基于北斗的水下上浮自動定位系統(tǒng)設(shè)計

張景卓，肖大為，姬　慶（.海軍工程大學(xué)理學(xué)院，武漢430033；.海軍工程大學(xué)兵器系，武漢430033）

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基于北斗的水下上浮自動定位系統(tǒng)設(shè)計

張景卓1，肖大為2，姬慶2
（1.海軍工程大學(xué)理學(xué)院，武漢430033；2.海軍工程大學(xué)兵器系，武漢430033）

摘要：針對水下測量設(shè)備上浮至水面后回收打撈時，難以準(zhǔn)確定位易漂走丟失的情況，設(shè)計了一種基于二代北斗系統(tǒng)的上浮自動定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低功耗的MSP430F149單片機作為控制核心，利用北斗衛(wèi)星的定位通信功能，將上浮后的測量系統(tǒng)位置信息發(fā)送給船載用戶終端，是一種可控、低功耗、體積小的裝置，可應(yīng)用于各類需回收的水下測量設(shè)備。

關(guān)鍵詞：定位北斗單片機

0　引言

利用水下設(shè)備進行水下探測一直是人類探測、認知水下環(huán)境的重要研究手段。尤其是隨著陸地資源過度開采利用，各國逐漸將目光聚焦在海洋中存在的大量油、氣及各種各樣的礦產(chǎn)資源。各國都在加大對海洋資源的探測力度，海洋探測如今已成為一個蓬勃發(fā)展的研究方向。水下探測設(shè)備作為水下探測系統(tǒng)中的重要部分，在完成水下勘探任務(wù)后，對水下設(shè)備進行回收再利用是一個不可避免的環(huán)節(jié)。但水下探測的環(huán)境往往比較惡劣，特別是當(dāng)風(fēng)浪、暗涌或水流存在時，水下設(shè)備的上浮后的位置會難以確定，造成回收費時費力甚至設(shè)備丟失。此時，設(shè)計一種水下上浮定位裝置對上浮后的水下設(shè)備進行準(zhǔn)確的定位就顯得尤為重要。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗（BEIDOU （Compass）Navigation Satellite System）是我國自主研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)，是繼美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其突出特點是衛(wèi)星數(shù)目少，用戶終端設(shè)備簡單，能夠滿足對服務(wù)區(qū)提供定位、導(dǎo)航、授時以及簡短報文通訊服務(wù)［1-3］。

本文針對水下測量設(shè)備上浮至水面后回收打撈時，難以準(zhǔn)確定位易漂走丟失的情況，設(shè)計了一種基于二代北斗系統(tǒng)的上浮自動定位系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)功能

基于北斗的上浮自動定位系統(tǒng)，簡稱自動定位系統(tǒng)，主要功能是與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)通訊，將所在水下設(shè)備平臺在水面的經(jīng)緯度位置信息發(fā)送給船載或者是其它平臺上的用戶終端，可以安裝在水下設(shè)備內(nèi)（天線部分需外露）或者外部，系統(tǒng)功能如圖1所示。系統(tǒng)通過水深控制工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)裝置由海底上浮至水面后，由水壓傳感器檢測到水壓的變化，系統(tǒng)從待機模式切換成工作模式。此時，裝置中的嵌入式北斗用戶機將與北斗衛(wèi)星通訊，請求定位，成功配對后進行定位并發(fā)送經(jīng)緯度信息給船載北斗終端，從而實現(xiàn)水下設(shè)備上浮后的定位，利于設(shè)備的回收，解決了需回收的水下設(shè)備在水下工作時還需另外用纜繩連接指示浮標(biāo)，且上浮后發(fā)現(xiàn)困難，易丟失的缺陷。

圖1　水下上浮自動定位系統(tǒng)功能圖

1.2系統(tǒng)組成

自動定位系統(tǒng)采用密封殼體，按功能模塊可以將系統(tǒng)分為：控制模塊、采集模塊、通信模塊、水壓傳感器模塊、嵌入式北斗模塊、天線模塊、電源模塊和時鐘模塊，組成框圖如圖2所示。

