一種海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測通用設(shè)備的設(shè)計

張穎穎，馬 然，張 穎，程 巖，湯永佐，侯廣利

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001）

一種海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測通用設(shè)備的設(shè)計

張穎穎，馬 然，張 穎，程 巖，湯永佐，侯廣利

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001）

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效采集、存儲、處理和顯示、輸出及控制操作，是自動化海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)都需要設(shè)計和開發(fā)的重要內(nèi)容。提出了一種海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測通用數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備的設(shè)計方法。設(shè)備可以提供多路模擬量、數(shù)字量、脈沖量和串口信號形式的海洋監(jiān)測信息自動采集，現(xiàn)場的大容量信息存儲、實時信息顯示、鍵盤輸入操作和便捷打印輸出，以及滯后的實驗室信息顯示、分析、查詢和處理等豐富功能。該設(shè)備簡單設(shè)置可以靈活應(yīng)用于各種海洋參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測任務(wù)，具有推廣應(yīng)用的現(xiàn)實前景。

海洋監(jiān)測；現(xiàn)場監(jiān)測；通用；數(shù)據(jù)采集處理

海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測儀器在目前的海洋監(jiān)測領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，現(xiàn)場提供實時的海洋參數(shù)信息，進行快速、自動的分析和處理，因此，彌補了傳統(tǒng)實驗室的滯后檢測不具備時效性的缺點。

從宏觀角度講，海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測儀器都是由傳感器測量海洋參數(shù)，采集監(jiān)測信息，執(zhí)行數(shù)據(jù)的直接存儲或者某些數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)需要現(xiàn)場顯示和輸出數(shù)據(jù)或者帶回試驗室進行詳細的分析。海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測任務(wù)的控制操作和數(shù)據(jù)的采集處理在整個海洋監(jiān)測儀器中具有很重要的作用。從海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測的發(fā)展趨勢看，越來越趨向于多站點、多要素、全天候、全天時的長期和連續(xù)自動化監(jiān)測，數(shù)據(jù)的采集、處理和控制更是關(guān)系海洋監(jiān)測任務(wù)能否自動化長期和可靠執(zhí)行的關(guān)鍵。

海洋環(huán)境與陸地環(huán)境不同，海洋監(jiān)測有自己的特點。其一，測量的參數(shù)不盡相同；其二，測量環(huán)境不同；其三，儀器要求不同。因此，執(zhí)行不同任務(wù)的海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測儀器就需要配備不同類型和規(guī)格的海洋監(jiān)測傳感器，測量到的海洋參數(shù)也需要針對性的設(shè)計數(shù)據(jù)的采集和處理過程，根據(jù)任務(wù)具體要求的輸入輸出操作將這些數(shù)據(jù)實時顯示或者現(xiàn)場輸出。在每一個海洋監(jiān)測任務(wù)中，信息采集處理設(shè)備的設(shè)計都是重要環(huán)節(jié)[1-4]。

本文提出一種海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測通用信息采集處理設(shè)備的設(shè)計方法。該設(shè)備可以靈活應(yīng)用于各種海洋參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測任務(wù)，避免各種海洋監(jiān)測任務(wù)開發(fā)過程中人力物力的重復(fù)性損耗，而且，可以利用專業(yè)優(yōu)勢研制高性能設(shè)備以確保海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測信息的采集、處理和控制更加可靠、高效。

1 系統(tǒng)設(shè)計要求

海洋參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測儀器可以布放在沿岸、近?；蛘叽簧?，現(xiàn)場往往有技術(shù)人員實時觀察和執(zhí)行必要的控制操作。因此，海洋參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備作為整個海洋監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分，主要功能是實時、準確、可靠地采集、處理、存儲和顯示海洋現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有即時報警、數(shù)據(jù)查詢和便捷輸出以及滯后的實驗室信息處理等豐富功能，滿足監(jiān)測系統(tǒng)對功耗和可靠性等諸多要求，為海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測任務(wù)的執(zhí)行者提供研究和使用便利。

