激光驗(yàn)潮儀的研制及數(shù)據(jù)算法

楊習(xí)成，邊志剛，肖鴻飛

（天津海事測(cè)繪中心，天津 300222）

激光驗(yàn)潮儀的研制及數(shù)據(jù)算法

楊習(xí)成，邊志剛，肖鴻飛

（天津海事測(cè)繪中心，天津 300222）

基于單片機(jī)技術(shù)，通過解釋、分析液位傳感器的工作原理和激光傳感器的測(cè)距原理，通過自主設(shè)計(jì)的激光傳感器和相關(guān)設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的精確計(jì)算，提出合理的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和軟件編寫，研制一種新型的驗(yàn)潮儀。

激光測(cè)距傳感器；數(shù)字濾波技術(shù)；海水潮位

引 言

目前，潮位數(shù)據(jù)的采集主要是依托分布在沿海各主要港口和島礁上的驗(yàn)潮站所配置驗(yàn)潮儀實(shí)現(xiàn)的，將采集數(shù)據(jù)定時(shí)按要求通過通訊網(wǎng)絡(luò)回傳到后方監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，登錄水文管理軟件即可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)施整合、管理、開發(fā)和利用。尋找一種新型的傳感器配合研發(fā)的采集設(shè)備組成的驗(yàn)潮儀，對(duì)采集的數(shù)據(jù)定義新的算法，從而得到精確潮位。設(shè)計(jì)的傳感器便于收放，潮位數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、精確度高，是該驗(yàn)潮儀研發(fā)的主要特點(diǎn)。

1 常規(guī)液位傳感器

當(dāng)下被廣為使用的的液位傳感器主要有壓力式、浮子式、超聲波式和雷達(dá)式。

1.1 壓力傳感器

其原理是將傳感器置于液體中，通過傳感器測(cè)得液體漲落變化所產(chǎn)生的壓力變化得到液位的數(shù)值變化，此種傳感器安裝較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是傳感器的金屬壓力感應(yīng)片會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生“疲勞”造成采集精度下降。

1.2 浮子傳感器

傳感器的浮子漂浮在液面上，通過鋼絲連接到轉(zhuǎn)盤，浮子隨液面的上下變化帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)變化，從而得到液位變化狀態(tài)，浮子傳感器安裝較復(fù)雜，長(zhǎng)期使用會(huì)因鋼絲與轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生細(xì)小滑動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量精度下降。

1.3 超聲波傳感器

通過安裝在液面上方的傳感器發(fā)射超聲波，該波投射到液面反射后被接收，得到傳感器與液面之間的距離，超聲波是20 K以上的超聲頻率（通常是40 K），它的測(cè)距公式是S=VT/2（S是傳感器到液面的距離、V是聲速：340 m/s、T為時(shí)間）。由于超聲波在空氣中傳播衰減較大，測(cè)距受限通常在3 m左右，不太滿足海水潮差的變化，海水潮位檢測(cè)基本不適用。

1.4 雷達(dá)測(cè)距傳感器

其采集數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)公式是S=CT/2（C為光速，即電磁波的傳播速度），雷達(dá)波發(fā)射時(shí)有一定發(fā)射角度，通常為3°，缺點(diǎn)是監(jiān)測(cè)較長(zhǎng)距離時(shí)精度會(huì)有所下降，優(yōu)點(diǎn)是傳感器的安裝較為便捷。

2 激光傳感器工作原理

激光發(fā)射頻率高于雷達(dá)的發(fā)射頻率，其傳播基本沒有散射，如若應(yīng)用到海水潮位監(jiān)測(cè)，所需的驗(yàn)潮井直徑可以做到非常小，這對(duì)海水的涌浪干擾又極好濾除作用。激光測(cè)距傳感器原理是由一組激光發(fā)射和接收頭組成，由發(fā)射頭發(fā)射一組已編碼調(diào)制的激光束，投射到被測(cè)物反射后由接收頭接收，譯碼處理后得到被測(cè)物的距離，從而完成整個(gè)測(cè)距過程。它具有設(shè)備小巧，安裝方便，采集精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，長(zhǎng)期使用維護(hù)工作少等優(yōu)點(diǎn)。

3 激光驗(yàn)潮儀特點(diǎn)

激光驗(yàn)潮儀是取激光測(cè)距傳感器的優(yōu)點(diǎn)而研制的一種新型的驗(yàn)潮設(shè)備，它通過編輯數(shù)據(jù)算法對(duì)所采數(shù)據(jù)處理，得到準(zhǔn)確的潮位數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)是將所有的硬件電路安裝在一密封的機(jī)箱內(nèi)，通過密封的航空插頭連接到驗(yàn)潮井上端的激光傳感器上。這樣既克服了鹽霧腐蝕，又提高了設(shè)備的可靠性。

