CN101266472A

CN101266472A - 深海数据采集控制装置

Info

Publication number: CN101266472A
Application number: CNA2008100606177A
Authority: CN
Inventors: 刘敬彪; 蔡文郁; 章雪挺; 刘纯虎; 周巧娣
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University; Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: CN100593763C

Abstract

本发明涉及一种用于深海资源调查装备的多类型深海设备实时采集与控制装置。传统的深海数据采集控制方法采用点对点通信方式或自容存储方式，只能连接一个深海设备，使用受到限制。本发明的深海数据采集控制装置主要包括：单片机、电源电路、远程通信接口电路、RTC电路、PWM输出接口电路、数字输出接口电路、数字输入接口电路、模拟输入接口电路、串口扩展电路、SD卡接口电路。本发明能够在深海环境下同时实现多种深海设备的不同数据类型的自动采集、自动存储与远程控制，能够高效地、一体化地实现对多种深海设备的数据自动采集存储，同时实现远程控制。

Description

深海数据采集控制装置

技术领域

本发明属于控制技术领域，涉及以数据自动采集、自动存储与远程控制为主要功能特征的深海数据采集控制装置，是一种用于深海资源调查装备的多类型深海设备实时采集与控制装置。

技术背景

从上世纪20年代兴起的海洋圈地运动开始，全球兴起了一股开发海洋资源的热潮。我国的深海资源调查起步较晚，在调查手段的多个技术领域缺乏有效的方法与经验。大量的包括水下传感器和水下执行部件在内的深海设备均从国外引进。随着这些深海设备类型的增加，如何利用单一模块同时实现多种深海设备数据端口类型的有效采集、存储和多种控制类型水下执行部件的实时控制，已在许多项目中体现出其技术需求性。传统的深海数据采集控制方法采用点对点通信方式或自容存储方式。点对点通信方式同时只能连接一个深海设备，并且水下通讯模块的连接受到所用深海设备接口类型的限制。自容存储方式无法对深海设备进行实时监测和实时控制，不同类型深海设备的不同格式数据还需要人工进行甄别、转换和分类。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于深海资源调查领域的采集控制装置，以满足深海作业过程中甲板平台同时与多种深海设备的实时通信。

本发明的深海数据采集控制装置主要包括：单片机、电源电路、远程通信接口电路、RTC电路、PWM输出接口电路、数字输出接口电路、数字输入接口电路、模拟输入接口电路、串口扩展电路、SD卡接口电路。单片机采用C8051F020单片机；电源电路主要是采用LM1117-3.3芯片进行稳压的稳压电路；RTC电路使用FM3130芯片为系统提供日期时间；PWM输出接口电路使用单片机内部的PWM模块产生，输出方式为集电极开路输出；数字输出接口电路使用继电器输出；数字输入接口电路为光耦隔离输入；模拟输入接口电路为12位ADC(模拟数字转换器)；串口扩展电路使用两片SC16C654扩展8个RS232串口；远程通信接口电路使用单片机集成的1号串口，外加电平转换电路；SD卡接口电路使用SPI总线方式进行访问，支持FAT32文件系统。

电源电路与单片机的电源输入端连接，RTC电路的FM3130芯片的SDA、SCL线分别与单片机的P0.6、P0.7脚连接；单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4与PWM输出接口电路连接；单片机的8路P2口作为数字输出与数字输出接口电路连接；单片机的8路P3口与数字输入接口电路连接；单片机的8路AIN口与模拟输入接口电路连接；单片机的P4、P5、P6和P7口与串口扩展电路连接；远程通信接口电路与单片机的P0.0和P0.1脚连接；SD卡接口电路与单片机的P0.2、P0.3、P0.4和P0.5脚连接。

系统各组成电路的主要参数如下：

远程通信接口电路：RS-232/48总线，波特率为11.52ksps；

串口扩展电路：RS-232总线、波特率为11.52ksps；

数字输入接口电路：DC3.3～5V，1～5mA；

数字输出接口电路：AC250V，2A；DC24V，2A；

PWM输出接口电路：0.3456kHz@16Bit；86.4kHz@16Bit；

模拟输入接口电路：0～5V。

本发明与背景技术相比具有的有益的效果是：能够在深海环境下同时实现多种深海设备的不同数据类型的自动采集、自动存储与远程控制。目前深海设备的接口各异，但基本离不开RS-232串口、数字/模拟输入输出、PWM控制等方式，所以本发明的深海数据采集控制装置能够与多种深海传感设备、深海控制设备进行便捷地衔接，能够高效地、一体化地实现对多种深海设备的数据自动采集存储与远程控制。

