深海海洋平臺監(jiān)測的多變量自容式傳感器設(shè)計(jì)

喻　言，宋　陽，董維杰，歐進(jìn)萍

(1．大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連　116024；2．大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連　116024)

0　引言

海洋平臺結(jié)構(gòu)是開發(fā)海洋油氣資源的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，它是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地[1]。南中國海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，必然成為海洋開發(fā)的重點(diǎn)[2-4]，其中大部分蘊(yùn)藏于500～2 000 m深海區(qū)域[5]。因此，為了能夠有效地開發(fā)我國豐富的深海油氣資源，必然要加強(qiáng)深海海洋平臺的研究。但由于深海平臺造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，并且使用壽命短，絕大部分海洋平臺在達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后依然繼續(xù)服役[6]，加上海水的沖擊、侵蝕，海洋平臺面臨著材料老化等諸多問題，在突發(fā)的惡劣情況下，海洋平臺極易發(fā)生突發(fā)狀況，造成直接的重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，還將可能造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和社會政治影響[7]。因此，對深海平臺結(jié)構(gòu)的監(jiān)測具有重要意義。深海平臺監(jiān)測不僅需要具備高精度的傳感器，還要能夠抗高壓，防水，保證長期有效工作等，這些條件使得深海平臺的監(jiān)測各方面都面臨巨大的挑戰(zhàn)。文中提供的用于深海海洋平臺監(jiān)測的多變量自容式傳感器可以同時(shí)采集加速度、傾角、溫濕度的數(shù)據(jù)，通過對采集的數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測深海海洋平臺結(jié)構(gòu)的目的，對海洋平臺的監(jiān)測、維護(hù)起到重要作用。

1　系統(tǒng)描述

該深海自容式傳感器包括傳感器單元、數(shù)據(jù)采集存儲單元、供電模塊；其中傳感器單元包括加速度傳感器、傾角傳感器和溫濕度傳感器；數(shù)據(jù)采集存儲單元包括MCU、大容量存儲器、A/D轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘電路及通信接口；通信接口包括USB和串口；供電模塊由電源穩(wěn)壓芯片及電池組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

該深海自容式傳感器工作時(shí)，加速度傳感器為模擬信號輸出，將采集的加速度傳感器信號經(jīng)濾波電路，高精度的A/D轉(zhuǎn)換后與MCU的輸入端口連接，采集的傾角和溫濕度傳感器信號為數(shù)字信號，直接和MCU的輸入端口連接。同時(shí)，MCU從外圍時(shí)鐘芯片讀取采樣時(shí)間，并將采集的傳感器信號數(shù)值和采集時(shí)間一并寫入大容量flash中，需要導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過通信接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)上。

2　硬件設(shè)計(jì)

2．1傳感器單元

加速度傳感器采用LIS344ALH加速度傳感器，LIS344ALH是低功耗三軸線性加速度傳感器，它包括傳感器件和IC接口，能夠從傳感器件獲得信息，并向外界提供模擬信號；傾角傳感器采用SCA103T-D05高精度傾角傳感器，該傾角傳感器是高分辨率單軸傾角傳感器，測量范圍為±30°，長期穩(wěn)定性非常好，抗沖擊能力強(qiáng)，通信時(shí)有2個(gè)模擬輸出和1個(gè)數(shù)字SPI接口以提供信號差分和直接信號處理；溫濕度傳感器采用 SHT11溫濕度傳感器，SHT11是一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片，該芯片將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，測量精確度高，傳輸可靠性高，接口簡單。

2．2數(shù)據(jù)采集存儲單元

2．2．1主控制器

MSP430F5438是MSP430系列單片機(jī)的最新型號，配有3個(gè)16位定時(shí)器，高性能12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，4個(gè)串行通用接口，硬件乘法器，DMA，具有報(bào)警功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，100個(gè)I/O引腳。它具有如下特點(diǎn)：超低功耗；豐富的片內(nèi)資源和外設(shè)；采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，處理能力強(qiáng)大；系統(tǒng)工作穩(wěn)定，開發(fā)方便、快捷。

2．2．2大容量存儲器

大容量存儲器選用128×8 bit NAND Flash，K9F1G08U0B。該存儲器的容量為1G bit NAND Flash存儲器，另外有32 Mbit的多余空間。對于該芯片的讀寫和擦除都可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，其I/O管腳不但作為數(shù)據(jù)和地址的輸入/輸出端口，同時(shí)還作為命令的輸入端口。K9F1G08U0B對大容量非易失性存儲器來說是一種優(yōu)化的解決方案，數(shù)據(jù)可以保存10年。K9F1G08U0B電路原理圖如圖2所示。

