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1 前言 海洋學研究，海洋生產，海洋軍事等活動都強烈地依賴海洋探測技術的發展。但是，長 期、定點、連續測量海洋環境參數，尤其是從海洋表面到海底的垂直剖面的監測大多由船只 完成，耗費大量錢財和人力，卻無法得到極端風浪條件下的珍貴信息，手段顯得落后。針對 這種狀況而設計的海洋要素垂直剖面測量系統(簡稱“海馬”)利用波浪能，通過其核心部件 棘爪機構單向抓緊、阻尼鎖定和自由上浮等3種狀態，使得搭載傳感器的滑行器可以在水下 各個層面采集海洋要素，并實時將測量數據存儲到SD卡。作者采用C8051F340單片機和直流 電機為主要器件，結合電平轉換芯片和各種開關器件及SD存儲卡，設計了控制存儲電路，實 現了棘爪機構的3種狀態及測量數據的海量存儲。所采用的單片機和開關器件功耗低、體積 小、可控性強。該控制存儲電路能夠使得“海馬”的工作達到節能、高效、可海量存儲的目 的，即能夠達到“海馬”下潛運動能量全部來自波浪，上浮依靠自身浮力，測量數據存入外 掛存儲器的目標。 2 外掛存儲器的“海馬”控制電路硬件設計 整個控制電路的硬件電路主要包括：MAX3223串行通訊接口、C8051F340單片機、SD 存儲卡、固態繼電器、延時繼電器、限位開關、直流電機等。電路的硬件原理框圖如圖1所 示，這個電路結構簡單，與機械設計部分的棘爪機構巧妙結合，實現了“海馬”水下3種狀 態。通過外掛SD卡存儲器，單片機作主控制器，利用SPI總線，實現了測量數據的實時存儲。 2.1 C8051F340單片機 C8051F340單片機屬于C8051F系列單片機。C8051F系列單片機是一種典型的高性能單 片機，使用Silicon Laboratories專有的CIP-51微控制器內核，是完全集成的混合信號片上微控 制器，與MCS-51指令系統完全兼容。該系列單片機采用高速流水線處理技術，不再區分時 鐘周期和機器周期，能在執行指令期間預處理下一條指令，提高了指令執行效率。C8051F340 單片機具備控制系統所需的模擬和數字外設，包括看門狗、ADC、DAC、電源管理器、定 時器、內部低頻振蕩器等，并具備多種總線接口，包括USB、UARTs、SPI、SMBus/I2C。 它采用Flash ROM技術，具有64 kB的片內Flash ROM存儲器、256B的片內RAM和4KB的片內 XRAM，40個I/O端口(耐壓5 V)，是真正能獨立工作的片上系統。Flash存儲器可以在系統重新 編程，提供非侵入式數據存儲及允許8051固件現場升級。用戶軟件可以控制所有外設以及 可以單獨地關閉任何一個或所有的外設以節約能源。片上Silicon Labs的2-Wire (C2)開發接口 允許使用安裝在最終應用系統上的MCU產品進行非侵入式、全速、在系統調試。C8051F系 列單片機的諸多特點和優越性，使其廣受單片機系統設計工程師的青睞，成為很多測控系統 設計的首選機型。 2.2 傳感器及接口電路模塊 與分立的傳感器和信號調理相比，集成的海洋用溫鹽深儀具有很好的優勢，前者在設計 時復雜，干擾容易進入系統中，數據采集后濾波處理等均增加了單片機的負擔。XR-420-CTD 是加拿大BRB公司生產的一款高精度的集成海洋專用溫鹽深儀，而且自身帶有一定的存儲容 量，可以測量溫度、鹽度、深度等參數，輸出直接是數字量，通過MAX3223接口芯片與單片 機相連接。如果要改變“海馬”的滑行器滑行的上限和下限深度，需要改變程序中預先設定 的上下限深度值。將預先設定的系統運動上、下限值存儲在這個單元內，如需改變，則通過 串口將數據重新置人該芯片中。這樣，整個系統將不再局限于一個區間運動，可以在更大范 圍內測量數據。 2.3 開關控制電路模塊 所設計的控制電路中電機與棘爪機構的驅動，主要依靠開關控制模塊來實現。電路中 采用固態繼電器(SSR)和雙刀雙擲延時電磁繼電器。除此之外，限位開關作為單片機的一個 輸入端，當電機轉到預定的位置時，限位開關閉合，發送低電平信號給單片機，單片機收到 信號后發出使電機停轉的指令。