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1 前言 海洋學(xué)研究，海洋生產(chǎn)，海洋軍事等活動(dòng)都強烈地依賴(lài)海洋探測技術(shù)的發(fā)展。但是，長(cháng) 期、定點(diǎn)、連續測量海洋環(huán)境參數，尤其是從海洋表面到海底的垂直剖面的監測大多由船只 完成，耗費大量錢(qián)財和人力，卻無(wú)法得到極端風(fēng)浪條件下的珍貴信息，手段顯得落后。針對 這種狀況而設計的海洋要素垂直剖面測量系統(簡(jiǎn)稱(chēng)“海馬”)利用波浪能，通過(guò)其核心部件 棘爪機構單向抓緊、阻尼鎖定和自由上浮等3種狀態(tài)，使得搭載傳感器的滑行器可以在水下 各個(gè)層面采集海洋要素，并實(shí)時(shí)將測量數據存儲到SD卡。作者采用C8051F340單片機和直流 電機為主要器件，結合電平轉換芯片和各種開(kāi)關(guān)器件及SD存儲卡，設計了控制存儲電路，實(shí) 現了棘爪機構的3種狀態(tài)及測量數據的海量存儲。所采用的單片機和開(kāi)關(guān)器件功耗低、體積 小、可控性強。該控制存儲電路能夠使得“海馬”的工作達到節能、高效、可海量存儲的目 的，即能夠達到“海馬”下潛運動(dòng)能量全部來(lái)自波浪，上浮依靠自身浮力，測量數據存入外 掛存儲器的目標。 2 外掛存儲器的“海馬”控制電路硬件設計 整個(gè)控制電路的硬件電路主要包括：MAX3223串行通訊接口、C8051F340單片機、SD 存儲卡、固態(tài)繼電器、延時(shí)繼電器、限位開(kāi)關(guān)、直流電機等。電路的硬件原理框圖如圖1所 示，這個(gè)電路結構簡(jiǎn)單，與機械設計部分的棘爪機構巧妙結合，實(shí)現了“海馬”水下3種狀 態(tài)。通過(guò)外掛SD卡存儲器，單片機作主控制器，利用SPI總線(xiàn)，實(shí)現了測量數據的實(shí)時(shí)存儲。 2.1 C8051F340單片機 C8051F340單片機屬于C8051F系列單片機。C8051F系列單片機是一種典型的高性能單 片機，使用Silicon Laboratories專(zhuān)有的CIP-51微控制器內核，是完全集成的混合信號片上微控 制器，與MCS-51指令系統完全兼容。該系列單片機采用高速流水線(xiàn)處理技術(shù)，不再區分時(shí) 鐘周期和機器周期，能在執行指令期間預處理下一條指令，提高了指令執行效率。C8051F340 單片機具備控制系統所需的模擬和數字外設，包括看門(mén)狗、ADC、DAC、電源管理器、定 時(shí)器、內部低頻振蕩器等，并具備多種總線(xiàn)接口，包括USB、UARTs、SPI、SMBus/I2C。 它采用Flash ROM技術(shù)，具有64 kB的片內Flash ROM存儲器、256B的片內RAM和4KB的片內 XRAM，40個(gè)I/O端口(耐壓5 V)，是真正能獨立工作的片上系統。Flash存儲器可以在系統重新 編程，提供非侵入式數據存儲及允許8051固件現場(chǎng)升級。用戶(hù)軟件可以控制所有外設以及 可以單獨地關(guān)閉任何一個(gè)或所有的外設以節約能源。片上Silicon Labs的2-Wire (C2)開(kāi)發(fā)接口 允許使用安裝在最終應用系統上的MCU產(chǎn)品進(jìn)行非侵入式、全速、在系統調試。C8051F系 列單片機的諸多特點(diǎn)和優(yōu)越性，使其廣受單片機系統設計工程師的青睞，成為很多測控系統 設計的首選機型。 2.2 傳感器及接口電路模塊 與分立的傳感器和信號調理相比，集成的海洋用溫鹽深儀具有很好的優(yōu)勢，前者在設計 時(shí)復雜，干擾容易進(jìn)入系統中，數據采集后濾波處理等均增加了單片機的負擔。XR-420-CTD 是加拿大BRB公司生產(chǎn)的一款高精度的集成海洋專(zhuān)用溫鹽深儀，而且自身帶有一定的存儲容 量，可以測量溫度、鹽度、深度等參數，輸出直接是數字量，通過(guò)MAX3223接口芯片與單片 機相連接。如果要改變“海馬”的滑行器滑行的上限和下限深度，需要改變程序中預先設定 的上下限深度值。將預先設定的系統運動(dòng)上、下限值存儲在這個(gè)單元內，如需改變，則通過(guò) 串口將數據重新置人該芯片中。這樣，整個(gè)系統將不再局限于一個(gè)區間運動(dòng)，可以在更大范 圍內測量數據。 2.3 開(kāi)關(guān)控制電路模塊 所設計的控制電路中電機與棘爪機構的驅動(dòng)，主要依靠開(kāi)關(guān)控制模塊來(lái)實(shí)現。電路中 采用固態(tài)繼電器(SSR)和雙刀雙擲延時(shí)電磁繼電器。除此之外，限位開(kāi)關(guān)作為單片機的一個(gè) 輸入端，當電機轉到預定的位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)閉合，發(fā)送低電平信號給單片機，單片機收到 信號后發(fā)出使電機停轉的指令。