圖2　K9F1G08U0B電路原理圖

2．2．3A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用高精度24位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片ADS1248，它具有在線、低噪聲、可編程的增益放大器(PGA)，一個(gè)帶有單周期可設(shè)置的數(shù)字濾波器的精密的ADC和一個(gè)內(nèi)部振蕩器。ADS1248的輸入通道支持4路差分輸入，支持高達(dá)2 KSPS的數(shù)據(jù)傳輸速率。ADS1248電路原理圖如圖3所示。

圖3　ADS1248電路原理圖

2．2．4時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路選用的芯片是PCF8563，該芯片是一款工業(yè)級具有極低功耗的CMOS實(shí)時(shí)多功能時(shí)鐘/日歷芯片，所有的地址和數(shù)據(jù)通過一個(gè)雙向兩線I2C總線串行傳輸，芯片最大總線速度為400 kbits/s。PCF8563具有4種報(bào)警功能和定時(shí)功能。

2．2．5通信接口

設(shè)計(jì)采用2種通信接口形式：USB以及串口。MAX3232采用專有低壓差發(fā)送器輸出級，利用在3.0～5.5 V電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS232性能，器件僅需4個(gè)0.1 μF的外部小尺寸電荷泵電容。MAX3232確保在120 kbit/s數(shù)據(jù)速率。MAX3232還能夠有效降低功效并延遲便攜式產(chǎn)品的電池使用壽命。

CH375是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式。在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。CH375可以自動檢測USB設(shè)備的連接和斷開，提供設(shè)備連接和斷開的時(shí)間通知，支持5 V電源和3.3 V電源電壓，支持低功耗模式。

2．3供電模塊

供電模塊由電源穩(wěn)壓芯片及電池組成，電源穩(wěn)壓芯片采用5 V穩(wěn)壓芯片K7805-1000和3.3 V穩(wěn)壓芯片S1117_3．3。經(jīng)K7805-1000穩(wěn)壓后的5 V電壓為USB從設(shè)備和SCA103T電路供電，經(jīng)S1117_3．3穩(wěn)壓后的3.3 V電壓為MCU、大容量存儲器、A/D電路、時(shí)鐘電路和MAX3232電路等供電。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

由于深海海洋平臺的振動是低頻振動，因此設(shè)計(jì)了驗(yàn)證深海自容式傳感器的加速度測試部分的模擬試驗(yàn)。該模擬試驗(yàn)是在一個(gè)單擺裝置上進(jìn)行的，根據(jù)單擺的周期公式：

(1)

式中：T為單擺的周期；L為單擺的擺長；g為重力加速度。

只要知道單擺的擺長，就可以得到單擺的周期，進(jìn)而得到單擺的頻率，因此控制擺長就可以得到相應(yīng)的低頻振動信號，進(jìn)而進(jìn)行模擬試驗(yàn)。單擺試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D如圖4所示。

圖4　單擺試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

試驗(yàn)中給予單擺激勵，使其擺動<5°小振幅地進(jìn)行阻尼運(yùn)動，設(shè)置單擺擺長為1 m，采樣頻率為50 Hz．利用MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到單擺振動的時(shí)域和頻域圖如圖5所示，小幅度的單擺振動應(yīng)該得到逐漸衰減的正弦波波形，一階頻率約是0.5 Hz，實(shí)際測得的數(shù)值基本一致，準(zhǔn)確性較好。

圖5　時(shí)域和頻域分析

驗(yàn)證溫濕度傳感器的準(zhǔn)確度，采樣頻率為50 Hz，200 s內(nèi)采集當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度和相對濕度各10 000組數(shù)據(jù)。溫度和相對濕度數(shù)據(jù)如圖6所示。采集的當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的溫度和相對濕度值與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度濕度計(jì)顯示的值基本一致，準(zhǔn)確性好。

4　結(jié)束語

設(shè)計(jì)的用于深海海洋平臺監(jiān)測的多變量自容式傳感器具備同時(shí)監(jiān)測多變量、采樣精度高、可存儲數(shù)據(jù)量大、功耗低和體積小等特點(diǎn)，滿足長期監(jiān)測深海海洋平臺的條件。該裝置的上述特點(diǎn)決定了其廣闊的前景和實(shí)用價(jià)值。

圖6　溫度和相對濕度值

參考文獻(xiàn)：

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