流程雷达信号转接器接收雷达发来的信号同时和信息处理器进行数据交互处理流程如图5.3所示：图5.3如上图所示，雷达信号转接器接收雷达四路信号，经采集模块形成雷达原始图像文件，数据采集模块、数据发送模块、系统界面模块、系统状态模块都依赖日志管模块和配置模块。数据发送，模块负责将雷达图像文件和系统工作状态发给信息处理器。信息处理器也可以通过控制信号控制雷达的工作状态。5.4. 模块设计5.4.1. 数据采集模块(1) 模块介绍本模块负责采集、解析雷达发来的四

15、路信号。将模拟信号转化为数字信号并将采集来的数据存成文件。（2）功能设计1）创建线程在本模块中，程序将创建一个线程，并以此线程来作为驱动，循环读取数据以及驱动读取数据后的一系列处理，直到完成一次数据采集工作。2）采集数据在线程执行函数中，将不断的采集雷达的四路信号。3)生成雷达原始图像在线程执行函数中，在采集过程中按照指定格式(详见第9章)生成雷达原始图像文件。5.4.2. 数据发送模块(1) 模块介绍本模块负责将雷达原始图像和系统状态发送到信息处理器。（2）功能设计1）网络连接初始化建立ftp、udp连接2）上传雷达数据文件将文件通过ftp协议上传到信息处理器。3）发送系统状态从系统状态日志

16、中读取状态信息，通过udp协议发送系统状态给信息处理器。注：5s中发送一次系统状态。5.4.3. 系统状态模块 （1） 模块介绍本模块负责记录管理系统状态，其中包括，雷达信号转接器状态，信息处理状态，雷达工作状态。（2） 功能设计1） 读取系统状态从系统的状态日志中读取系统状态分别显示在UI界面上同时将系统状态经数据发送模块转发到信息处理器上。2） 保存系统状态将雷达状态，雷达信号转接器状态以及信息处理器状态存入系统状态日志中。3)接收控制命令4）雷达工作状态判别5.4.4. 日志管理模块（1）模块介绍负责管理程序运行中产生日志。其中日志包括系统状态日志、警示日志、错误日志、程序运行日志。（2

17、）功能设计1）读日志当界面模块需要显示相应的日志信息时，调用读日志功能；向信息处理器发送系统状态时，读取系统状态日志。2）写日志当程序需要保存相应的日志信息时，调用写日志功能。5.4.5. 配置管理模块（1）模块介绍在雷达信号转接器和信息处理器启动时，设备自动调用参数配置接口完成海浪监测设备的初始化工作。（2）功能设计1）读取参数从配置文件中读取参数（线数、点数、采集时间、ip、端口号）。2）写入参数向配置文件中写入参数值（复选按钮的状态）。3） 配置雷达扫描区域配置雷达扫描范围。4） 配置工程参数配置调用计算模块过程中某些计算步骤所需的工程参数。5） 配置路径配置原始雷达图像文件、谱文件和流

18、向流速文件的存放路径。6） 配置历史文件容量配置存放历史文件的文件夹容量，若超过容量则按日期删除原始图像文件。5.4.6. UI模块详见7.16. 信息处理器设计6.1. 组成结构信息处理器的组成结构如图6.1所示：图6.16.2. 处理流程信息处理器接收导航设备和气象设备发来的数据同时挂载ftp服务器，将处理结果通过网络发送到外部设备，并且将系统状态通过udp协议发送到雷达信号转接器上。处理流程如图6.2。图6.2信息处理器接收气象数据、导航数据、雷达图像文件、系统工作状态经过相应模块处理将产生的海浪数据显示在系统界面上。数据采集模块、数据计算模块、文件管理模块、状态控制模块、数据管理模块、

19、系统界面模块都依赖日志管理模块和配置管理模块。数据存储模块负责保存处理过程中需要保存的数据，方便日后回查和维护。状态控制通过发送控制信号来控制雷达工作状态。6.3. 模块设计6.3.1. 数据接收模块（1）模块介绍负责接收气象设备、导航设备发来数据同时接收雷达信号转接器发来雷达原始图像文件和系统状态。（3） 功能设计1） 初始化串口设置串口号，波特率、校验位等。2） 创建线程创建两个线程用来接收气象设备和导航设备发来的数据。3） 接收气象设备数据在线程中完成气象数据接收。4） 解析气象设备数据在线程中完成气象数据的解析工作。5） 接收导航设备数据在线程中完成导航数据的接收。6） 解析导航设备数