深海数据采集控制装置是集数据采集、数据存储和控制功能于一体的高性能控制器。通过该数据采集控制装置可以有效地同时利用多个深海设备实现数据传感、自容存储、远程控制，并提供长距离通信接口，实现甲板操作台对水下设备的实时状态监视和实时控制。随着深海探测研究技术的不断发展，在深海探测活动中迫切需要这样一种可靠高效的通用化采集控制装置。

附图说明

图1是本发明深海数据采集控制装置的结构原理图；

图2是本发明深海数据采集控制装置的使用原理图；

图3是本发明深海数据采集控制装置的连接示意图；

图4是本发明深海数据采集控制装置的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，整个系统包括：单片机1、电源电路2、远程通信接口电路9、RTC电路3、PWM输出接口电路4、数字输出接口电路5、数字输入接口电路6、模拟输入接口电路7、串口扩展电路8、SD卡接口电路10。单片机1采用C8051F020单片机；电源电路2主要利用LM1117-3.3稳压芯片将直流电源稳压成3.3V的VCC；RTC电路3使用FM3130芯片为系统提供日期时间；PWM输出接口电路4使用单片机内部的PWM模块产生，可以设置为8位或16位，输出方式为集电极开路输出，使用时需要外加驱动电路；数字输出接口电路5使用继电器输出方式，有隔离电路，驱动能力为250VAC 5A；数字输入接口电路6为光耦隔离输入，需要24V 7mA；模拟输入接口电路7为12位ADC，电压输入范围为0-5V(电流模式下为0-20mA)，采样频率80ksps/通道；串口扩展电路8使用两片SC16C654扩展8个RS232串口，每个串口具有64字节的输入、64字节的输出FIFO，每路申口的波特率都可以单独设置，最高可达1Mbps；远程通信接口电路9使用单片机集成的1号串口，外加电平转换电路后连至本地的视频服务器，然后通过调试解调后连至甲板机；SD卡接口电路10使用SPI总线方式进行访问，支持FAT32文件系统。

深海数据采集控制装置的使用原理如图2所示。深海数据采集控制装置11通过远程通信接口与远程通信模块12相连，并接入万米同轴缆13，与甲板控制平台14实现全双工通信，深海数据采集控制装置通过多种类型的接口直接与多种深海设备15连接，采集传感数据，实时存储传感数据，并实时控制深海设备15。

深海数据采集控制装置与深海设备的连接示意如图3所示，深海数据采集控制装置11密封在一个高压仓内，通过深水电缆与各种深海设备15连接，可连接的深海设备主要包括高度计15-1、CTD15-2、浊度计15-3、磁力计15-4等各种深海传感设备，以及深海液压系统15-5、深海电机15-6等深海执行设备，深水电缆能够承受深海60MPa的高压，接头处同样具有60MPa的密封性能。

系统的软件流程如图4所示，程序开始运行后首先判断看门狗是否复位，若已复位，读取设置参数、配置相关模块，并输出控制量，然后进入数据采集处理步骤；若未复位，初始化单片机、配置各功能模块，并关闭所有控制量，然后进入数据采集处理步骤。数据采集处理步骤执行完毕后发送上行数据，然后判断是否收到下行指令，若收到，指令校验、译码、执行，然后单片机进入低功耗待机模式；若未收到，直接使单片机进入低功耗待机模式。单片机进入低功耗待机模式后，只有依靠中断来唤醒系统，并进入到数据采集处理步骤进行循环。

软件在调试过程中使用了JTAG接口。数据采集和控制使用了RS-232通信方式，RS-232通信的数据包防议包含帧起始标志、帧标识符、数据长度、数据、CRC校验、帧结束标志。由于C8051单片机的有64kB的程序空间，所以在CRC程序实现时使用了查表的方式，以提高运算速度。

深海数据采集控制装置中，对系统多串口的扩展是较重要的部分，由于中央处理器单片机C8051F020输入电压是3.3V，引脚的输入/输出电平均为3.3V的TTL逻辑电平，而标准的RS-232串行通信逻辑电平为±12V，所以必须使用信号电平转换芯片来实现串行通信，深海数据采集控制装置中采用了SP3243和SPX3232作为中央处理器的串行通信接口的电平转换和驱动芯片。对8个扩展串口的片选通过74ACT573地址锁存器和MM74HCT138M 3-8译码器，74ACT573地址锁存器的Q5，Q6，Q7三位进行片选，MM74HCT138M的八路输出与串行数据通信四通道UART芯片SC16C554的使能端口CSA、CSB、CSC、CSD、CSE、CSF、CSG、CSH相连，SC16C554的数据总线(D0-D7)与74ACT573地址锁存器的数据总线(D1-D8)相连，即8个串口的数据操作都采用相同的接口，采用轮询的方式进行串口的读写。

