適用于主動(dòng)拖線陣的高壓采集遠(yuǎn)程傳輸設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

廖 帆 朱代柱 郭浩泉

（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）

1 引言

隨著水聲技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)海洋科學(xué)研究和工程應(yīng)用不斷地向深海遠(yuǎn)?？焖侔l(fā)展，主動(dòng)拖線陣作為水下威脅目標(biāo)的主要探測(cè)、定位設(shè)備之一，越來(lái)越受到關(guān)注［1］。主動(dòng)拖線陣較傳統(tǒng)拖線陣而言，增加了大功率電源、發(fā)射機(jī)等模塊，工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，使用時(shí)通過(guò)近千米的電纜拖曳并供電，所有電子設(shè)備遠(yuǎn)離艦載平臺(tái)。為了保證主動(dòng)拖線陣工作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，需對(duì)其陣內(nèi)電源、發(fā)射機(jī)等高壓、大功率電子設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。此外，主動(dòng)拖線陣電子模塊均處在充滿輕萘油的PU護(hù)套內(nèi)且采取密封處理，工作狀態(tài)不易知曉，檢修不易。因此有必要增加自檢與監(jiān)測(cè)功能。該功能不僅有利于研發(fā)人員調(diào)試和維修，也有利于操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)。

本文針對(duì)項(xiàng)目實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一款適用于主動(dòng)拖線陣的高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊，該模塊采用Atmel公司的集成芯片作為微處理器，外圍電路包括供電電路、A/D采集調(diào)理電路、串口通信電路以及地址識(shí)別電路。

2 總體方案設(shè)計(jì)

主動(dòng)拖線陣由于電子模塊數(shù)量多，整體長(zhǎng)度較長(zhǎng)。工作時(shí)主動(dòng)發(fā)射脈沖信號(hào)，功率大，電壓電流均較高，造成拖纜及陣內(nèi)電壓壓降較大，為監(jiān)測(cè)主動(dòng)拖線陣不同部位的工作電壓，確保其穩(wěn)定可靠工作，需在陣內(nèi)不同部位設(shè)置多個(gè)高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊。

高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊的功能是實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)主動(dòng)拖線陣中高壓電源的工作電壓，并將采集的狀態(tài)值通過(guò)通信控制機(jī)反饋至顯控臺(tái)，以供監(jiān)控需要。

該模塊采用Atmel公司的ATmega128A作為微處理器，待采電壓值經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路以及線性光耦隔離后送至A/D采集通道，微處理器將采集的電壓進(jìn)行解碼，通過(guò)地址識(shí)別電路區(qū)分主動(dòng)拖線陣內(nèi)不同部位的工作電壓，最后將解碼補(bǔ)償后的電壓值傳輸至顯控臺(tái)，供操作人員知曉。

高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊組成框圖如圖1所示。

圖1 高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊組成框圖

3 高壓采集遠(yuǎn)程傳輸硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)

主動(dòng)拖線陣工作電壓較高，電壓范圍300-420VDC，無(wú)法直接送至微處理A/D采集端口。信號(hào)調(diào)理電路的作用是將待采高壓經(jīng)過(guò)分壓、運(yùn)放電壓跟隨、光耦隔離后轉(zhuǎn)換成A/D采集電壓。采用運(yùn)放電壓跟隨與光耦隔離是為了將待采集電壓的“地”與微處理器的“地”有效隔離，防止在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，干擾信號(hào)隨著電路中的地線傳輸至微處理芯片中，影響微處理器對(duì)A/D采集和串口通信。

光耦隔離電路采用AVAGO公司的HCNR201的隔離器，其工作時(shí)通過(guò)運(yùn)放N2A調(diào)節(jié)HCNR201光耦隔離器中LED的光強(qiáng)度與光電流IF，光耦內(nèi)部輸入側(cè)與輸出側(cè)的光敏二極管接收的LED產(chǎn)生的光強(qiáng)，從而產(chǎn)生光電流I1與I2。其中輸入側(cè)的光敏二極管用以監(jiān)測(cè)LED的光強(qiáng)，并使其保持穩(wěn)定。其典型工作模式如圖2所示。