海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測通用設(shè)備的設(shè)計要適應(yīng)各種海洋監(jiān)測任務(wù)使用的傳感器數(shù)量和類型。因此，設(shè)計8路模擬量信號輸入，精度12位或以上，輸入信號范圍0～+5VDC，提供各種電壓模擬量測量，以連接風向、氣溫、氣壓、溫度、濕度等海洋監(jiān)測常用傳感器。8路數(shù)字脈沖輸入通道提供風速等數(shù)字脈沖量傳感器信號測量。8個數(shù)字控制輸出通道，作為設(shè)備的數(shù)字控制和觸發(fā)控制。10個RS232端口，采集波浪、海流、水質(zhì)和生態(tài)等傳感器的串行信息，并提供串行通訊接口。大容量SD卡標準數(shù)據(jù)存儲空間，采集數(shù)據(jù)以表格形式存儲。為適應(yīng)現(xiàn)場操作的需要，設(shè)計液晶顯示器和輸入鍵盤實現(xiàn)人機對話，實時顯示數(shù)據(jù)、調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和控制系統(tǒng)自動運行。便攜式打印機可現(xiàn)場提供監(jiān)測參數(shù)的打印輸出。另外，適應(yīng)海洋監(jiān)測的工作環(huán)境，甚至惡劣環(huán)境，設(shè)備要求滿足強抗干擾、高可靠性和低功耗等要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計方法

海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備由硬件設(shè)備和配套軟件兩部分組成。硬件設(shè)備的基本功能包括：與海洋監(jiān)測任務(wù)需要的各種傳感器有效連接；根據(jù)監(jiān)測任務(wù)的要求實時采集、處理并存儲各種監(jiān)測信息；實現(xiàn)海洋監(jiān)測任務(wù)現(xiàn)場的信息顯示和輸入操作控制；實現(xiàn)海洋監(jiān)測信息的現(xiàn)場打印輸出。配套軟件作為輔助工具，以滯后方式提供對監(jiān)測信息的豐富處理功能。

2.1 硬件設(shè)計和工作原理

綜合考慮海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測對系統(tǒng)和功耗的要求，硬件設(shè)備以PC104工控機為控制核心，AVR單片機實現(xiàn)信息采集功能。具體功能模塊包括模擬量信息采集通道、數(shù)字量信息采集通道、脈沖計數(shù)通道、串行信息采集通道、數(shù)字控制通道、信息存儲、液晶顯示、鍵盤輸入、打印輸出和設(shè)備供電。硬件設(shè)備外部12 V（9～18 V范圍）直流供電。為實現(xiàn)良好的擴展能力，采用總線設(shè)計方式以提供更多的設(shè)備接口。具體的硬件設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測通用設(shè)備的硬件設(shè)計方案

研華PC-104系統(tǒng)作為硬件核心處理模塊，組合Atmel ATmega64型AVR單片機作為數(shù)據(jù)采集模塊。PC-104系統(tǒng)采用12 V供電，并嵌入Windows XP Embedded操作系統(tǒng)。其主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析、顯示、人機操作等功能。其中，數(shù)據(jù)通過一塊80 G日立硬盤實現(xiàn)存儲和運算處理，處理后數(shù)據(jù)的實時顯示經(jīng)PC-104系統(tǒng)中的LCD模塊處理后，通過一塊7寸24位色LCD液晶屏顯示出來。人機界面的操作是通過矩陣按鍵實現(xiàn)。通過SD卡將數(shù)據(jù)隨時加密拷貝調(diào)出或者用于程序的更新下載。硬件核心處理模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸是通過PC-104系統(tǒng)的UART接口進行串行通信。

數(shù)據(jù)采集模塊中的電源選用LM2576電源芯片，將系統(tǒng)+12 V開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成+5 V穩(wěn)壓供電。串口擴展電路將ATmega64中的2路USART通信端口擴展為1路RS-232串口通信端口（包括與硬件核心處理模塊通信和數(shù)據(jù)打印設(shè)備）和備用的6路傳感器串行信號接口模塊。設(shè)備實現(xiàn)海洋監(jiān)測信息采集和處理功能時，外接傳感器采集的模擬信息依次經(jīng)過多路可編程放大器、整形濾波、12位高精度A/D轉(zhuǎn)換、隔離等模塊處理，最后將數(shù)字信號送入ATmega64單片機。部分外接的數(shù)字/脈沖傳感器采集到的數(shù)字/脈沖信息直接經(jīng)整形、隔離等模塊傳給ATmega64單片機進行信息處理。單片機按照一定的通信協(xié)議將部分采集信息經(jīng)內(nèi)部SRAM存儲和擴展串口連接方式發(fā)送到外接的數(shù)據(jù)打印設(shè)備，方便將現(xiàn)場實時監(jiān)測信息及時打印。同時，單片機的全部采集信息將按照一定的協(xié)議要求以表格形式，通過RS-232傳輸至PC-104系統(tǒng)的UART接口，并存儲到硬盤中，提供海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測用戶長期持久的信息存儲功能。為了保證系統(tǒng)的能耗最小化，平時整套系統(tǒng)工作分成正常運行和睡眠兩種模式，而ATmega64單片機具有8路傳感器控制端口，將工作頻率較低的傳感器在待機狀態(tài)時處于斷電的狀態(tài)。

