1 km以淺多參量混合編幀式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭永秋，王 旋，劉亞兵，景俊民，張浩凌，管今哥，臧俊斌

(1.中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司裝備管理部，山西陽(yáng)泉 045008)

0 引言

海洋湍流混合是能量傳輸?shù)闹匾磩?dòng)力，是實(shí)現(xiàn)海洋透明化的有待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，海洋湍流的觀測(cè)對(duì)氣象觀測(cè)、海洋動(dòng)力研究等問題具有重要的意義?，F(xiàn)有的海洋湍流觀測(cè)儀研究范圍主要集中在km以淺的海域，且湍流傳感器以一維傳感器為主，缺少矢量性、高分辨率的湍流傳感器，不能滿足6 km全海深的湍流探索，文獻(xiàn)[1]提出了基于MEMS技術(shù)的全海深湍流混合矩陣式剖面觀測(cè)儀的研究，該儀器以MEMS二維矢量湍流傳感器為核心，采用剖面儀搭載4個(gè)子設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在500 m深度對(duì)子設(shè)備進(jìn)行同步拋載，子設(shè)備繼續(xù)下沉至深海6 km處進(jìn)行湍流數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)的觀測(cè)[1]。

基于上述情況，本文提出了基于FPGA的km以淺多參量混合編幀式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能夠采集存儲(chǔ)溫鹽深儀(CTD)、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)傳感器和MEMS湍流傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了釋放開關(guān)進(jìn)行子設(shè)備的拋載，采用光模塊OCM3343進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，具備了確保剖面儀在深度適宜、姿態(tài)平穩(wěn)的情況下進(jìn)行子設(shè)備拋載的條件[2]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)對(duì)溫鹽深儀(CTD)、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)傳感器、MEMS湍流傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，為確定子設(shè)備的拋載時(shí)間和位置，對(duì)前3種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸并顯示，設(shè)計(jì)了4種不同傳輸速率的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主控芯片采用spartant-6系列的FPGA芯片，型號(hào)為XC6SLX9，存儲(chǔ)采用NAND型FLASH，系統(tǒng)中采集接口包括2路RS232，1路RS485(預(yù)留)，1路光耦隔離的I/O接口，2路模擬量輸入接口，共計(jì)6路接口，以及用于子設(shè)備釋放的開關(guān)電路。傳感器連接采集卡相應(yīng)接口，F(xiàn)PGA控制時(shí)序采集數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FLASH中，同時(shí)將溫度、鹽度、深度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)降孛娼邮障到y(tǒng)，在中控臺(tái)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，完成整個(gè)海洋數(shù)據(jù)的采集與傳輸。圖1為整體框架設(shè)計(jì)。

2 硬件電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 模擬接口模塊設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集電路中，MEMS湍流傳感器為二維矢量模擬傳感器，包括X路和Y路，傳感器一致性好。針對(duì)該傳感器二維矢量的特點(diǎn)，AD選用2通道同步采集的ADS8353芯片，該芯片分辨率為16 bit，采樣率為600 KSPS，通訊方式為SPI串行通訊，控制方式簡(jiǎn)單[4]，能夠滿足同時(shí)采集MEMS湍流傳感器X、Y路信號(hào)量的要求，具體的電路圖如圖2所示。

ADS8353在數(shù)據(jù)讀取中按照下列時(shí)序進(jìn)行操作，芯片使能端CS低電平有效。當(dāng)CS處于低電平時(shí)，判斷時(shí)鐘SCLK，SCLK下降沿時(shí)，寫入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)。SDI數(shù)據(jù)在前16個(gè)時(shí)鐘周期將數(shù)據(jù)寫入，SDO在后16個(gè)周期將數(shù)據(jù)讀出，在32個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成1組數(shù)據(jù)的寫入和讀取，CS拉高再降低，進(jìn)入下1個(gè)周期。ADS8353讀操作的時(shí)序圖如圖3所示。

2.2 RS232數(shù)據(jù)接口模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2路RS232接口。RS232接口波特率可選，本系統(tǒng)中采集卡與地面接收設(shè)備使用同一控制系統(tǒng)。在采集卡中，RS232接口用于采集溫鹽深儀(CTD)和姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)；地面中控臺(tái)中，RS232接口與上位機(jī)連接進(jìn)行通訊。該模塊中，系統(tǒng)采用了MAX3232CDR芯片[5]，該芯片為2路收發(fā)電路，可滿足系統(tǒng)中2路RS232接口的要求。在采集傳輸板卡端，溫鹽深儀(CTD)與姿態(tài)傳感器接口均為RS232接口[6]，溫鹽深儀的波特率為9 600 bps，姿態(tài)傳感器的波特率為115 200 bps，若改為其他波特率的傳感器，可在程序上進(jìn)行修改，簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用范圍廣。