C8051F020单片机通过I²C与FM3130连接。FM3130是内嵌64Kb铁电存储器的处理器外围芯片，结合了非易失性铁电存储器FRAM和实时时钟RTC功能。FRAM存储器可以替代SRAM，具有高速无延时写入操作能力；RTC集成了报警器和可编程频率时钟输出，支持常用的12pF时钟晶体，可以记录2099年之前的闰年。在开始使用FM3130时，按照当前时间对内部寄存器进行校准；使用过程中，定时读取年月日、星期、时分秒对应的寄存器获取当前的日期时间，分别位于02H至08H的寄存器，日期时间格式用BCD码表示，在程序操作时要对读取时刻进行锁定，防止读的过程中计数发生变化。

为了防上深海设备对C8051单片机的干扰，在输出控制电路中加了光耦隔离器TLP521。由于C8051单片机无法提供光耦导通时需要的20mA电流，所以在光耦的输出三极管处加了一个S8050 NPN管，与光耦的输出三极管一起构成了达林顿管形式驱动继电器。为了防止继电器开关动作时可能会产生电火花，在继电器的电源输入端加入了扼流电感。

在使用深海数据采集控制装置时，深海数据采集控制装置与深海传感器或执行单元之间通过标准的RS-232串行通信协议进行数据通信，深海设备之间距离比较近，在距离较远的情况下可以配备RS-232延长器。串口通信数据主要有数据包头(起始符、传递方向、数据包长度和校验码)、报文内容和数据包尾(结束符)组成。串口通信的数据报文格式如下：起始符为简单的“@@”字符，传递方向为甲板平台与深海串口控制器之间的方向(DOWN或者UP)，甲板平台对深海控制器的指令为DOWN方向，深海数据采集控制装置向甲板平台的数据为UP方向。数据包长度指的是报头总长度，包括数据包头、报文内容和数据包尾的长度之和。校验码采用了MD5校验方式，只对命令类型和数据内容进行校验。命令类型为传感数据或控制指令的类型，数据内容为传感数据的数值或控制指令的参数。结束符为简单的“##”字符。

Claims

1、深海数据采集控制装置，包括单片机、电源电路、远程通信接口电路、RTC电路、PWM输出接口电路、数字输出接口电路、数字输入接口电路、模拟输入接口电路、串口扩展电路、SD卡接口电路，其特征在于：电源电路与单片机的电源输入端连接，RTC电路的FM3130芯片的SDA、SCL线分别与单片机的P0.6、P0.7脚连接；单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4与PWM输出接口电路连接；单片机的8路P2口作为数字输出与数字输出接口电路连接；单片机的8路P3口与数字输入接口电路连接；单片机的8路AIN口与模拟输入接口电路连接；单片机的P4、P5、P6和P7口与串口扩展电路连接；远程通信接口电路与单片机的P0.0和P0.1脚连接；SD卡接口电路与单片机的P0.2、P0.3、P0.4和P0.5脚连接；其中：

单片机采用C8051F020单片机；

电源电路采用LM1117-3.3芯片进行稳压的稳压电路；

RTC电路使用FM3130芯片为系统提供日期时间；

PWM输出接口电路使用单片机内部的PWM模块产生，输出方式为集电极开路输出；

数字输出接口电路使用继电器输出；

数字输入接口电路为光耦隔离输入；

模拟输入接口电路为12位模拟数字转换器；

串口扩展电路使用两片SC16C654扩展8个RS232串口；

远程通信接口电路使用单片机集成的1号串口，外加电平转换电路；

SD卡接口电路使用SPI总线方式进行访问，支持FAT32文件系统；

主要接口参数如下：

远程通信接口电路采用RS-232/485总线、波特率为11.52ksps；

串口扩展电路采用RS-232总线、波特率为11.52ksps；

数字输入接口电路输入电压为DC3.3～5V，1～5mA；

数字输出接口电路的输出电压为AC250V，2A或DC24V，2A；

PWM输出接口电路的频率在16Bit配置下为0.3456kHz，在8Bit配置下为86.4kHz；

模拟输入接口电路的输入电压为0～5V。