圖2　自動定位系統(tǒng)組成框圖

1）控制模塊，為系統(tǒng)的核心、控制所有的程序動作，包括工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換、采集水壓信號、北斗定位和通信?？刂颇K由430單片機、電壓轉(zhuǎn)換芯片組成：其功能為單片機發(fā)送控制指令、接收水壓傳感器模塊的采集的數(shù)據(jù)并進行分析，接收嵌入式北斗模塊的定位信息并解算經(jīng)緯度，發(fā)送經(jīng)緯度信息給船載北斗終端；電壓轉(zhuǎn)換芯片將電源模塊提供的電壓轉(zhuǎn)換為各個模塊提供所需電壓。

2）采集模塊采集水壓傳感器的數(shù)據(jù)，將水下設(shè)備的水下深度的變化量轉(zhuǎn)換成電壓值。

3）通信模塊由串口轉(zhuǎn)換芯片提供430單片機與嵌入式北斗模塊的通信協(xié)議，將單片機指令發(fā)送給嵌入式北斗模塊，并回傳北斗模塊接收到的北斗定位信息。

4）水壓傳感器模塊用于實時采集當(dāng)前的水壓。

5）嵌入式北斗模塊是自動定位系統(tǒng)的核心，其功能為與北斗衛(wèi)星進行定位和與船載北斗終端進行定位信息通信。

6）電源模塊為可充電二次鉛蓄電池，其功能是為系統(tǒng)提供所需的能源，根據(jù)控制模塊的電壓轉(zhuǎn)換芯片對各模塊的電源進行管理以節(jié)省功耗。

7）時鐘模塊包括高精度溫控晶振，其功能是為控制模塊提供高精度的時間脈沖，控制模塊通過計算脈沖數(shù)確定程序運行中斷。

2　硬件設(shè)計

2.1控制模塊

控制模塊接收電源信號供電，同時接收時鐘晶振的穩(wěn)定脈沖信號，對水壓模塊、采集模塊與通信模塊進行控制，調(diào)用北斗進行定位并發(fā)送信水下設(shè)備的經(jīng)緯度信息。

控制模塊接收水壓信號傳送過來的水壓采樣信息，判斷水下設(shè)備在水中的位置是否已經(jīng)上浮，判斷如果屬實，表明水下設(shè)備已經(jīng)上浮，則控制嵌入式北斗上電，再通過通信模塊與北斗衛(wèi)星進行通信，發(fā)送指令信息?？刂颇K采用MSP430F149單片機為主體，是一種具有超低功耗特性的功能強大的單片機，能保證在水下長時間工作，控制電路如圖3所示［4-6］。

如圖所示，P3.5引腳與P3.4引腳分別連接通信模塊進行信息傳輸，其中P3.5引腳讀入信息，P3.4引腳發(fā)出信息。P4.0引腳與蜂鳴器電路相連，用來控制蜂鳴器發(fā)出正常或者報警信號。蜂鳴器電路作用是當(dāng)北斗上電時，蜂鳴器響一聲；當(dāng)北斗自檢不正常時，則蜂鳴器長鳴，警示通知。蜂鳴器電路采用兩個阻值為100 Ω的電阻、兩個10 kΩ電阻、NPN型BJT管和一個無源蜂鳴器組成，電路如圖4所示。當(dāng)單片機按程序運行正常時，P4.0引腳會使發(fā)射極正偏，同時滿足集電極反偏，從而導(dǎo)通電路，使蜂鳴器鳴發(fā)聲［7，8］。

圖3　控制電路電路圖

圖4　蜂鳴器電路電路圖

2.2水壓傳感器模塊

水壓傳感器模塊的作用通過水壓傳感器進行水壓監(jiān)測，同時采用A/D進行水壓信號采集，判斷水下設(shè)備在水中的位置是否已經(jīng)上浮。一般認為當(dāng)水深從大于5m的狀態(tài)變化到小于5m時，認為水下設(shè)備已經(jīng)上浮至水面，水壓模塊將指令傳送到控制模塊進行定位申請。本文采用85 Constant Voltage不銹鋼壓力傳感器，它是一種微型傳感器裝置，實物如圖5所示。傳感器利用壓力傳感器里的硅油傳遞來自不銹鋼隔膜的壓力，其中的陶瓷基片包含Laser-trimmed電阻溫度補償和補償校正。還有一個額外的激光可調(diào)電阻用來調(diào)整外部差分放大器提供±1%的跨度可交換性［10］。

