水下拖曳體多源信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

李先鋒 ，李志華 ，鄭彥鵬 ，吳 偉 ，曾 信

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074;2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061;3.中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301)

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋環(huán)境監(jiān)測、工程建設(shè)、資源勘探等方面的開發(fā)和研究正蓬勃發(fā)展[1]。諸多海上作業(yè)均離不開水下探測，而水下拖曳體作為一種比較直接的探測工具載體，使用非常廣泛[2]。水下拖曳體平臺在工作時，需要實時采集自身的姿態(tài)信息、監(jiān)聽和處理各種外部通信信息等[3]。因此，完善的拖曳體平臺應(yīng)當(dāng)具有較強的多源信息監(jiān)控與處理能力。本文基于國家863計劃項目“海底熱液多金屬硫化物電阻率法探測關(guān)鍵技術(shù)”和國際合作項目“深海高密度電法探測系統(tǒng)研制”對水下拖曳體平臺監(jiān)控多源信息的需求設(shè)計了一套技術(shù)方案，并研制出了系統(tǒng)樣機。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

水下拖曳體是水下測量設(shè)備和多種傳感器的載體[4]，內(nèi)部集成多源信息監(jiān)控系統(tǒng)，是多種類型信息匯集與傳遞的中心。系統(tǒng)從傳感器組實時采集拖曳體的狀態(tài)參數(shù)和運動信息(拖曳體內(nèi)外溫度、剩余電量、姿態(tài)、深度與高程、距周邊障礙物距離等)，采集的數(shù)據(jù)通過通信電纜或水聲通信器傳輸給水面監(jiān)控PC上位機，實現(xiàn)對拖曳體姿態(tài)的準(zhǔn)實時監(jiān)控，同時系統(tǒng)接收PC上位機的通信命令，對拖曳體上搭載的電法測量儀器執(zhí)行參數(shù)設(shè)置、啟動測量等操作。

1.2 系統(tǒng)外部搭載設(shè)備

系統(tǒng)外部搭載的設(shè)備包括運動信息監(jiān)測的傳感器組、水聲通信器及電法測量儀等，如圖1所示。其中拖曳體內(nèi)部溫度傳感器用于監(jiān)測內(nèi)部發(fā)熱量較大的功率器件等位置的表面溫度，外部溫度傳感器測量周邊水體的溫度；深度傳感器通過測量拖曳體所處位置的水壓力，計算得到拖曳體距離海面的深度;高度傳感器通過聲波探測拖曳體距離水底的高度;避碰聲吶安裝在拖曳體側(cè)面，用于測量拖曳體距周邊障礙物的距離；三維羅盤實時監(jiān)測拖曳體的姿態(tài)，并與重力加速度計搭配測量拖曳體的行進(jìn)方向、加速度等全方位姿態(tài)與運動信息；水聲通信器用于水下無線通信，使拖曳體平臺與水面上位機保持信息與命令的傳遞[5]；電法測量儀[6]在信息監(jiān)控系統(tǒng)的支配下執(zhí)行工作參數(shù)修改、電法測量等任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

圖2 主控核心電路圖(單片機其余的I/O口未顯示出來)

系統(tǒng)的硬件包括單片機控制核心、設(shè)備電源管理、通信等模塊。單片機控制核心實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行、多源信息的數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)控；設(shè)備電源管理模塊為外部設(shè)備提供獨立的電源，并在單片機驅(qū)動下控制各設(shè)備正常開啟與關(guān)閉；通信管理模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)單片機控制核心與各搭載的設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信，并實時監(jiān)聽PC上位機發(fā)送的信息。

2.1 單片機控制核心

系統(tǒng)采用功能強大的MSP430單片機[7],它具備以下功能：(1)具有豐富的硬件資源，包括復(fù)位電路、看門狗、定時器等；(2)具備多個驅(qū)動能力強的I/O口，對大量外部搭載設(shè)備進(jìn)行上電操作；(3)支持有纜通信(RS-232/485)和無纜通信(水聲通信)，具有主動開啟工作(預(yù)設(shè)時間和預(yù)設(shè)水深觸發(fā)工作)、被動開啟工作(在PC上位機指令下啟動工作)等功能。進(jìn)入工作狀態(tài)后，水面PC上位機能對其執(zhí)行讀取測量結(jié)果、修改工作參數(shù)和工作模式等操作；(4)具有一定的穩(wěn)定性保障設(shè)計，可對各種故障與意外(通信故障、溫度過高、程序跑飛、電壓過低等)采取處理措施，并在與PC上位機意外斷開通信時，可獨立智能地控制測量工作正常的進(jìn)行。