20、据在线程中完成导航数据的解析工作。7） 接收系统状态数据通过udp协议接收雷达信号转接器发来的系统状态数据。8） 接收雷达原始图像数据过ftp接收雷达信号转接器发来的雷达原始图像文件。6.3.2. 数据计算模块（1）模块介绍 通过调用MATLAB计算模块，计算获得海浪数据。（2）功能设计 1）读取工程参数 读取计算过程中某些计算步骤所需的工程参数。 2）海浪信息单次解算 通过特定算法解算雷达图像信息和气象、导航信息，得到本船周围的海浪信息数据，其中包括：有效波高、波峰周期、波峰风向、海表流速、海表流向及海浪一维频率谱、海浪二维频率方向谱文件数据。3）海浪信息二次平均解算 单次解算出来的海浪参数

21、信息是一个瞬时值，在显示时需要和当前时刻之前20分钟内的海浪参数信息进行平均，这样才能更好的反映近一段时间内的海浪情况。6.3.3. 状态控制模块（1）模块介绍 负责向用户提供系统相关工作的控制功能。（2）功能设计 1）雷达启动向雷达信号转接器发送雷达启动信号。 2）雷达停止 向雷达信号转接器发送雷达停止信号。6.3.4. 日志管理模块详见.5. 配置管理模块详见.6. 文件管理模块（1）模块介绍负责管理雷达原始图像文件、海浪信息单次解算文件、二次平均海浪数据文件、气象和导航信息文件、海浪信息谱文件。（2）功能设计1）雷达原始图像文件管理将雷达原始图像文件放到指

22、定位置，系统应定时对雷达原始图像文件进行删除。 2）海浪信息单次解算文件管理 每次产生的解算结果数据作为文件中的一条记录写入文件。每个文件保存一个月的结算结果信息数据，每月1日00:00:00开始对上个月的相关文件进行打包和整理工作。 3）二次平均海浪数据文件管理 界面中显示的海浪参数信息不是单次解算结果数据，每次的解算结果数据都需要与此时刻前20分钟内的海浪参数信息进行平均后进行显示。为了方便用户查询检索相关数据，设备需要保存20分钟平均海浪参数信息数据。 4）气象和导航信息文件管理 每次获得的气象、导航信息作为文件中的一行数据以追加方式增加新记录，写入指定同一文件。不提供历史数据查询功能。

23、5）海浪信息谱文件管理 一维频率谱和二维频率方向谱存储在同一文件中同时以追加方式增加新记录，谱文件不提供历史数据查询功能。谱文件每个月打包成一个文件。6.3.7. 数据存储模块（1）模块介绍 负责存储解算数据、导航数据、谱文件、日志文件。（2）功能设计1）雷达原始图像文件存储 将雷达原始图像文件按照8.2方式存储。2）海浪信息单次解算文件存储 将海浪信息单次解算文件按照8.1方式存储。3）二次平均海浪数据文件存储 将二次平均海浪数据文件存储到指定位置。4）气象导航信息文件存储 将气象导航信息每次向文件中追加一行的方式存储到指定位置。5）海浪信息谱文件存储 将海浪信息谱文件按照9.1方式存储到指

24、定位置。6.3.8. UI模块详见7.2 7. 产品UI设计7.1. 雷达信号转接器UI7.1.1. UI简述雷达信号转接器UI模块实现用户可见性需求，包括图像显示、状态显示、警示信息显示。主要实现的UI界面设计为3个，分别是初始化界面、主界面、日志信息显示界面。7.1.2. 初始化界面雷达信号转接器初始化各项参数。程序启动时的第一界面，显示程序图标、程序名称、程序版本、开发公司等固定信息及正在初始化的项目信息。7.1.3. 主界面主界面是程序的主要界面，大部分功能都在此界面完成。如雷达原始图像显示、系统状态显示、雷达信息显示、通讯状态显示、雷达状态、采集卡状态。如图7.1.3所示：图7.1.

25、3如上图所示，主界面包括雷达信息显示、雷达状态显示、雷达图像显示、系统状态显示、通讯状态显示、采集卡状态显示、警示信息显示、版本说明以及相应的日志显示。界面中显示雷达图像上传时间和上传进度。雷达信息显示：显示船艏周期、触发频率、方位个数、视频最大值、视频最小值、总线数。雷达状态显示：雷达工作状态（停止/发射）、脉冲状态（长脉冲/短脉冲）。系统状态显示：信息处理器状态（无信息、解算、等待、休眠）、雷达信号转接器状态（无信息、休眠、采集、传输、等待）。通讯状态显示：通讯状态显示中红色球代表异常或者告警，蓝色球代表相应的通讯状态正常。采集卡状态显示:采集状态（停止/工作）、溢出状态（溢出/未溢出）。

26、警示信息显示：FTP传输失败、未收到允许传输报文、无视频信号、无船艏信号、无方位信号、无触发信号、船艏信号异常、触发信号异常。版本说明显示：记录版本号和开发公司。相应日志显示：程序流程日志、系统状态日志、错误日志。雷达图像显示：通过采集来的数据，绘制雷达图像。7.1.4. 日志信息显示界面日志信息显示界面负责显示不同类型的日志显示。如图7.1.4：图7.1.4如图所示，在日志显示框中可以勾选需要选择的日志信息，同时在区间选择框中可以根据选择不同的时间段数据日志信息。7.2. 信息处理器UI7.2.1. UI简述信息处理器UI模块满足用户的可视化需求，包括海浪数据显示、频谱图显示、导航信息显示、

