基于数字化校园的大型仪器采集及共享终端的设计和实现

摘要

目前，我国高校大型仪器数字化监管手段不足，身份验证困难，时间记录不准确，无法获取真实可信的仪器运行数据。本课题结合东南大学的实际需求，基于数字化校园平台，以新唐的NUC951为核心处理器，嵌入式Linux为操作系统，设计开发一套大型仪器共享管理平台信息采集及共享终端系统，旨在采集实验过程中真实的相关现场数据，客观地记录仪器运行状态，进行图片监控管理，同时为决策者提供真实而有效的基础数据。
　　论文基于数字化校园平台的共享用户数据及RFID射频刷卡技术，实现了校园一卡通验证登录。设计射频模块与主处理器的通信协议，协议支持寻卡、防冲突、蜂鸣等功能，模块兼容Mifare系列射频芯片。此外，基于GDBM数据库，实现了用户权限管理系统，准确地记录了不同用户使用及预约信息。
　　本文基于TCP/IP协议的套接字技术定制服务器与终端的私有通信协议，支持多种信息的采集及共享，完成了终端与服务器的通信。同时，基于在线可编程及文件校验技术，提出了网络安全更新应用的更新方案。设计分片协议报文，选用CRC校验程序数据正确性，应用冗余机制保证安全更新，有效地解决了升级维护困难的问题。
　　在GPIO、SPI驱动的基础上研发了电源控制及工作电流检测功能，以Video ForLinux Two开源库为基础实现了USB图片采集的上传。针对采集关键数据设计数据容灾系统，保证系统可靠性。另外，本文还基于DGUS触摸屏设计了人机交互系统，针对不同用户设计了不同的登录界面及数据信息的展示。
　　目前该系统已成功应用到东南大学贵重精密仪器共享平台，运行状况良好。在实验平台上测试了系统的各项重点功能，验证了系统的稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题的提出及价值

1．2 国内外研究现状及相关技术发展

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 发展趋势

1．3 本文研究内容及章节安排

第二章 大型仪器采集及共享终端的需求分析与总体设计

2．1 大型仪器采集及共享终端的系统功能需求及分析

2．2 大型仪器采集及共享终端的硬件方案的设计

2．2．1 硬件方案的选择

2．2．2 硬件总体方案设计

2．2．3 终端主要性能指标

2．3 大型仪器采集及共享终端的软件方案的设计

2．3．1 操作系统的选择

2．3．2 软件总体方案设计

2．4 本章小结

第三章 大型仪器采集及共享终端的终端硬件电路的设计

3．1 NUC951处理器外围电路的设计

3．1．1 MUC951处理器的介绍

3．1．2 时钟电路的设计

3．1．3 工作模式的配置

3．1．4 复位电路的设计

3．2 大型仪器采集及共享终端的数据存储的设计

3．2．1 高速存储电路的设计

3．2．2 大容量存储电路的设计

3．2．3 系统文件存储电路的设计

3．3 大型仪器采集及共享终端的接口电路的设计

3．3．1 以太网接口电路的设计

3．3．2 UART串行接口电路的设计

3．3．3 存储及图片采集接口电路的设计

3．3．4 电流采集及电源控制电路的设计

3．4 大型仪器采集及共享终端的供电电路的设计

3．4．1 输入电源电路的设计

3．4．2 核心芯片供电电路的设计

3．5 本章小结

第四章 大型仪器采集及共享终端的系统软件的设计与实现

4．1 大型仪器采集及共享终端的操作系统的定制

4．1．1 终端交叉编译环境的介绍

4．1．2 终端的Linux内核定制

4．1．3 终端的文件系统及工具的定制

4．2 大型仪器采集及共享终端的底层软件的设计与实现

4．2．1 Linux设备驱动介绍

4．2．2 电流采集及电源控制驱动的设计

4．2．3 射频刷卡器底层的实现

4．2．4 USB图片监控驱动的实现

4．3 本章小结

第五章 大型仪器采集及共享终端的应用软件的设计与软件实现

5．1 大型仪器采集及共享终端的通信模块的设计及实现

5．1．1 TCP／IP协议简介

5．1．2 通信协议的设计

5．1．3 套接字通讯的实现

5．1．4 网络升级系统功能

5．1．5 通信模块的软件流程

5．2 大型仪器采集及共享终端的用户权限管理的设计及实现

5．2．1 大型仪器用户权限管理的设计

5．2．2 大型仪器用户权限管理的实现

5．2．3 大型仪器用户刷卡及权限管理模块软件流程

5．3 大型仪器采集及共享终端的数据系统的设计及实现

5．3．1 终端数据库的设计与实现

5．3．2 终端数据备份功能的设计

5．3．3 系统日志功能的设计

5．4 大型仪器采集及共享终端的图片采集功能的设计及实现

5．4．1 JPEG图片格式的生成

5．4．2 采集图片上传功能的设计

5．4．3 采集图片上传流程

5．5 大型仪器采集及共享终端的人机交互界面的设计及实现

5．5．1 人机交互系统的介绍

5．5．2 大型仪器采集及共享终端界面的设计与实现

5．5．3 大型仪器采集及共享界面的软件流程

5．6 本章小结

第六章 系统测试及运行效果

6．1 大型仪器采集及共享终端的测试环境介绍

6．2 大型仪器采集及共享终端的功能测试

6．2．1 通信功能测试

6．2．2 刷卡功能测试

6．2．3 图片采集功能测试

6．2．4 人机交互界面测试

6．3 大型仪器采集及共享终端的稳定性测试

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 心得体会

7．3 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的文章