一種海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

李偉+李欣

摘 要： 為了有效地解決海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域傳感器搭載集成以及擴(kuò)展問題，設(shè)計(jì)了一種海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器。獨(dú)立的CAN與電控模塊將傳感器電源管理與數(shù)據(jù)采集控制集成在一起，采用獨(dú)立模塊化管理，在可擴(kuò)展性、穩(wěn)定可靠性等方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，與目前海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域常用的傳感器相比較，該數(shù)據(jù)采集器可靈活搭載常見標(biāo)準(zhǔn)接口的傳感器，對(duì)傳感器接口兼容性更好，并且傳感器搭載不再受數(shù)量限制，可廣泛應(yīng)用于濱海觀測(cè)站、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、海底觀測(cè)平臺(tái)、海底觀測(cè)鏈等系統(tǒng)建設(shè)中。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集器； 海洋監(jiān)測(cè)； 擴(kuò)展集成； 傳感器接口

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）01?0061?02

Abstract： In order to solve the problems of sensor carry integration and expansion in marine monitoring field effectively， a marine monitoring data collector was designed. The independent CAN and electrical control nodule are used to integrate the sensor power management and data collection control together. The independent modular management has certain technical advanta?ges in the aspects of scalability， stability and reliability. In comparison with the sensor commonly?used in the marine monitoring field， the data collector can carry the sensor with common standard interface， has good compatibility with sensor interface， is no longer limited by the carry quantity of sensors， and can be widely used in the system construction of coastal observation station， buoy monitoring system， seafloor observation platform and seafloor observation chain.

Keywords： data collector； marine monitoring； expansion and integration； sensor interface

0 引 言

21世紀(jì)，對(duì)海洋資源的探測(cè)與開發(fā)利用已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)革命的前沿領(lǐng)域，是國(guó)家安全、環(huán)境保護(hù)、資源開發(fā)和災(zāi)害預(yù)警不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)和信息獲取手段，為國(guó)家的發(fā)展提供了新的背景，越來越多的國(guó)家將其列為重要課題[1?2]。

隨著當(dāng)前海洋研究的深入和研究范圍的擴(kuò)大，海洋探測(cè)技術(shù)也在不斷的發(fā)展與改進(jìn)，從傳統(tǒng)的調(diào)查船舶到如今先進(jìn)的衛(wèi)星遙感、水下自主導(dǎo)航、海底原位觀測(cè)等。基于以上背景，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器，相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器，系統(tǒng)整體集成度更高、獨(dú)立性更強(qiáng)、配置更加靈活方便。

1 整體設(shè)計(jì)

海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器集傳感器供電與管理于一體，兼容數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量、脈沖量、頻率量等接口傳感器，可以廣泛地應(yīng)用在各種海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)中，能夠滿足在線觀測(cè)與自容監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)需要[3]。在擴(kuò)展集成時(shí)，僅需增加或裁減相應(yīng)的CAN與電控模塊和進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件配置即可完成，方便靈活。采集器的整體框圖如圖1所示。

海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器主要由供電模塊、控制模塊、CAN與電控模塊三部分組成。供電模塊負(fù)責(zé)為控制模塊與CAN模塊提供電源；控制模塊與CAN模塊通過現(xiàn)場(chǎng)CAN總線通信，負(fù)責(zé)CAN模塊管理和控制；CAN與電控模塊兼容不同接口標(biāo)準(zhǔn)類型的傳感器，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)傳輸與電源管理。

2 供電模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際的需求，當(dāng)應(yīng)用在線觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器主要通過外接海底電纜進(jìn)行中高壓能源供給；當(dāng)應(yīng)用在自容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，主要通過外接電池組進(jìn)行低壓能源供給。其中涉及到中高壓部分的電壓轉(zhuǎn)換，選擇通用外部電壓輸入48 V。

供電模塊主要負(fù)責(zé)為控制模塊、CAN與電控模塊提供能源。通常外部電壓輸入為48 V，可采用48 V/5 V DC/DC轉(zhuǎn)換器、48 V/24 V DC/DC轉(zhuǎn)換器為控制模塊供電；采用并聯(lián)48 V輸出為CAN與電控模塊供電。

3 CAN與電控模塊

CAN與電控模塊是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，主要負(fù)責(zé)傳感器電源管理與數(shù)據(jù)傳輸[4]。CAN模塊作為模塊化傳感器搭載平臺(tái)，能夠兼容不同接口類型的傳感器，實(shí)際上是通過單片機(jī)軟硬件共同完成接口協(xié)議轉(zhuǎn)換，將不同接口轉(zhuǎn)換成CAN接口，比如RS 232轉(zhuǎn)CAN，RS 485轉(zhuǎn)CAN，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)CAN，開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)CAN，脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)CAN等。

單片機(jī)外圍硬件電路負(fù)責(zé)接收處理搭載傳感器的數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)等；單片機(jī)軟件應(yīng)用層解析組裝CAN數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至控制模塊。在進(jìn)行傳感器擴(kuò)展集成時(shí)，僅需根據(jù)接口類型完成硬件物理連線，并配套相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件即可。

如圖2所示，針對(duì)搭載儀器獨(dú)立設(shè)計(jì)的CAN與電控模塊，通過CAN總線與控制模塊通信，通過信號(hào)線與動(dòng)力線等兼容接口與掛載傳感器通信。硬件電路主要包括CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換與電源控制兩部分，由可以擴(kuò)展的CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和適應(yīng)于不同傳感器供電電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。軟件程序負(fù)責(zé)將RS 232，RS 485等接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

相比于主控模塊，CAN與電控模塊主要承擔(dān)CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換與電源管理，資源消耗少，任務(wù)簡(jiǎn)單，采用8位單片機(jī)即可。這里選用高性能、低功耗的AVR 8位微處理器AT90CAN128， 內(nèi)置128 KB的可重編程FLASH，4 KB的E2PROM，4 KB的內(nèi)部SRAM，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要[5?8]。

4 控制模塊

控制模塊通過現(xiàn)場(chǎng)CAN總線和CAN與電控模塊通信，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集控制與電源管理控制。承擔(dān)傳感器數(shù)據(jù)解析處理是整個(gè)數(shù)據(jù)采集器的控制核心部分，也是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。為了保證穩(wěn)定可靠性，主要由雙冗余的主控制模塊與從控制模塊組成。在硬件設(shè)計(jì)上，采用核心板加底板方案：核心板選用QY?9263K，搭載處理器ATMEL AT91SAM9263，其主頻高達(dá)200 MHz，系統(tǒng)資源SDRAM 64 MB，NandFLASH 512 MB[8]，完全滿足設(shè)計(jì)需要；而底板則根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)裁剪設(shè)計(jì)，保留必要接口電路，比如RS 232接口、以太網(wǎng)接口、SD卡接口、CAN控制器接口等，從而減小電路板面積。

5 結(jié) 語

該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可以根據(jù)不同監(jiān)測(cè)任務(wù)的需要，靈活搭載多數(shù)量多類型傳感器，避免重復(fù)開展類似研發(fā)工作。采用模塊化處理方式，設(shè)計(jì)獨(dú)立的CAN與電控模塊，并將各模塊集供電管理與數(shù)據(jù)采集于一體，不需要額外處理傳感器電源管理，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性均得到提高。

參考文獻(xiàn)

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