4 硬件組成和工作原理

4.1 硬件組成

圖1 設(shè)備總體

4.2 主控制器

主控制器CPU采用STC89C52RC完成，它是51系列單片機(jī)的改進(jìn)型，具有工作穩(wěn)定可靠，有很強(qiáng)抗電磁干擾性，通過串口實(shí)現(xiàn)軟件下載，便于軟件更新，內(nèi)置看門狗電路（Watch Dog）便于CPU的管理。

4.3 時(shí)鐘控制器

時(shí)鐘控制器采用DS12C887芯片，它是美國(guó)達(dá)拉斯芯片公司近期專為8位CPU接口設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，有內(nèi)置電池，在斷電的情況下，內(nèi)置時(shí)鐘繼續(xù)行走，再次通電無需進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置，十二和二十四小時(shí)制式任意轉(zhuǎn)換，該片另有113字節(jié)片內(nèi)RAM可供CPU使用，增大了設(shè)備隨機(jī)存儲(chǔ)器的空間。

4.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是用來存放過去五十天內(nèi)的潮位數(shù)據(jù)，由于設(shè)備常在無人值守狀態(tài)下工作，一旦因數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)或通訊機(jī)（DTU）故障，所采集的潮位數(shù)據(jù)無法正?；貍鞯奖O(jiān)控中心，則管理人員有充足時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。通常潮位站水域的最大潮差一般不超過20 m（19.999 m）情形，將該數(shù)據(jù)壓縮用HEX（十六進(jìn)制）表示是0X1E1F，即兩字節(jié) HEX即可表示一次潮位數(shù)據(jù)，這樣每5 min采集一次潮位，一天需要采集288（24×60/5）次，50天共需要28 800字節(jié)（288×2×50）的存儲(chǔ)空間，選用32 K的RAM即可滿足要求，存儲(chǔ)的是當(dāng)今向前50天的潮位數(shù)據(jù)。當(dāng)前的RAM芯片主要有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩種，兩種RAM與CPU的連接基本相同，靜態(tài)RAM在斷電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失但芯片讀寫次數(shù)受限，驗(yàn)潮儀的一年的數(shù)據(jù)采集次數(shù)要10多萬次（288×365），即10多萬次的芯片讀寫，如果采用靜態(tài)RAM作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，不到一年就得更換RAM芯片，動(dòng)態(tài)RAM芯片優(yōu)勢(shì)在于沒有讀寫次數(shù)限制，但需要配備存儲(chǔ)電源以保持動(dòng)態(tài)RAM的數(shù)據(jù)斷電時(shí)不丟失，一個(gè)3 V紐扣電池和一個(gè)隔離二極管即可實(shí)現(xiàn)。

4.5 串口電路

串口電路由 CH440和 MAX232芯片組成，CH440實(shí)際是一個(gè)可控制多路電子開關(guān)芯片，CPU控制它完成兩路的串口輸入輸出，一路串口連接激光傳感器，另一路連接DTU用于數(shù)據(jù)的傳輸。另外還并聯(lián)一路串口可用于管理人員到現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)據(jù)的下載，MAX232芯片完成串口電瓶轉(zhuǎn)換，即將CPU的TTL串口電瓶轉(zhuǎn)換成232串口電瓶。

4.6 主電源板

主電源板是為整個(gè)設(shè)備提供所需穩(wěn)定的直流電壓，它由橋電路和保護(hù)二極管SA24CA以及開關(guān)穩(wěn)壓芯片 K7805-2000和相應(yīng)電容組成，橋電路的作用是防止直流電接入時(shí)正負(fù)極接反造成設(shè)備的損壞，保護(hù)二極管是防止電源干擾。由于設(shè)備常在無人值守狀態(tài)下運(yùn)行，能耗是關(guān)鍵，采用開關(guān)電源芯片K7805是為了提高電源的利用效率。同時(shí)考慮到采用電瓶供電，這里加裝了電源電壓檢測(cè)電路，由LM311芯片完成，當(dāng)電瓶電壓低于10.8 V時(shí)向CPU報(bào)警。

4.7 鍵盤和顯示器

用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和數(shù)據(jù)顯示，鍵盤主要用于對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置，顯示器顯示時(shí)鐘和潮位數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)算法

5.1 數(shù)字濾波技術(shù)

1）程序判斷濾波法

方法是通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定兩次采樣允許的最大偏差值△X，若先后兩次采樣的數(shù)據(jù)相減值大于△X，表明是干擾數(shù)據(jù)，舍去，將上次采樣數(shù)據(jù)作為本次采樣數(shù)據(jù)，若小于或等于△X，則確定是本次采集的數(shù)據(jù)。

2）中值濾波法

中值濾波法是連續(xù)采集3個(gè)數(shù)據(jù)，從中選擇一個(gè)中間值作為正確的采集數(shù)據(jù)。

3）滑動(dòng)平均值濾波法

該濾波方法是將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)排隊(duì)，每次數(shù)據(jù)采集時(shí)先去掉隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，再將新采的數(shù)據(jù)放到隊(duì)尾，再計(jì)算它們的平均值。

