一種自動潮位測量設(shè)備及其實(shí)現(xiàn)方法

蘇章亮

摘? 要：潮位測量設(shè)備也叫潮位儀，是液位測量設(shè)備中一種在特定場合使用的測量儀器。該設(shè)備可廣泛應(yīng)用于防洪液位檢測、水庫水位檢測、?？诔毕人粰z測。該文介紹了該設(shè)備設(shè)計(jì)方案，并從硬件和軟件2個(gè)方面對其基本組成框架進(jìn)行了分析，最后對其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了簡要說明。

關(guān)鍵詞：潮位儀;壓力;測量;傳感器

中圖分類號：P731? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 方案設(shè)計(jì)

該方案的基本原理是壓力傳感器利用水體壓強(qiáng)與水位深度成比例關(guān)系，來計(jì)算水面的深度。 而壓力傳感器的基本工作方式是利用硅油將壓力從不銹鋼、鈦或者鎳合金隔膜傳遞到感應(yīng)元件上，從而測量出表壓、絕壓或者差壓。該方案使用單片機(jī)系統(tǒng)讀取壓力傳感器的測量值，通過內(nèi)置程序或后處理的方式，對原始數(shù)據(jù)比例進(jìn)行轉(zhuǎn)換并存儲。

設(shè)備的整體方案框架主要由以下6個(gè)方面組成。1） 數(shù)字信號處理器，對采集到的信號進(jìn)行讀取、轉(zhuǎn)換、存儲以及傳輸。2）傳輸接口，用于把存儲的壓力值或其他設(shè)備信息傳輸?shù)絇C端。3）電源系統(tǒng)，給各個(gè)模塊供電，保證各個(gè)功能元件可靠穩(wěn)定運(yùn)行。4）壓力傳感器，用于把水體的壓力值轉(zhuǎn)換成可讀取的電信號[1]。5）精密ADC轉(zhuǎn)換器，把傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成可用于單片機(jī)讀取的數(shù)字信號。6）存儲芯片，用于把測量的信息存儲起來?；竟δ芸蚣苋鐖D1所示。

電源系統(tǒng)給整個(gè)系統(tǒng)元件供電，ADC轉(zhuǎn)換器采集到壓力傳感器的模擬量后，通過內(nèi)部復(fù)用器實(shí)現(xiàn)兩路差分輸入，經(jīng)過PGA對信號進(jìn)行放大。內(nèi)置的16 Bit ADC轉(zhuǎn)換，經(jīng)過數(shù)字濾波和數(shù)字接口傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)通過周期性讀取到數(shù)據(jù)后，存儲到存儲芯片上。在用戶需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，通過一個(gè)外圍RS-232接口連接到單片機(jī)，讀取存儲在芯片內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)。

潮位儀設(shè)備長期固定放置在水體下。由于其特殊的應(yīng)用場合和使用環(huán)境，因此必須保證設(shè)備的長時(shí)間穩(wěn)定工作，同時(shí)為滿足小型化設(shè)計(jì)，所有元件選型的原則是盡量選擇小尺寸的功能器件。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)

選擇STM32超低功耗：STM32Lx系列單片機(jī)，該單片機(jī)的待機(jī)模式功耗低至0.28 uA，低功耗運(yùn)行模式下為10.9 uA。主要功能和接口包括14通道ADC，2通道DAC，兩路I2C接口，兩路SPI接口，3路UART接口。Flash：64 K，EEPROM：4 K，RAM：32 K。豐富的接口資源和超低功耗，滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)需求。其工作電壓范圍為1.65 V～3.6 V，能夠適應(yīng)在單電池供電的環(huán)境下工作。工作溫度為-40 ℃～+105 ℃，保證在嚴(yán)苛的環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作。該次設(shè)計(jì)在資源分配上，通過SPI 1接口連接到存儲芯片，I2C 1接口連接ADC放大器，UART 1接口通過RS-232轉(zhuǎn)換芯片，連接到外接接口與PC端連接通信。

2.2 電源設(shè)計(jì)

整機(jī)設(shè)備要求在4～5年的超長時(shí)間內(nèi)無故障工作，對電源設(shè)計(jì)及整機(jī)功耗提出了嚴(yán)苛的要求。該次電源系統(tǒng)選用AA型非充電鋰電池供電，電池材質(zhì)為鋰-亞硫酰氯

（Li-SOCl2），該種電池具有高容量、高電流的輸出特點(diǎn)，適用于各種嚴(yán)苛的高低溫環(huán)境，以及高容量、高電壓的需求。電池標(biāo)稱電壓為3.6 V，超寬的工作溫度范圍-60 ℃～+85 ℃，滿足各種溫度使用環(huán)境。具備10年的超長有效期，確保設(shè)備在水底可以長時(shí)間測量而不會中斷。

整機(jī)通過一個(gè)DC/DC升降壓電源芯片穩(wěn)壓到3.3 V，給其他元件設(shè)備供電。穩(wěn)壓芯片采用TI生產(chǎn)的TPS63802芯片，體積僅有3 mm×2 mm。作為一個(gè)低功耗的系統(tǒng)，電源芯片的IQ值參數(shù)選擇尤為關(guān)鍵。該芯片的運(yùn)行靜態(tài)電流（IQ）僅11 uA，極大地減少了電源能量的損耗，并能在極小的負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)高效率工作。芯片具有省電模式和PWM模式，可在定義的閥值內(nèi)進(jìn)行模式切換，避免不必要的模式內(nèi)切換，以此減少輸出的電壓紋波。同時(shí)，在芯片的輸入和輸出端放置合適的高低容量偏置電容和旁路電容，減少電源的波動并消除高頻紋波。該芯片為可調(diào)輸出DC/DC，可通過FB管腳配置調(diào)整輸出電壓。典型工作電路如圖2所示。