圖5　水壓傳感器實物圖

2.3電源模塊

單片機處理器MSP430的工作電源電壓為1.8～3.3V，通信轉(zhuǎn)換模塊工作電壓為3.3V，外部供電電源電壓為12V。因此需要選用LT1761穩(wěn)壓器芯片將電源電壓轉(zhuǎn)換為各元器件所需的正常工作電壓。AMS1117-3.3是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，額定輸出電壓為3.3V，具有1%的精度，其內(nèi)部集成過熱保護和限流電路。LT1761芯片共有5個引腳，其連接方式為引腳1輸入，引腳5輸出，引腳2接地，且輸入輸出端對地接濾波電容。為顯示電源狀態(tài)，在輸出端接入LED及分壓電阻，電源轉(zhuǎn)換電路如圖6所示［9］。

圖6　電源轉(zhuǎn)換電路

3　軟件設(shè)計

MSP430單片機使用IAR公司的集成環(huán)境IAR Embedded Workbench嵌入式工作平臺以及調(diào)試器C-SPY來編譯程序并利用該軟件可直接將程序通過單片機自帶的JTAG接口下載之單片機FLASH存儲器中，從而完成在線仿真、調(diào)試。

圖7　水下上浮自動定位裝置的工作流程

軟件的設(shè)計中的主程序開始為初始化，主要包括系統(tǒng)時鐘初始化、軟件時鐘初始化、串口接收設(shè)定初始化、A/D初始化，水下上浮自動定位裝置的工作流程如圖7所示。首先，系統(tǒng)上電后蜂鳴一聲，并給嵌入式北斗模塊上電，然后發(fā)送系統(tǒng)自檢命令給北斗衛(wèi)星，衛(wèi)星返回自檢信息，正常則系統(tǒng)給嵌入式北斗模塊掉電，進入待機模式；不正常則系統(tǒng)長蜂鳴3s，則需重新給系統(tǒng)上電。在待機模式下，檢測采集到的水壓信號，當(dāng)水壓從大于5m變化到小于5m時，則給嵌入式北斗模塊上電，切換到工作模式。重新發(fā)送系統(tǒng)自檢命令，判斷返回信息中的北斗衛(wèi)星個數(shù)，小于2個時則再次發(fā)送系統(tǒng)自檢命令，并再次判斷返回信息中的北斗衛(wèi)星個數(shù)，當(dāng)大于等于2個則進行下一步定位申請。發(fā)送定位申請，并檢測定位反饋，反饋異常則再次發(fā)送定位申請，反饋正常則進行定位信息解算。解算經(jīng)緯度定位信息，發(fā)送通信申請，反饋正常或異常都返回再次發(fā)送定位申請。

4　結(jié)論

本文基于二代北斗系統(tǒng)，利用了MSP430單片機的片內(nèi)外設(shè)資源，設(shè)計了一種水下上浮自動定位系統(tǒng)，可應(yīng)用于各類需回收的水下試驗設(shè)備。

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Design of an Automatic Positioning System Based on the Beidou System

Zhang Jingzhuo1，Xiao Dawei2，Jiqin1
（1.College of Science，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China； 2.Department of Weaponry Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Abstract:For the underwater measurement equipment，it is difficult to accurately position and easy floating away when it floats up to water surface.Aimed at the problem，an automatic positioning system based on the second generation of Beidou system is designed.The system adopts MSP430F149，a kind of low power MCU，as control core.With the positioning and communication function of Beidou satellite，the location information of the floating measurement system is sent to user terminal in the ship.As a kind of controllable，low power consumption and small volume device，the system is applicable to all kinds of recycling water measuring equipment.

Keywords:positioning； Beidou； MCU

中圖分類號：TP277

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0032-04

收稿日期：2016-01-26

作者簡介：張景卓（1984-），女，講師，主要研究方向：水聲信號處理。