4）防脈沖干擾平均值濾波法

此種濾波法是一次采集N組數(shù)據(jù)，去掉數(shù)據(jù)中最大的和最小的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其余N-2個(gè)數(shù)據(jù)作平均值處理。

5.2 潮位數(shù)據(jù)采集

海面是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的曲面，對(duì)海水海浪、涌浪有效濾除方式是決定潮位數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵，多數(shù)驗(yàn)潮站的驗(yàn)潮井筒都有對(duì)海浪的有效慮除作用，但對(duì)涌浪的干擾消除不明顯，涌浪通常是較快的上下起伏變化，這對(duì)潮位的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性影響較大，對(duì)此引入了數(shù)據(jù)算法技術(shù)用于抗涌浪的干擾，這樣可大大提高潮位數(shù)據(jù)采集的精確性，研發(fā)的激光驗(yàn)潮儀的數(shù)據(jù)算法就是基于涌浪干擾的實(shí)際特征，經(jīng)反復(fù)測(cè)試最終選用防脈沖干擾平均值濾波技術(shù)有效提升數(shù)據(jù)采集精度。

5.3 潮位數(shù)據(jù)采集流程

潮位數(shù)據(jù)采集流程如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集軟件流程

5.4 數(shù)字濾波器的部分C語言片段

1）數(shù)據(jù)采集

6 軟件流程圖

圖3 軟件流程

從流程圖可以看出整個(gè)程序包括3部分，即主程序、時(shí)鐘中斷子程序和鍵盤中斷子程序。時(shí)鐘控制器每一秒鐘申請(qǐng)一次中斷。

7 數(shù)據(jù)傳輸格式

第一行是ID碼和PC機(jī)當(dāng)時(shí)的時(shí)間，下一行的Data是驗(yàn)潮儀回傳的數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)時(shí)間上稍有不同是因?yàn)镻C機(jī)的時(shí)間和驗(yàn)潮儀的時(shí)鐘稍有不同造成的。

AA開頭碼06140855表示6月14日8時(shí)55分，0006050001表示當(dāng)前潮位是06.501 m，CC結(jié)束碼而且電瓶電壓正常，如果電壓低于 10.8V，CC為33。

為評(píng)估該激光驗(yàn)潮儀采集潮位數(shù)據(jù)的可靠性，在某標(biāo)準(zhǔn)水文站安裝一套激光驗(yàn)潮儀和浮子式驗(yàn)潮儀。該型浮子式驗(yàn)潮儀測(cè)量范圍0～1 000cm，準(zhǔn)確度±1cm，分辨率1 mm，滿足水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范（JTS 131-2012）中關(guān)于水位觀測(cè)的相關(guān)要求。故在測(cè)試激光驗(yàn)潮儀采集數(shù)據(jù)質(zhì)量時(shí)，以浮子式驗(yàn)潮儀采集的數(shù)據(jù)作為參照標(biāo)準(zhǔn)。將上述兩種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如表1所示。

表1 激光驗(yàn)潮儀與浮子式驗(yàn)潮儀采集數(shù)據(jù)比對(duì)

由比對(duì)結(jié)果看，誤差符合正態(tài)分布，說明該套激光驗(yàn)潮儀的穩(wěn)定性較高，采集的潮位數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

8 結(jié) 語

激光驗(yàn)潮儀的最大特點(diǎn)是，通過尋找出一種新的潮位采集器即激光傳感器，根據(jù)激光傳感器的工作特點(diǎn)和海面特性，確定合適的數(shù)據(jù)算法以獲得準(zhǔn)確的潮位數(shù)據(jù)，具有設(shè)備安裝簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)單。該驗(yàn)潮儀2015年3月已獲由國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實(shí)用新型證書（專利號(hào)：ZL 2014 2 0544239.0），其驗(yàn)潮方法2016年7月已獲由國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的發(fā)明證書（專利號(hào)：ZL 2014 1 0484927.7）。通過測(cè)試，該設(shè)備潮位數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)回傳到監(jiān)控中心迅速，完全滿足驗(yàn)潮站的潮位采集要求。

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Development and Data Algorithm of Laser Tide Gauge

Yang Xicheng,Bian Zhigang,Xiao Hongfei
(Tianjin Hydrographic Center,Tianjin 300222,China)

Based on single-chip technique,by analyzing the operational principle of liquid level sensor and the ranging principle of laser sensor,the self-designed laser sensor and design software are used to achieve the accurate calculation of the collected data,put forward reasonable hardware structures and software programs,and develop a new type of tide gauge.

laser range sensor; digit-filtering technique; tidal level

P716+.23

：A

：1004-9592（2016）06-0107-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160627

2016-08-12

楊習(xí)成（1959-），男，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備研發(fā)工作。