深海垂直剖面潛標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣平 熊莉利

摘 要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32嵌入式系統(tǒng)的深海垂直剖面潛標(biāo)的控制系統(tǒng)，通過(guò)合理的功能分配、可靠的硬件設(shè)計(jì)和高效的軟件實(shí)現(xiàn)，使整個(gè)控制系統(tǒng)具有低功耗、高可靠的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)潛標(biāo)的自動(dòng)下潛、定點(diǎn)測(cè)量、應(yīng)急上浮等狀態(tài)控制，完成了對(duì)深海垂直剖面海洋要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：STM32；控制系統(tǒng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引言

對(duì)于深遠(yuǎn)海區(qū)的海洋監(jiān)測(cè)而言，獲取溫、鹽、深和海流等動(dòng)力參數(shù)是開(kāi)展海洋開(kāi)發(fā)研究與軍事海洋學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源調(diào)查中，經(jīng)常需要對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期、定點(diǎn)、實(shí)時(shí)、立體監(jiān)測(cè)，進(jìn)行海洋水體中不同剖面參數(shù)（如溫度、鹽度、流速和光學(xué)特性量）的測(cè)量，并具備在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的全天候長(zhǎng)期連續(xù)定點(diǎn)觀測(cè)的能力。傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)，需要建立海洋觀測(cè)站，或通過(guò)海洋調(diào)查船來(lái)投放并保證運(yùn)行，需要大量的人力、物力和財(cái)力。而傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測(cè)潛標(biāo)，通常只能采用多個(gè)傳感器在離散的幾個(gè)層次上采樣，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)剖面觀測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)的成本高，回收難度較大。

深海垂直剖面潛標(biāo)是一種具備自動(dòng)升降功能的新型海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用浮力調(diào)節(jié)方式控制平臺(tái)升降，可沿系留鋼纜任意移動(dòng)、進(jìn)行剖面溫度、鹽度、海流數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)、循環(huán)采集，可根據(jù)需求搭載溫、鹽、深、海流等多種傳感器，同時(shí)可通過(guò)擴(kuò)展接口，利用水聲通訊機(jī)、衛(wèi)星通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。這種新型潛標(biāo)突破了傳統(tǒng)潛標(biāo)使用的溫鹽鏈，用單一平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)全通道的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)大深度（1500m）、長(zhǎng)時(shí)間（不少于1年）、多剖面（200個(gè)剖面）的觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，大大降低了潛標(biāo)觀測(cè)的使用成本，是一種高效、全天候的無(wú)人值守海洋環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)。深海垂直剖面潛標(biāo)系統(tǒng)為區(qū)域性海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供一種高效、經(jīng)濟(jì)、安全、隱蔽的測(cè)量方法，在我國(guó)海洋學(xué)研究、軍事海洋學(xué)研究、海洋工程建設(shè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，大大提高我國(guó)的海洋觀測(cè)能力。

1 系統(tǒng)組成

在深海垂直剖面潛標(biāo)系統(tǒng)中，升降平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的“中樞”，為了進(jìn)行大深度、長(zhǎng)時(shí)間、多剖面的海洋數(shù)據(jù)觀測(cè)，以及大容量的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定和低功耗的工作。升降平臺(tái)上主要的功能組件有：綜合控制系統(tǒng)、浮力調(diào)節(jié)裝置、剎車機(jī)構(gòu)、水聲通訊機(jī)、預(yù)置器、水文測(cè)量?jī)x器、深度傳感器、SD存儲(chǔ)器等，以及為整個(gè)平臺(tái)提供能源的電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 綜合控制系統(tǒng)功能

根據(jù)升降平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，潛標(biāo)綜合控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下：

（1）根據(jù)預(yù)置器預(yù)置的工作參數(shù)，進(jìn)入相應(yīng)的工作流程；

（2）根據(jù)深度傳感器數(shù)據(jù)來(lái)判斷所處的海區(qū)深度，作為切換潛標(biāo)升降模式切換、調(diào)節(jié)浮力和調(diào)整潛標(biāo)在垂直剖面上運(yùn)行速度的依據(jù)；