系統(tǒng)采用MSP430單片機，搭配外部Flash存儲器、時鐘電路、復(fù)位電路等組成控制核心的硬件。單片機自帶的電壓測量模塊用于電池電壓的測量，實現(xiàn)對剩余電量的實時監(jiān)控；Flash存儲器用于保存采集的數(shù)據(jù)與參數(shù)變量；時鐘電路為系統(tǒng)提供時間信息及預(yù)設(shè)時刻的采集觸發(fā)中斷；復(fù)位電路用于單片機在出現(xiàn)意外故障時重啟系統(tǒng)?？刂坪诵闹饕娐啡鐖D2所示。

2.2 設(shè)備電源管理模塊

多源信息監(jiān)控需搭載多個設(shè)備，在系統(tǒng)中單片機控制設(shè)備電源管理模塊負(fù)責(zé)各設(shè)備的電源供給，包括電壓轉(zhuǎn)換和電源控制，如圖3所示。

電壓轉(zhuǎn)換部分通過多個不同型號的隔離型DC-DC電壓變換器把+24 V電池電壓轉(zhuǎn)換為+24 V、+12 V或+5 V，分別給水下各設(shè)備獨立供電。采用隔離型DC-DC電壓變換器[8]，可以提高系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

圖3 搭載設(shè)備管理模塊原理示意圖

電源控制部分采用光隔離型場效應(yīng)管作為多通道電子開關(guān)，每個通道的開關(guān)控制一路設(shè)備電源，單片機通過I/O口驅(qū)動控制開啟/關(guān)閉設(shè)備的電源。

系統(tǒng)以設(shè)備電源管理模塊為硬件基礎(chǔ),通過合理編寫單片機軟件，軟件按照預(yù)定的順序逐個操作設(shè)備，讀取完測量數(shù)據(jù)后立刻關(guān)閉該設(shè)備,避免干擾和測量紊亂。

2.3 通信模塊

通信模塊在硬件上包括帶光電隔離的RS-485通信器、ADSL轉(zhuǎn)換器、水聲通信器以及多個上電控制開關(guān)?？刂坪诵呐c搭載設(shè)備、電法儀之間采用隔離型RS-485通信，使通信兩端電氣隔離，提高系統(tǒng)抗干擾性與穩(wěn)定性；控制核心與PC上位機根據(jù)距離選用不同的通信方式：拖曳體位于淺水區(qū)時采用RS-485或水聲通信,位于深水區(qū)或拖曳距離較遠(yuǎn)時采用水聲通信或ADSL通信。

控制核心采用主從總線式通信結(jié)構(gòu)，通過RS-485總線與多個設(shè)備通信。當(dāng)需要與某個設(shè)備通信時，控制核心打開該設(shè)備的串口電源與之通信，其他設(shè)備的串口無效。每次總線上只有一個設(shè)備與控制核心通信，最大限度地節(jié)省串口資源并保證了通信的靈活性[9]。

3 系統(tǒng)軟件編程

系統(tǒng)軟件包括PC上位機軟件和單片機主控核心軟件。系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

3.1 PC上位機軟件

PC上位機軟件實時監(jiān)控拖曳體信息，實現(xiàn)的主要功能有：(1)通過通信口與單片機控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)交流、發(fā)送指令；(2)設(shè)置控制核心的工作方式；(3)設(shè)置、啟動電法儀進(jìn)入測量工作；(4)接收信息并處理存儲數(shù)據(jù)，以曲線形式顯示給用戶；(5)對ATM88x型號水聲通信器進(jìn)行相關(guān)設(shè)置等。