單片機(jī)作為系統(tǒng)核心控制端，直接使用電池供電，避開DC/DC供電時(shí)產(chǎn)生的效率損失，并優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的電源輸出。在不需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，整機(jī)需要控制在最低的功耗水平下。單片機(jī)控制關(guān)斷外圍設(shè)備供電，并使自身進(jìn)入休眠狀態(tài)。通過設(shè)定的讀取周期時(shí)間，立刻喚醒設(shè)備采集讀取數(shù)值并進(jìn)行存儲。

2.3 傳感器設(shè)計(jì)

壓力傳感器采用86C系列型號。該類型傳感器使用316不銹鋼隔離膜傳導(dǎo)壓力，并真空封裝在316不銹鋼外殼內(nèi)，能夠適應(yīng)各種腐蝕性的測量液體。為滿足設(shè)備在超長時(shí)間內(nèi)測量的準(zhǔn)確性，壓力傳感器的性能必須保證具備低溫漂和自動補(bǔ)償功能。根據(jù)不同的測量范圍具有不同的補(bǔ)償范圍，選用量程≥0.1 MPa的壓力傳感器，在-20 ℃～+85 ℃工作范圍內(nèi)具備自動溫度補(bǔ)償技術(shù)。傳感器的陶瓷基板上包含一個(gè)激光修正電阻，可對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償和偏移修正。同時(shí)，基板上還另帶一個(gè)激光修正電阻，該電阻可調(diào)節(jié)外部差分電路放大器并提供1%的量程互換性。該溫度傳感器具備±0.1%Span/year的長期穩(wěn)定性和±0.1%Span/year的長期偏移性，可保證長時(shí)間內(nèi)的測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

該設(shè)備選用TI公司的ADS1xx系列模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，尺寸封裝僅有3 mm×3 mm。該芯片帶有可編程16位精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），集成了多種特性，能夠降低成本并減少小型傳感器應(yīng)用中的組件數(shù)量。該芯片具有輸入多路復(fù)用器（MUX），實(shí)現(xiàn)2個(gè)查分輸入或4個(gè)單端輸入，具備一個(gè)低噪聲可編程增益放大器（PGA），可對傳感器增益進(jìn)行放大采樣。設(shè)置采樣速率在20 SPS時(shí)，實(shí)現(xiàn)16位無噪聲分辨率，并提供50 Hz和60 Hz的抑制。該系統(tǒng)使用AIN0和AIN1作為連接傳感器的差分輸入端，配置AIN2為可編程電流源，并設(shè)置1 mA的電流輸出作為壓力傳感器的激勵(lì)電流源。

系統(tǒng)通過以上初始化后，對傳感器數(shù)值進(jìn)行讀取，在軟件內(nèi)部進(jìn)行壓力水深的比例轉(zhuǎn)換后，存儲到系統(tǒng)存儲器中。同時(shí)也可以直接存儲原始數(shù)據(jù)，保存到PC端進(jìn)行后處理[2]。

3 軟件驅(qū)動

設(shè)備通過配置單片機(jī)對各個(gè)功能模塊進(jìn)行配置和控制，同時(shí)單片機(jī)必須配置在低功耗模式下。具體的模式如下：在不需要處理數(shù)據(jù)的時(shí)候進(jìn)入休眠模式，在處理數(shù)據(jù)時(shí)運(yùn)行在10.9 uA的Low Power Run Mode模式，配置存儲芯片處于1 uA的Power Down模式下，配置ADC芯片運(yùn)行在睡眠模式下，僅在需要讀寫芯片的時(shí)候喚醒存儲芯片。

單片機(jī)通過I2C接口與ADC芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在軟件加載時(shí)，首先進(jìn)行I2C總線初始化，保證單片機(jī)芯片能夠正常和ADC芯片進(jìn)行通信。配置ADC芯片的多路復(fù)用器MUX實(shí)現(xiàn)查分輸入功能，配置可編程增益放大器的放大增益為128，并以20 SPS的采樣速率進(jìn)行采樣。

4 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

潮位儀設(shè)計(jì)成圓柱狀，壓力傳感器裝配在圓柱體的下方。整機(jī)裝配完成后即開始上電工作，系統(tǒng)對各個(gè)模塊進(jìn)行功能配置，并對傳感器和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化，讀取到空氣中的壓力值進(jìn)行差值匹配。測量時(shí)把設(shè)備通過纜繩（不銹鋼繩）投放于待測量的水體中，保持隔離膜平行于水面。設(shè)備一般在一個(gè)測量時(shí)間周期內(nèi)取出水面，通過一個(gè)防水的RS-232接口和PC端進(jìn)行通信，讀取存儲在設(shè)備中的壓力值，通過后處理軟件能夠查看到該時(shí)間段內(nèi)液位/潮位的變化趨勢和變化值。

潮位儀目前主要的應(yīng)用方向?yàn)楦鞣N海洋工程、航道工程、防汛工程、水庫測量工程。作為一種自動測量工具，代替了原始的人工測量工作，極大地提高了測量工作的效率、節(jié)約時(shí)間成本和人力資源成本。

參考文獻(xiàn)

[1]劉傳璽，袁照平，陳麗平.傳感器與檢測技術(shù)第二版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[2]吳建平.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.