基于RS485通信的新型水深測(cè)量組件

周　磊，孫?，|，匡　石，梁　峭

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)　110043)

0　引言

長(zhǎng)久以來(lái)，水下探測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于科研和水下裝備領(lǐng)域，而水深測(cè)量組件作為水下探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心地位。水深測(cè)量組件性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)。在以往的產(chǎn)品中，水深測(cè)量組件通常以模擬信號(hào)作為輸出信號(hào)，但模擬信號(hào)本身存在著抗干擾能力弱的缺點(diǎn)，這很大程度上限制了它的應(yīng)用范圍，尤其是在抵抗惡劣環(huán)境能力有著較高要求的裝備領(lǐng)域。

信息的數(shù)字式傳輸與交換可以很好地彌補(bǔ)模擬信號(hào)的缺陷。數(shù)字信號(hào)在傳輸之前可以先進(jìn)行加密處理再進(jìn)行傳輸，最后在接收端進(jìn)行解密，完成信息的傳輸與交換，這樣就增強(qiáng)了通訊的保密性；另外，數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中可以利用電子電路構(gòu)成的門限電壓(稱為閾值)去衡量輸入的信號(hào)電壓，只有達(dá)到某一電壓幅度，電路才會(huì)有輸出值，并自動(dòng)生成一組整齊的脈沖(稱為整形或再生)。在這種情況下，較小雜音電壓到達(dá)時(shí)，由于它低于閾值而被過(guò)濾掉，不會(huì)引起電路動(dòng)作，除非干擾信號(hào)大于原信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生誤碼。而為了防止誤碼，在電路中可以設(shè)置檢驗(yàn)錯(cuò)誤和糾正錯(cuò)誤的方法，即在出現(xiàn)誤碼時(shí)，可以利用后向信號(hào)使對(duì)方重發(fā)。通過(guò)上述處理，可以大大提升信號(hào)的抗干擾能力。

文中介紹的新型水深測(cè)量組件采用RS485串口通信方式直接與上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸與交換。與RS232接口標(biāo)準(zhǔn)相比，RS485的接口信號(hào)電平更低，不易損壞接口電路芯片，并且RS485傳輸速率更快，傳輸距離更長(zhǎng)，抗噪聲干擾的能力也更強(qiáng)，這些都為最終產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。另外，該水深測(cè)量組件還具備了分辨率高、可承受多倍量程過(guò)載能力等特點(diǎn)。

1　總體方案設(shè)計(jì)

該水深測(cè)量組件采用小型壓力敏感芯體作為核心的壓力敏感元件，該芯體采用硅壓阻效應(yīng)原理，利用半導(dǎo)體平面工藝，將構(gòu)成惠斯登電橋的4個(gè)擴(kuò)散硅電阻對(duì)稱設(shè)計(jì)在硅體敏感膜片的正負(fù)應(yīng)力區(qū)上，當(dāng)受到壓力作用時(shí)，膜片發(fā)生形變，導(dǎo)致擴(kuò)散硅電阻阻值因電阻率隨被測(cè)介質(zhì)的壓力增加而增加或減小，造成惠斯登電橋不平衡，最終使芯體隨被測(cè)壓力輸出線性的電壓信號(hào)[1]。

該水深測(cè)量組件選用250 kPa壓力敏感芯體，這樣既可以同時(shí)滿足0～6 m測(cè)量范圍和0～50 m測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量精度要求(不大于0.2%)和分辨率要求(不低于0.125 m)，又可以承受100 m深度測(cè)試的過(guò)載壓力。壓力敏感芯體輸出的是mV級(jí)的模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和限幅處理后輸入到單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸入端口。A/D轉(zhuǎn)換電路部分采用了基于PIC18F66K80型單片機(jī)的設(shè)計(jì)，該單片機(jī)自身配備了12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，足以滿足產(chǎn)品的性能要求，另外通過(guò)選擇不同功耗管理模式，有效降低了產(chǎn)品的功耗，設(shè)計(jì)選用了28腳SSOP封裝形式，芯片引腳數(shù)量少，外形尺寸也相對(duì)較小，這樣有助于產(chǎn)品整體的小型化設(shè)計(jì)[2]。

該水深測(cè)量組件采用了一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，即將壓力敏感芯體焊接在壓力接口內(nèi)后，把電路板直接安裝在壓力敏感組件后端，整個(gè)產(chǎn)品封裝在同一腔體內(nèi)部，這種一體化的設(shè)計(jì)使整個(gè)產(chǎn)品更加小巧，從而更易于安裝在水下探測(cè)系統(tǒng)中，同時(shí)這種全封閉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也使產(chǎn)品可以更好地抵抗外界各種惡劣環(huán)境的影響。整體產(chǎn)品的功能框圖如圖1所示。