2.3 光模塊接口模塊設(shè)計(jì)

光模塊的設(shè)計(jì)主要是用于光纖傳輸，因?yàn)槠拭鎯x中需要搭載攝像頭進(jìn)行視頻傳輸，其主要功能是為直觀地觀測(cè)剖面儀釋放4個(gè)子設(shè)備是否同步。攝像頭的傳輸數(shù)據(jù)量大，普通的長(zhǎng)線傳輸容量較小，不能滿足視頻傳輸?shù)男枨?，所以選擇光纖傳輸?shù)姆绞絒7]。光模塊選用OCM3343型號(hào)模塊，供電為3.3 V，光纖傳輸?shù)乃俾蕿?0 Mbps，采用的光波長(zhǎng)為1 310 nm，光纖中可以傳輸多波段的光，增加光纖的利用率。一般情況下，光波長(zhǎng)為1 310 nm的光纖損耗率每km不大于0.36 dB[8]。

2.4 開關(guān)量模塊電路設(shè)計(jì)

根據(jù)剖面儀拋載子設(shè)備的需求，在采集卡中設(shè)計(jì)了開關(guān)電路。剖面儀釋放結(jié)構(gòu)采用電磁鐵，電磁鐵功能為通電斷開，為保證剖面儀釋放機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性，選用2個(gè)承重30 kg的電磁鐵，該電磁鐵通電電流為2 A，2個(gè)電磁鐵同步通電斷開需要4 A的大電流，所以選用通電電流較大的MOS場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)電路的主要元器件[9]。MOS場(chǎng)效應(yīng)管選用常用的FDD6637與AO3400A搭建成1個(gè)基本的開關(guān)電路，其開路電流分別為13 A與5.9 A，能夠滿足電路的實(shí)際需求，具體的電路圖如圖4所示，當(dāng)SF端電平拉高，Q2導(dǎo)通，Q1柵極產(chǎn)生壓差導(dǎo)通，輸出端輸出12 V電壓，電磁鐵斷開，完成剖面儀釋放功能。MOS場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)電路，原理簡(jiǎn)單方便，電路容易控制。

2.5 FLASH存儲(chǔ)模塊

在系統(tǒng)要求中，對(duì)溫鹽深儀(CTD)、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)傳感器、MEMS湍流傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù)4種傳感器的信息可以計(jì)算出所需要的存儲(chǔ)容量，表1為4種傳感器的基本信息。

表1 傳感器信息表

其中MEMS湍流傳感器采用ADS8353進(jìn)行采樣，其分辨率為16 bit，采樣速率為10 KSPS，剖面儀在水中以1 m/s的速度下降，到達(dá)500 m深度大約需要500 s，由上述信息可計(jì)算出數(shù)據(jù)總量為225.786 MB

若采集返回的數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)總量大概為451.572 MB。本電路中，采用型號(hào)為MT29F8G08ABABAWPIT的NAND型Flash為存儲(chǔ)芯片，其存儲(chǔ)量為1 GB，滿足存儲(chǔ)要求。且該芯片具有邊擦除邊寫入的優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)行高速的大容量存儲(chǔ)，該芯片與FLASH芯片的連接屬于并行I/O口連接，這樣的連接方式能夠提升FLASH的讀寫速率[10]。Flash芯片與FPGA的電氣連接圖如圖5所示。

3 軟件控制設(shè)計(jì)

3.1 總體控制流程圖

該系統(tǒng)對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，同時(shí)需要通過光纖將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。傳感器傳輸速率不同，在FPGA的時(shí)序控制下，通過編碼方式將數(shù)據(jù)打包通過光纖模塊進(jìn)行傳輸[11]。

其總體工作圖如圖6所示，系統(tǒng)上電之后，電源指示燈亮，采集卡開始工作；系統(tǒng)同時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行供電，傳感器開始工作，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸工作同時(shí)進(jìn)行。主控FPGA對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀，同時(shí)將溫鹽深儀、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)傳感器和MEMS湍流傳感器4種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，將溫鹽深儀、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)傳感器數(shù)據(jù)通過光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，以便觀測(cè)深度、溫度、母彈姿態(tài)等的信息。

3.2 傳輸編幀與存儲(chǔ)編幀

在4種不同的傳感器中，我們將溫鹽深儀、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)傳感器3種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)將MEMS湍流傳感器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一編幀進(jìn)行存儲(chǔ)[12]，這種設(shè)計(jì)主要是為了解決RS232串口不能實(shí)時(shí)傳輸湍流傳感器巨大模擬量的問題，且湍流傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸顯示的意義不大，故將其數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)[13]。