（3）控制浮力調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電磁閥通斷來(lái)調(diào)整整個(gè)潛標(biāo)系統(tǒng)的浮力配置，實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)升降模式和速度調(diào)節(jié)；

（4）控制剎車機(jī)構(gòu)，使?jié)摌?biāo)懸停在指定的剖面；

（5）設(shè)置和使用水文測(cè)量?jī)x器，接收并存儲(chǔ)測(cè)量?jī)x器采集到的海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

（6）與SD存儲(chǔ)器進(jìn)行大容量的數(shù)據(jù)交換；

（7）通過(guò)與水聲通訊機(jī)數(shù)據(jù)交換，將海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和潛標(biāo)工作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鞲◇w，再通過(guò)衛(wèi)星終端轉(zhuǎn)發(fā)至岸站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)綜合控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，按其所需的硬件電路功能劃分，包括嵌入式芯片電路、通信電路和驅(qū)動(dòng)電路。

嵌入式芯片電路是整個(gè)綜合控制系統(tǒng)的中樞，選用的是應(yīng)用較為成熟的STM公司的STM32F107嵌入式芯片，該型擁有5個(gè)可編程USART和2個(gè)16通道12位的AD轉(zhuǎn)換器，自帶SPI、CAN等總線接口，并支持在線編程和調(diào)試，為綜合控制系統(tǒng)外圍電路提供了充足的硬件資源，加上其高性能、低功耗的特性，完全滿足綜合控制系統(tǒng)的使用需求。

驅(qū)動(dòng)電路包括“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”和“控制驅(qū)動(dòng)”兩個(gè)部分。“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”電路部分的功能是對(duì)潛標(biāo)浮力調(diào)節(jié)裝置和剎車機(jī)構(gòu)所使用到的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為降低綜合控制電路的復(fù)雜程度、確保電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性，該部分根據(jù)電機(jī)的功能特性，選用了瑞士MAXON公司成熟的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成模塊方案——“EPOSE2 70/10”電機(jī)智能位置控制單元，該型電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在其額定功率下可驅(qū)動(dòng)多種DC和EC電機(jī)，能可靠實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)字式“位置、速度、電流/轉(zhuǎn)矩”控制，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)理想的選擇。

4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

綜合控制系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，編譯環(huán)境為KEIL UVISION 4，在軟件實(shí)現(xiàn)方面，因?yàn)榛赟TM32的嵌入式芯片是面向應(yīng)用層的成熟芯片，具有功能齊全的庫(kù)函數(shù)，因此在USART通信、AD轉(zhuǎn)換、SPI等軟件接口均可直接調(diào)用庫(kù)函數(shù)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的配置就可實(shí)現(xiàn)軟件功能，在SD存儲(chǔ)等可通過(guò)“IFAT”函數(shù)移植，同時(shí)，可以通過(guò)移植“uC/OS2”等嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步提高軟件效率。

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，綜合控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間多個(gè)剖面的工作，工作水深200到1700米，滿足潛標(biāo)平臺(tái)工作水深指標(biāo)，在綜合控制系統(tǒng)的作用下，浮力調(diào)節(jié)裝置、剎車機(jī)構(gòu)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及水聲通訊機(jī)、水文測(cè)量?jī)x器等設(shè)備工作正常、可靠，未出現(xiàn)故障，整個(gè)潛標(biāo)系統(tǒng)按既定流程垂直上浮、下潛，同時(shí)進(jìn)行有效的水文數(shù)據(jù)采集和水聲通訊傳輸，可有效進(jìn)行海洋監(jiān)測(cè)，滿足深海垂直剖面潛標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)海洋科研的發(fā)展，我國(guó)海洋科研對(duì)往復(fù)式溫鹽流剖面儀的需求將不斷增長(zhǎng)，不僅僅在的近海和大洋觀測(cè)，還將在海洋、氣象、氣候、海軍、石油、航運(yùn)等行業(yè)發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉素花，龔德俊，等.基于單片機(jī)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)[J].海洋科學(xué).2009.（8）：67-71.

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