除了完成數(shù)據(jù)采集與處理功能之外，為保證信息采集的時間準確，設(shè)計有硬件和軟件的時鐘同步操作，以及硬件設(shè)備的工作溫度范圍和緊湊、抗干擾等重要性能。

2.2 軟件設(shè)計方案

海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測通用設(shè)備設(shè)計兩套應(yīng)用軟件-初始化設(shè)置軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。初始化設(shè)置軟件執(zhí)行setup安裝程序，以安裝向?qū)У男问揭徊讲教崾居脩敉瓿绍浖惭b。根據(jù)設(shè)備實際應(yīng)用時連接的傳感器數(shù)量和類型、數(shù)據(jù)采集與處理的方式方法、海洋監(jiān)測項目采用的數(shù)據(jù)通信和輸出方式等具體應(yīng)用背景，由上位機直接串行通訊方式進行設(shè)備的硬件相關(guān)設(shè)置。數(shù)據(jù)處理軟件以實驗室滯后處理的方式，負責采集數(shù)據(jù)的各種顯示、查詢及簡單與復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能。兩套軟件都采用Windows操作環(huán)境下的圖形化交互操作界面，追求美觀而且強調(diào)方便用戶使用和操作，提供在線幫助功能。

初始化軟件按照流程依次執(zhí)行軟件操作向?qū)?、硬件設(shè)備選型、通訊設(shè)置、傳感器采集設(shè)置、通訊測試、時間位置設(shè)置、數(shù)據(jù)輸出設(shè)置、預(yù)約設(shè)置功能，直到初始化設(shè)置結(jié)束。數(shù)據(jù)處理軟件包括數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)常規(guī)處理和復(fù)雜處理的功能模塊。

3 結(jié)論

本文從海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測任務(wù)的多樣化和通用性特征出發(fā)，設(shè)計了一種海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測通用設(shè)備。該設(shè)備可以針對海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測任務(wù)的不同要求，連接多數(shù)量多類型的傳感器靈活配置并直接使用，對監(jiān)測信息實現(xiàn)從采集、存儲、顯示到分析處理，再到現(xiàn)場控制輸入輸出的全過程操作，不僅避免了各種海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測項目重復(fù)開展相似的研發(fā)工作，節(jié)省人力物力和開發(fā)成本，而且，專業(yè)開發(fā)優(yōu)勢可以形成過硬的設(shè)備質(zhì)量，確保海洋參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測信息的采集、處理和控制更加系統(tǒng)高效。

[1]卜照蓬,劉巖.FZF321型海洋資料浮標系統(tǒng)[J].海洋技術(shù),2003,2(22)：59-65.

[2]武東生,張齊.海洋站數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計要點[J].海洋技術(shù),2001,1(20)：59-61.

[3]張毅,孫思萍,齊爾麥,等.海床基自動監(jiān)測系統(tǒng)中央控制單元設(shè)計與實驗[J].海洋技術(shù),2007,26(4)：1-3.

[4]唐原廣,王金平.SZF型波浪浮標系統(tǒng)[J].海洋技術(shù),2008,27(2)：31-33.

Design of Common Data Acquisition System for Marine Parameters Site Monitoring

ZHANG Ying-ying,MA Ran,ZHANG Ying,CHENG Yan,TANG Yong-zuo,HOU Guang-li
(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology,Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation,Qingdao Shandong 266001,China)

It is a very important content for the automatic marine parameters site monitoring system to conduct data acquisition,storage,processing,display,output and control operations.A special design method of common data acquisition equipment is presented,which provides a great deal of signal acquisition patterns including analog quantity,digital quantity,pulsed quantity and serial port signal for the marine monitoring information automatic collection.It provides huge information storage,real-time display,keyboard input and print output on spot.And it also provides plenty of functions of information display,analysis,reference and processing in the lab later.The equipment is designed as a simple setup that can be flexibly applied to all kinds of marine site monitoring projects,which illustrates a good prospect of application and extension.

marine monitoring;site monitoring;common;data acquisition and processing

TP274；P71

B

1003-2029（2011）04-0016-03

2011-04-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）基金資助項目（2006AA09Z144）；山東省科技攻關(guān)項目資助（2009GG10005007）

張穎穎(1979-),女,博士,副研究員,主要從事海洋信息探測和處理研究。 Email:triciayyz@163.com