傳輸與存儲(chǔ)的傳感器不同，設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度不一。為了辨別數(shù)據(jù)幀，在設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)時(shí)采用幀頭和幀標(biāo)志的計(jì)數(shù)方式，每一幀數(shù)據(jù)包括幀頭、幀標(biāo)志和數(shù)據(jù)域[14]。幀頭EB 9X表示不同傳感器數(shù)據(jù)，其中X為4位數(shù)據(jù)有效標(biāo)志，由高到低依次為CTD數(shù)據(jù)，姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)、羅經(jīng)傳感器數(shù)據(jù)、AD數(shù)據(jù)，1表示有效，0表示無效。

傳輸幀采用定長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)，幀頭為2 B，數(shù)據(jù)域?yàn)?4 B，其中CTD和羅經(jīng)波特率為9 600 bps，每幀采集1 B數(shù)據(jù)，姿態(tài)傳感器波特率為115 200 bps，每幀采集12 B數(shù)據(jù)[15]。傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

存儲(chǔ)幀采用不定長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)[16]，幀頭為2 B，數(shù)據(jù)域字節(jié)不確定。AD無數(shù)據(jù)的時(shí)候，采用傳輸幀結(jié)構(gòu)；僅AD有數(shù)據(jù)時(shí)，幀結(jié)構(gòu)為2 B的幀頭和50 B的數(shù)據(jù)域；前3路中任意一路與AD有數(shù)據(jù)時(shí)，幀結(jié)構(gòu)為2 B的幀頭和66 B的數(shù)據(jù)域，存儲(chǔ)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4 測(cè)試驗(yàn)證

進(jìn)行水下測(cè)試時(shí)，將采集卡封裝在水密耐壓倉(cāng)中，耐壓倉(cāng)中留有水密接頭，采用雙頭母纜連接傳感器與耐壓倉(cāng)，耐壓倉(cāng)裝配在剖面儀中，剖面儀測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示。

測(cè)試時(shí)，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，上位機(jī)界面如圖10所示。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，系統(tǒng)工作傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)完整。一幀數(shù)據(jù)包括CTD數(shù)據(jù)、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)、羅經(jīng)傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)找到不同傳感器的數(shù)據(jù)。第3幀數(shù)據(jù)表示CTD的數(shù)據(jù)，CTD數(shù)據(jù)格式為ASCII碼，每組數(shù)據(jù)以“0D 0A”表示結(jié)尾。第4～15幀數(shù)據(jù)表示姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，其中FF FA為起始標(biāo)識(shí)符，36為消息標(biāo)識(shí)符，其余為接收到的數(shù)據(jù)段，從接收到的數(shù)據(jù)中可以明顯的獲得FF FA 36 26一串?dāng)?shù)據(jù)。第16幀數(shù)據(jù)表示羅經(jīng)數(shù)據(jù)，羅經(jīng)傳感器需要FPGA與羅經(jīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，F(xiàn)PGA發(fā)送“68 04 00 04 08”命令，羅經(jīng)傳感器做出應(yīng)答，應(yīng)答數(shù)據(jù)包括14 B，例如一組數(shù)據(jù)“68 0D 00 84 10 26 48 00 00 26 03 09 64 A5”，其中68為命令的開頭，0D為命令長(zhǎng)度，00為設(shè)備地址，默認(rèn)值，84為命令代碼，其后每3字節(jié)分別為傾斜角、橫滾角、方位角，該組數(shù)據(jù)采用壓縮BCD碼，解析結(jié)果為傾斜角為-26.48°、橫滾角為0.26°、方位角為309.64°。經(jīng)過上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)分類顯示，數(shù)據(jù)顯示結(jié)果如表2所示。通過分析發(fā)現(xiàn)傳輸過程中無丟數(shù)漏數(shù)情況，傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定。

表2 傳感器數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

針對(duì)海洋多參量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸顯示困難的問題，提出了多參量混合編幀式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過混合編幀與空位補(bǔ)零的設(shè)計(jì)，將不同傳輸速率的傳感器數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)傳輸，該系統(tǒng)傳輸速率穩(wěn)定，無丟數(shù)現(xiàn)象，可廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境的檢測(cè)與深海資源探索中，對(duì)氣象觀測(cè)、海洋環(huán)流等研究具有重要意義。且該系統(tǒng)集成度高、成本低、能夠搭載不同的傳感器，后期可在FPGA的基礎(chǔ)上進(jìn)行其他功能模塊的開發(fā)，且系統(tǒng)有10 MPa承壓的耐壓倉(cāng)外殼封裝，能夠廣泛應(yīng)用于海洋、石油勘探等領(lǐng)域，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。