3.2 單片機主控核心軟件

單片機主控核心軟件包括自檢、參數(shù)設(shè)置、測量和數(shù)據(jù)通信等,系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后開始運行，初始化串口、定時器、I/O口、日歷時鐘等，進(jìn)入低功耗等待狀態(tài)，以減小電量消耗。當(dāng)定時器觸發(fā)信號或串口產(chǎn)生通信中斷時，系統(tǒng)退出低功耗模式，單片機對中斷信息進(jìn)行判別，選擇進(jìn)入系統(tǒng)自檢、開啟測量、參數(shù)設(shè)置。

圖5 主控核心主程序流程圖

啟動系統(tǒng)自檢程序后，主控核心測試拖曳體的所有硬件狀態(tài)，包括外部搭載設(shè)備的連接狀態(tài)、電池電量等。檢測完畢后，返回自檢的數(shù)據(jù)至PC上位機。

啟動開啟測量程序后，主控核心按預(yù)定順序開啟、讀取、關(guān)閉設(shè)備，將測量數(shù)據(jù)保存至Flash存儲器，并將數(shù)據(jù)持續(xù)或固定時間間隔上傳至PC上位機。

在PC上位機進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)控或電法測量前先啟動參數(shù)設(shè)置程序，包括啟動/結(jié)束測量時刻、上傳時間間隔、預(yù)警值設(shè)定、時鐘校準(zhǔn)、休眠等待時間等。主控核心修改完自身運行參數(shù)值后，將所有參數(shù)信息寫入Flash存儲器，下次系統(tǒng)重新工作時,將按照本次保存的參數(shù)自動運行。完成以上任一任務(wù)后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗等待中斷狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試

在上述設(shè)計方案基礎(chǔ)上研制了系統(tǒng)工作樣機，并在東營近海進(jìn)行了功能性測試和穩(wěn)定性測試。將拖曳體放入水中，通過船載電纜拖曳作業(yè)。在功能測試階段，PC上位機分別開啟有纜和無纜通信方式，命令主控核心完成自檢、參數(shù)設(shè)置、姿態(tài)信息測量、開啟電法儀工作、數(shù)據(jù)上傳等任務(wù)；在系統(tǒng)穩(wěn)定性測試階段，長時間監(jiān)測拖曳體的艙內(nèi)溫度和剩余電壓值等信息,同時保持電法儀的正常工作,并將測得的數(shù)據(jù)定時上傳至水面PC上位機。

測試從16時開始至17時20分結(jié)束,歷時 80 min，在此期間兩次開啟了電法測量,測試結(jié)果如圖6所示。圖6(a)顯示多源信息監(jiān)控系統(tǒng)采集接收倉的不同位置溫度的準(zhǔn)實時變化曲線。其中T1為DC-DC模塊處溫度，T2為6 V電池處溫度，T3為單片機處溫度,T4為24 V電池處溫度；圖6(b)圖為供電電池的電壓實時監(jiān)測曲線。圖6(c)為電法儀的測量數(shù)據(jù)曲線，系統(tǒng)在PC上位機的命令下開啟電法儀測量后，定時返回系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)。

圖6 多源信息監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)對各項命令反應(yīng)及時、狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無誤碼，實現(xiàn)了對PC上位機、拖曳體、電法儀等多源信息的實時監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計合理，硬件與軟件在水下運行穩(wěn)定，抗干擾能力強。

水下拖曳體多源信息監(jiān)控系統(tǒng)是深海電法探測設(shè)備的重要組成部分，本文設(shè)計的系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實時地監(jiān)測拖曳體的運動信息，并將信息及時發(fā)送到水面上位機；通過有纜或水聲無纜兩種通信方式，及時獲得PC上位機下傳的命令信息和拖曳體上傳的數(shù)據(jù)信息，并對信息進(jìn)行實時處理；可以對拖曳體上搭載的電法儀執(zhí)行參數(shù)設(shè)置、啟動測量、數(shù)據(jù)讀取等多種操作。海上試驗測試表明系統(tǒng)可靠性高,能夠很好地滿足拖曳體對多源信息的處理需求。同時，系統(tǒng)可以選擇搭載水下攝像采集器[10]或其他傳感器，滿足不同的水下作業(yè)需求，可為海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)查、海洋工程開發(fā)、水下考古、環(huán)境監(jiān)測等進(jìn)行信息采集服務(wù)，具有很強的拓展性。

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