27、系统状态显示、雷达图像显示，等等。主要实现的UI设计界面分4个，包括初始化界面、主界面、日志信息显示界面、历史曲线显示界面。7.2.2. 初始化界面信息处理器的初始化界面初始化各个参数，程序启动时的第一界面，显示程序图标、程序名称、程序版本、开发公司等固定信息及正在初始化的项目信息。7.2.3. 主界面主界面是程序的主要显示界面，负责显示海浪数据、频谱图显示、导航信息显示、系统状态显示、雷达图像显示、日志信息显示功能。示意图7.2.3：图7.2.3如上图所示主界面主要显示数据实测时间、有效波高、波峰周期、波峰峰向、频率方向谱、一维频谱、雷达图像、系统状态、平均风信息、海表面流、导航信息、相应的

28、日志信息、雷达控制、历史曲线显示。海浪数据显示：海浪数据显示包括有效波高、波峰周期、波峰峰向。系统状态显示：雷达状态（可用/不可用）、雷达信号转接器（无信息、休眠、采集、传输、等待）、信息处理器（无信息、解算、等待、休眠）。平均风信息显示：真风速、真风向。海表面流：流速、流向。雷达图像显示：显示雷达极影像，支持雷达极影像图按指定模式（灰度图、单一色、渐变色）进行显示，和显示区域的放大和缩小功能。导航信息显示：显示经度、纬度、航向、航速、横摇、纵摇、东速北速、地速、海深。谱文件显示：显示一维频谱和二维频率方向谱。雷达控制：控制雷达的启动/停止。7.2.4. 日志信息显示界面同7.1.4。7.2.

29、5. 历史曲线显示界面系统针对海浪参数中的有效波高、波峰周期、波峰峰向、海表流速、海表流向和综合数据进行统计，默认显示的统计时间粒度为天，用户可以手动调整统计时间粒度大小。同时系统依据统计值的大小自动调整系统纵轴的刻度以满足清晰可变的显示需要。界面如图7.2.5所示：图7.2.5如上图所示，历史曲线显示支持显示时间粒度切换，和指定时间段显示，用户可以根据自己的需求进行有效波高、波峰周期、波峰峰向的历史信息回放。8. 文件格式说明8.1. 海浪文件数据格式说明8.1.1. 文件名称ZZQS10Info.dat。8.1.2. 文件格式序号字段名称字段长度1文件类型标识4字节2海浪参数解算结果28字

30、节3一维频谱变长4频率方向谱变长8.1.3. 文件各字段说明（1）文件类型标识该字段用于标识文件类型，占用4个字节，依次为0x11、0x33、0x77、0xFF。（2）海浪参数解算结果该字段用于给出信息处理单元解算出的海浪参数，各数据项按Big-endian（先高后低）的字节顺序存放，存储格式如下： 序号数据内容字节数数据定义最低位权值1有效标识2b0：0有效波高有效，1无效b1：0波峰峰向有效，1无效b 2：0波峰周期有效，1无效b 3：0海表面流速有效，1无效b 4：0海表面流向有效，1无效b 5：0解算时间有效，1无效b 6：0解算点经度有效，1无效b 7：0解算点纬度有效，1无效b 9

31、：0显示有效，1显示无效其它位无定义。2有效波高2无符号数0.1米3波峰峰向2无符号数180度×2-144波峰周期2无符号数0.1秒5海表面流速2无符号数0.1米/秒6海表面流向2无符号数180度×2-147解算时间年（高两位）1无符号数1年（低两位）1无符号数1月1无符号数1日1无符号数1备用1无符号数1时1无符号数1分1无符号数1秒1无符号数18解算点经度4有符号数90度×2-309解算点纬度4有符号数90度×2-30（3）一维频谱该字段中各数据项按Little-endian（先低后高）的字节顺序存放。序号数据内容字节数数据定义最低位权值1谱的个数n(0<n<600)2无符号数12第1个频率的值2有符号数0.0013第1个谱强度值2有符号数14第2个频率的值2有符号数0.0015第2个谱强度值2有符号数1有符号数2*n第n个频率的值2有符号数0.0012*n+1第n个谱强度值2有符号数1（4）频率方向谱该字段中各数据项按Little-endian（先低后高）的字节顺序存放。序号数据内容字节数数据定义最低位权值1频率个数n(0<n<600)2无符号数12第1个fx的值2有符号数0.0013第1个fy的值2有符号数0.0014第1个谱强度值2有符号数15第2个fx的值2有符号数0.0016第2个fy的值