圖1　水深測(cè)量組件功能框圖

2　結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品采用一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體機(jī)械裝配圖如圖2所示，圖中單位為mm．壓力敏感芯體焊接在壓力接口內(nèi)后，直接與電路板進(jìn)行連接，通常壓力變送器組件的電路板與壓力敏感芯體以平行的方式安裝，安裝后可以使用螺釘將電路板固定在壓力接口上，增強(qiáng)安裝強(qiáng)度，但本產(chǎn)品由于受到外形尺寸的限制，電路板只能以垂直方向安裝，在這種情況下，產(chǎn)品最終采用了使用上下限位塊的方式對(duì)電路板進(jìn)行固定，這種安裝方式比較靈活，更便于對(duì)電路的調(diào)試，但對(duì)機(jī)加件的加工精度提出了更高的要求，因?yàn)槿绻麢C(jī)加件尺寸誤差過(guò)大，就會(huì)使整機(jī)產(chǎn)品裝配后各組件之間存在縫隙，最終導(dǎo)致電路板安裝不牢固，但只要保證了裝配精度，那么這種安裝方式可以使電路板有更大的自由度，從而增強(qiáng)了抵抗高強(qiáng)度沖擊震動(dòng)環(huán)境的能力。

圖2　產(chǎn)品機(jī)械裝配圖

3　電路部分設(shè)計(jì)

3．1硬件設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品采用24 V DC電源供電，該電源可以直接為信號(hào)調(diào)制模塊進(jìn)行供電，但數(shù)字電路部分需要5 V DC電源，通過(guò)LM7805集成穩(wěn)壓芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后提供。由于壓力敏感芯體輸出的mV級(jí)電壓信號(hào)無(wú)法滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)輸入電壓的要求，因此需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大和限幅，綜合考慮壓力敏感芯體在全溫區(qū)范圍內(nèi)的輸出變化，應(yīng)在常溫狀態(tài)下，將放大后的零點(diǎn)和滿量程輸出信號(hào)控制在1～3 V范圍內(nèi)，另外，壓力敏感芯體還需要承受100 m的過(guò)載壓力，這時(shí)信號(hào)輸出值會(huì)接近電源電壓的數(shù)值，而單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端口不允許接入大于數(shù)字電源電壓的信號(hào)，因此還需要對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行限幅處理[3]，信號(hào)調(diào)制模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3　信號(hào)調(diào)制模塊電路原理圖

數(shù)字部分電路采用了基于PIC18F66K80型單片機(jī)的設(shè)計(jì)，該單片機(jī)自帶12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，假設(shè)壓力敏感芯體的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制模塊處理后，零點(diǎn)輸出為1 V，滿量程輸出為3 V，那么經(jīng)計(jì)算，在0～6 m測(cè)量范圍內(nèi)分辨率可以達(dá)到0.003 m；0～50 m測(cè)量范圍分辨率可以達(dá)到0.025 m，足以滿足產(chǎn)品測(cè)試分辨率(0.125 m)的要求，另外，該單片機(jī)自身可以為A/D轉(zhuǎn)換模塊提供參考電壓，參考電壓的數(shù)值通過(guò)指定的寄存器進(jìn)行控制，因此不需要另外提供外接的參考電壓，這樣有助于整體產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)。

數(shù)字電路的接口部分采用MAX485接口芯片，通過(guò)適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐吩O(shè)計(jì)，確?？偩€空閑時(shí)兩條線保持穩(wěn)定的高低電平，并消除由于阻抗不匹配在線路上產(chǎn)生的信號(hào)反射。數(shù)字電路部分原理圖如圖4。

3．2軟件設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品的軟件部分設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，只是將A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)直接通過(guò)RS485芯片與上位機(jī)進(jìn)行通訊，與上位機(jī)的通訊采用應(yīng)答方式，即收到深度查詢報(bào)文后立即回傳深度報(bào)文，深度查詢報(bào)文為:FFH 7EH 04H CEH，共4個(gè)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)為報(bào)頭文(FFH 7EH)，第三字節(jié)為深度查詢報(bào)文的8位字節(jié)個(gè)數(shù)(04H)，第四個(gè)字節(jié)為深度查詢報(bào)文特征標(biāo)志字節(jié)。當(dāng)接收深度查詢報(bào)文有錯(cuò)誤時(shí)，回傳一個(gè)特性標(biāo)志字節(jié)AAH，當(dāng)上位機(jī)收到該特性標(biāo)志字節(jié)，重新發(fā)送深度查詢報(bào)文。

圖4　數(shù)字部分電路原理圖

當(dāng)深度測(cè)量組件收到正確的深度查詢報(bào)文后，立即回傳深度報(bào)文，回傳深度報(bào)文格式見(jiàn)表1。

4　結(jié)束語(yǔ)

該水深測(cè)量組件已完成0～6 m和0～50 m兩種量程樣品，現(xiàn)已通過(guò)計(jì)量部門的性能測(cè)試，以及相關(guān)常規(guī)環(huán)境試驗(yàn)，產(chǎn)品工作狀態(tài)良好。

目前，該產(chǎn)品處于初樣研制階段，為了使其更好地適用于實(shí)際的工作環(huán)境，在產(chǎn)品的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化。另外，結(jié)合未來(lái)水下裝備對(duì)深水區(qū)域工作的要求，還需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行量程擴(kuò)展，使其能夠應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐淑霞，孫?，|，梁峭，等．新型小型化水深測(cè)控組件研制．儀表技術(shù)與傳感器，2013(12)：153-154．

[2]PIC18F66K80數(shù)據(jù)手冊(cè)．

[3]匡石，周磊，梁峭，等．用于水下航行器水深測(cè)量組件的電路設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(12)：155-160．