圖2 線性光耦典型工作模式

圖2 中線性光耦的工作原理為

根據(jù)運(yùn)放“虛斷”的和光耦的工作原理可知，流過(guò)光耦輸入側(cè)光敏二極管的電流為I1，其計(jì)算公式如式（1）：

光耦內(nèi)部輸入側(cè)與輸出側(cè)光敏二極管產(chǎn)生的光電流I1與I2的關(guān)系如式（2）所示：

其中，K為線性光耦的光耦增益，其值為1±5%。

運(yùn)放N4A與R3形成跨阻放大器，將I2轉(zhuǎn)換成輸出電壓VOUT，其關(guān)系如式（3）所示：

由上式（1）、（2）、（3）可得調(diào)理電路輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系如式（4）所示：

可見(jiàn)，VOUT和VIN保持線性關(guān)系，并與LED的輸出光強(qiáng)無(wú)關(guān)，與光耦隔離器自身的光耦增益有關(guān)。

3.2 串口通信與地址識(shí)別設(shè)計(jì)

串口通信采用RS485串行總線方式，通過(guò)平衡發(fā)送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力。ADM2582E為單電源隔離型485芯片，輸出速率可達(dá)16Mbps，具備2500V隔離電壓、全/半雙工工作模式以及±15KV的ESD保護(hù)，串口總線最多可驅(qū)動(dòng)256個(gè)從機(jī)。為了有效抑制主動(dòng)拖線陣內(nèi)強(qiáng)電磁干擾的影響，本文設(shè)計(jì)的串口通信電路采用ADI公司完全隔離型的ADM2582E芯片作為串口收發(fā)器。其串口通信收發(fā)電路如圖3所示。

圖3 串口通信收發(fā)電路

主動(dòng)拖線陣長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，因此RS485串口傳輸總線也達(dá)數(shù)百米，為增加傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小傳輸串?dāng)_的影響，在傳輸模塊的串口輸出端增加了R39（120Ω）終端匹配電阻。

隔離型ADM2582E芯片雖然能有效抑制高共模電壓，但是在總線上仍會(huì)存在浪涌沖擊、電源線與485總線短路、雷擊等潛在危險(xiǎn)。為避免上述潛在危險(xiǎn)，在圖3中的串口通信收發(fā)電路設(shè)計(jì)時(shí)，A、B輸出線上增加了4Ω～10Ω的PTC電阻（R36、R37），防止沖擊電流過(guò)大燒毀串口收發(fā)芯片，此外，在A、B輸出線增加了TVS二極管（N7）進(jìn)行防護(hù)。

地址識(shí)別硬件電路采用撥碼開(kāi)關(guān)將多個(gè)高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊進(jìn)行編碼，軟件上進(jìn)行地址識(shí)別，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)主動(dòng)拖線陣不同部位的工作電壓。

3.3 供電設(shè)計(jì)

高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊采用主動(dòng)拖線陣內(nèi)48V直流供電，模塊內(nèi)部采用RI公司的RI-4805隔離型電源芯片將外部48V直流轉(zhuǎn)化成微處理器的供電電壓（5V）與A/D采集參考電壓（5V）。為降低外部干擾的影響，在信號(hào)調(diào)理電路中，通過(guò)RI-0505隔離型電源芯片（圖2中的N1）將光耦隔離器兩側(cè)的運(yùn)放的進(jìn)行隔離供電，以達(dá)到待采電壓與A/D采集電壓的有效隔離。