固態(tài)繼電器(SSR，又稱(chēng)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件)是近年來(lái)發(fā)展并廣泛應用的一種新型器件，是由固態(tài)元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件。它具有驅動(dòng)功率小、噪聲低、 可靠性好以及抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。由于單片機的輸出無(wú)法提供給電磁繼電器足夠的電壓， 所以選用固態(tài)繼電器來(lái)帶動(dòng)電磁繼電器。 2.4 SD卡存儲模塊 長(cháng)期、定點(diǎn)、連續的海洋環(huán)境監測系統的數據存儲器具有容量大，可靠性高的要求。 SD卡因其耐用、可靠、安全、容量大、體積小、便于攜帶和兼容性好等優(yōu)點(diǎn)而非常適合用于 海洋環(huán)境監測系統的數據存儲。 SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于Flash技術(shù)的存儲卡，SD卡的特點(diǎn)是容量 大(最大容量為4 G，現在已有1 GB的產(chǎn)品)，性?xún)r(jià)比很高(高于1 MB／元)，體積小(32 mmx24 mmx2．1 mm)，重量只有幾克而且功耗低、接口簡(jiǎn)單。SD卡支持SD模式和SPI模式，其中SPI 模式中使用的SPI接口在單片機系統中應用非常廣泛，本設計中就采用SPI模式接口與 C8051F340單片機連接。 3 “海馬”控制存儲電路軟件設計 控制存儲電路的功能是實(shí)現棘爪機構的單向抓緊、阻尼鎖定和自由三個(gè)運動(dòng)狀態(tài)及將測 量數據實(shí)時(shí)存儲。當其處于單向抓緊態(tài)時(shí)，滑行器只能向下運動(dòng)，當波浪提升時(shí)，嚙合松開(kāi)， 滑行器因慣性滯留原位，當波浪下降時(shí)，嚙合咬緊，滑行器下潛。錨定纜不停地做升沉運動(dòng)， 滑行器在此運動(dòng)驅動(dòng)下，直達海底或控制系統預置的測量深度。在控制電路的作用下，當棘 爪機構處于自由態(tài)勢時(shí)，滑行器與錨定纜失去嚙合力，完全處于自由狀態(tài)，由于滑行器是一 正浮力載體，所以，滑行器將在浮力作用下沿錨定纜上浮，并在上浮的過(guò)程中完成對海洋要 素的采集，由單片機完成對SD卡的讀寫(xiě)操作，將數據存儲在SD卡中。 “海馬”的整個(gè)運動(dòng) 過(guò)程可以分為單向下潛過(guò)程和自由上浮過(guò)程，在這兩個(gè)過(guò)程中，系統依靠寫(xiě)入單片機的程序 來(lái)控制滑行器的運動(dòng)狀態(tài)。程序采用KEILC編寫(xiě)。 3.1 主函數 主函數要實(shí)現很多功能，如單片機初始化（時(shí)鐘、交叉開(kāi)關(guān)配置、SPI串口、UART0串口、 定時(shí)器0）、SD卡初始化、FAT文件系統初始化、新建文件、潛標下潛、潛標上浮時(shí)讀取參數、 寫(xiě)文件等。 3．2 載體下潛過(guò)程 在滑行器不斷下潛的過(guò)程中，單片機從傳感器中讀取深度值，并不斷與預先設置的深度 值相比較，如果達到預定深度或比預定深度值大時(shí)，單片機發(fā)出*信號，棘爪機構松開(kāi)， 載體在浮力作用下自由上浮。 3．3 載體上浮過(guò)程 載體在自由上浮的過(guò)程中，不僅要繼續讀取傳感器中的深度信號，同時(shí)開(kāi)始了對海洋要 素的采集。根據預先設置，傳感器將每秒鐘存儲一次數據，包括溫度、壓力以及電導率等。 當滑行器到達上限深度時(shí)，單片機將發(fā)出閉鎖信號，棘爪抓緊纜繩，重新在波浪能的驅動(dòng)下 開(kāi)始下潛過(guò)程，至此，“海馬”完成一個(gè)周期的測量。不論是“海馬”運動(dòng)的上限值還是下 限值，都可以通過(guò)串口，利用計算機來(lái)改變，這樣“海馬”就能適應不同海域、不同深度的 測量的要求。 4 結語(yǔ) 實(shí)驗證明,本文設計的控制存儲電路能夠精確地實(shí)現“海馬”的3種運動(dòng)狀態(tài)和數據的實(shí) 時(shí)存儲，它的硬件部分功耗低、體積小、可控性強，軟件部分精度高、可移植性好、靈活性 強、適用的海域范圍廣，真正實(shí)現了海洋要素垂直剖面測量系統下潛運動(dòng)能量全部來(lái)自波浪， 上浮依靠自身浮力的目標，并且外掛海量存儲器，海洋要素實(shí)時(shí)存儲，便于在PC機上進(jìn)行數 據的分析、處理、顯示、打印等操作。 本文作者的創(chuàng )新之處在于將SD卡存儲方式運用到海洋要素垂直剖面數據采集系統，簡(jiǎn)化 了采集系統的設計，減小了系統尺寸，提高了系統的可靠性，使采集數據的讀出變得簡(jiǎn)單易 行。由于原有數據采集系統，采用8051單片機作主控制器，本次設計選用與8051完全兼容的 高性能單片機C8051F340，既繼承了原有采集系統的設計，又滿(mǎn)足了訪(fǎng)問(wèn)SD卡的功能要求， 加快了整個(gè)系統的設計進(jìn)程。設計的電路可以與機械設計部分的棘爪機構巧妙結合，實(shí)現了 測量平臺運行狀態(tài)的自如轉換，并充分利用了海洋中無(wú)處不在的波浪能。 |