固態繼電器(SSR，又稱無觸點開關器件)是近年來發展并廣泛應用的一種新型器件，是由固態元件組成的無觸點開關器件。它具有驅動功率小、噪聲低、 可靠性好以及抗干擾能力強等優點。由于單片機的輸出無法提供給電磁繼電器足夠的電壓， 所以選用固態繼電器來帶動電磁繼電器。 2.4 SD卡存儲模塊 長期、定點、連續的海洋環境監測系統的數據存儲器具有容量大，可靠性高的要求。 SD卡因其耐用、可靠、安全、容量大、體積小、便于攜帶和兼容性好等優點而非常適合用于 海洋環境監測系統的數據存儲。 SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于Flash技術的存儲卡，SD卡的特點是容量 大(最大容量為4 G，現在已有1 GB的產品)，性價比很高(高于1 MB／元)，體積小(32 mmx24 mmx2．1 mm)，重量只有幾克而且功耗低、接口簡單。SD卡支持SD模式和SPI模式，其中SPI 模式中使用的SPI接口在單片機系統中應用非常廣泛，本設計中就采用SPI模式接口與 C8051F340單片機連接。 3 “海馬”控制存儲電路軟件設計 控制存儲電路的功能是實現棘爪機構的單向抓緊、阻尼鎖定和自由三個運動狀態及將測 量數據實時存儲。當其處于單向抓緊態時，滑行器只能向下運動，當波浪提升時，嚙合松開， 滑行器因慣性滯留原位，當波浪下降時，嚙合咬緊，滑行器下潛。錨定纜不停地做升沉運動， 滑行器在此運動驅動下，直達海底或控制系統預置的測量深度。在控制電路的作用下，當棘 爪機構處于自由態勢時，滑行器與錨定纜失去嚙合力，完全處于自由狀態，由于滑行器是一 正浮力載體，所以，滑行器將在浮力作用下沿錨定纜上浮，并在上浮的過程中完成對海洋要 素的采集，由單片機完成對SD卡的讀寫操作，將數據存儲在SD卡中。 “海馬”的整個運動 過程可以分為單向下潛過程和自由上浮過程，在這兩個過程中，系統依靠寫入單片機的程序 來控制滑行器的運動狀態。程序采用KEILC編寫。 3.1 主函數 主函數要實現很多功能，如單片機初始化（時鐘、交叉開關配置、SPI串口、UART0串口、 定時器0）、SD卡初始化、FAT文件系統初始化、新建文件、潛標下潛、潛標上浮時讀取參數、 寫文件等。 3．2 載體下潛過程 在滑行器不斷下潛的過程中，單片機從傳感器中讀取深度值，并不斷與預先設置的深度 值相比較，如果達到預定深度或比預定深度值大時，單片機發出*信號，棘爪機構松開， 載體在浮力作用下自由上浮。 3．3 載體上浮過程 載體在自由上浮的過程中，不僅要繼續讀取傳感器中的深度信號，同時開始了對海洋要 素的采集。根據預先設置，傳感器將每秒鐘存儲一次數據，包括溫度、壓力以及電導率等。 當滑行器到達上限深度時，單片機將發出閉鎖信號，棘爪抓緊纜繩，重新在波浪能的驅動下 開始下潛過程，至此，“海馬”完成一個周期的測量。不論是“海馬”運動的上限值還是下 限值，都可以通過串口，利用計算機來改變，這樣“海馬”就能適應不同海域、不同深度的 測量的要求。 4 結語 實驗證明,本文設計的控制存儲電路能夠精確地實現“海馬”的3種運動狀態和數據的實 時存儲，它的硬件部分功耗低、體積小、可控性強，軟件部分精度高、可移植性好、靈活性 強、適用的海域范圍廣，真正實現了海洋要素垂直剖面測量系統下潛運動能量全部來自波浪， 上浮依靠自身浮力的目標，并且外掛海量存儲器，海洋要素實時存儲，便于在PC機上進行數 據的分析、處理、顯示、打印等操作。 本文作者的創新之處在于將SD卡存儲方式運用到海洋要素垂直剖面數據采集系統，簡化 了采集系統的設計，減小了系統尺寸，提高了系統的可靠性，使采集數據的讀出變得簡單易 行。由于原有數據采集系統，采用8051單片機作主控制器，本次設計選用與8051完全兼容的 高性能單片機C8051F340，既繼承了原有采集系統的設計，又滿足了訪問SD卡的功能要求， 加快了整個系統的設計進程。設計的電路可以與機械設計部分的棘爪機構巧妙結合，實現了 測量平臺運行狀態的自如轉換，并充分利用了海洋中無處不在的波浪能。 |