4 高壓采集遠(yuǎn)程傳輸軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

在主動(dòng)拖線陣內(nèi)，各電子模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用的是主從式結(jié)構(gòu)，即主機(jī)依次輪詢各從機(jī)，然后根據(jù)需要發(fā)送各從機(jī)數(shù)據(jù)。其工作原理是通過(guò)通信控制機(jī)（主機(jī)）下發(fā)指令，高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊（從機(jī)）接收指令后，根據(jù)地址匹配，依次上傳監(jiān)測(cè)信息。為了保證主機(jī)與從機(jī)之間數(shù)據(jù)有效地接收與發(fā)送，需要規(guī)定主機(jī)與從機(jī)之間的數(shù)據(jù)協(xié)議。表1、表2為高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)協(xié)議。

表1 接收數(shù)據(jù)協(xié)議（B=Byte）

表2 發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議（B=Byte）

校驗(yàn)算法采用循環(huán)冗余校驗(yàn)編碼（Cycle Redundancy Check，CRC）。CRC校驗(yàn)采用多項(xiàng)式編碼方式，發(fā)送方與接收方使用一個(gè)生成多項(xiàng)式k（x），且k（x）的首位和最后一位的系數(shù)必須為1。

CRC的處理方法是：發(fā)送方以k（x）去除t（x），得到余數(shù)作為CRC校驗(yàn)碼。校驗(yàn)時(shí)，以計(jì)算的校正結(jié)果是否為0來(lái)判斷數(shù)據(jù)幀是否出錯(cuò)。本文采用在數(shù)據(jù)的校驗(yàn)方法上采用CRC256校驗(yàn)，即將所有傳送字符的ASCII碼累加后除以255得到校驗(yàn)碼。

4.2 軟件處理流程設(shè)計(jì)

高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊串口通訊波特率設(shè)置為19200，數(shù)據(jù)8位，停止位1位，無(wú)校驗(yàn)位。其軟件處理流程主要包括：MCU狀態(tài)初始化、A/D轉(zhuǎn)換、接收地址匹配、串口通信和數(shù)據(jù)解碼與補(bǔ)償。其軟件處理流程如圖4所示。

在實(shí)際項(xiàng)目使用過(guò)程中，為了監(jiān)測(cè)主動(dòng)拖線陣工作時(shí)的工作電壓，高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊接收上位機(jī)發(fā)送的同步采集信號(hào)后，立馬采集當(dāng)前時(shí)刻的工作電壓，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的值存儲(chǔ)于A/D寄存器中，待上位機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令之后，采集傳輸模塊通過(guò)地址匹配，將匹配吻合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、補(bǔ)償后依次上傳至上位機(jī)。

圖4 軟件處理流程框圖

5 結(jié)語(yǔ)

高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊采用Atmel公司的AT-mega128A微控制器作為主控芯片，完成A/D采集與RS-485遠(yuǎn)程傳輸通信，不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，而且提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

信號(hào)調(diào)理電路將待采高壓經(jīng)運(yùn)放、光耦隔離轉(zhuǎn)化成A/D采集輸入電壓，有效地隔離了高壓串?dāng)_對(duì)主控電路的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

串口通信電路采用RS485串行總線工作模式，將多個(gè)高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊作為從機(jī)，可實(shí)時(shí)知曉水下主動(dòng)拖線陣中各部分高壓狀態(tài)。串口通信電路采用完全隔離型ADM2582E作為串口收發(fā)電路，可有效減小系統(tǒng)工作時(shí)的強(qiáng)電磁干擾，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。

本文設(shè)計(jì)的適用于主動(dòng)拖線陣的高壓采集遠(yuǎn)程傳輸模塊，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、整機(jī)湖上性能測(cè)試以及海上驗(yàn)證試驗(yàn)，其基本性能得到有效驗(yàn)證，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋準(zhǔn)確，該模塊通過(guò)軟件處理，對(duì)A/D采集結(jié)果進(jìn)行解碼補(bǔ)償，可實(shí)時(shí)反饋主動(dòng)拖線陣的各段處工作電壓，監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)；二是抗電磁干擾性好，該模塊采取了有效地隔離與抗電磁干擾手段使其誤碼率低，工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠。