CN103879531A - 一种水下滑翔器紧急安全抛载微功耗控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下滑翔器紧急安全抛载微功耗控制模块，由一组7.2V锂电池、一组12V锂电池、控制电源稳压变换电路、功率放大和输出电路以及信号调理和检测电路组成，实现对滑翔器核心器件的状态检测以及对水深的不间断检测，一旦发现核心器件异常或水深超深、且超深时间超过规定时间，则发出抛弃载荷指令并紧急上浮，同时对GPS等通讯系统提供电能；抛弃载荷指令发出后系统自锁，不再受外部信号干扰，直到打捞成功后关闭本系统电源或本系统对外提供电能耗尽为止。

Description

一种水下滑翔器紧急安全抛载微功耗控制模块

技术领域

本发明涉及水下滑翔器紧急安全抛载控制器，是适用于水下滑翔器、水下潜伏物体等设备紧急情况下抛载上浮，具备GPS通讯系统、向GPS设备供电，达到主动求救等待救援的目的设备。

背景技术

水下滑翔器在水下自主滑翔过程中，当核心器件故障或深度长时间超深时，需要紧急抛弃部分载荷，依靠抛弃载荷产生的浮力紧急上浮，浮出水面后，能向通讯系统提供一段时间的电能，确保通讯系统不间断向远程岸基系统发送自身坐标信息，等待打捞回收。

发明内容

本发明旨在提供一种水下滑翔器紧急安全抛载微功耗控制模块，实现对滑翔器核心器件的状态检测以及对水深的不间断检测，一旦发现核心器件异常或水深超深、且超深时间超过规定时间，则发出抛弃载荷指令并紧急上浮，同时对GPS等通讯系统提供电能；并实现在抛弃载荷指令发出后系统自锁，不再受外部信号干扰，直到打捞成功后关闭本系统电源或本系统对外提供电能耗尽为止。

本发明的技术方案如下：

一种水下滑翔器紧急安全抛载微功耗控制模块，包括7.2V锂电池、12V锂电池、控制电源稳压变换电路、功率放大和输出电路以及信号调理和检测电路；

所述控制电源稳压变换电路包括稳压器，稳压器的两个输入端相连并串联开关后与所述7.2V锂电池的正极相连，稳压器的使能端以及接地端与所述7.2V锂电池的负极相连并输出地电压，稳压器的两个输出端和取样输入端相连后输出5V电压，同时串联第一电容和第一电阻后接地电压，稳压器的复位端串联第二电阻后接5V电压；

所述功率放大和输出电路包括第一比较器，第一比较器的同相输入端串联第三电阻后连接抛载信号，同时串联第二电容和第三电容后接地；第一比较器的反相输入端串联第四电阻后接5V电压，同时串联第五电阻和第六电阻后接地；第一比较器的输出端串联第七电阻后接5V电压，同时串联二极管后与光耦的三极管发射极相连；光耦的三极管集电极和二极管正极与所述12V锂电池的正极相连，光耦的二极管负极与第一晶体管的漏极相连，第一晶体管的漏极与所述12V锂电池的正极之间连接GPS模块，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的栅极连接下拉的第四电容并与光耦的三极管发射极相连；还包括第二晶体管，第二晶体管的栅极连接下拉的第五电容、第八电阻并串联第六电容、第七电容后连接抛载信号，第二晶体管的源极接地，第二晶体管的漏极与所述12V锂电池的正极之间连接电磁铁；所述12V锂电池的负极接地；

所述信号调理和检测电路包括二路运算放大器，二路运算放大器的第一反相输入端与第一输出端相连并串联第九电阻后连接第二同相输入端，第一同相输入端连接深度信号，第二反相输入端、第二输出端之间并联第八电容以及串联的第十电阻和第十一电阻，第二反相输入端连接下拉的第十二电阻，第二输出端串联第十三电阻后连接第二比较器的同相输入端；第二比较器的同相输入端连接下拉的第九电容，第二比较器的反相输入端串联下拉的第十四电阻、第十五电阻并串联第十六电阻后接5V电压，第二比较器的输出端串联第十七电阻后接5V电压；还包括三3输入与门，三3输入与门的第一与门的第一输入端、第一与门的第二输入端、第二与门的第一输入端相连后连接第二比较器的输出端，第三与门的第三输入端连接三3输入或门的第二或门的输出端，第三与门的第一输入端连接下拉的第十电容，并串联第十八电阻后连接航行控制器异常-紧急抛载信号，第二与门的第二输入端、第二与门的第三输入端、第一与门的第三输入端相连后连接下拉的第十一电容，并串联第十九电阻后连接浮力调节装置异常信号，第一与门的输出端串联第二十电阻、第二十一电阻后连接三3输入或门的第一或门的第二输入端，第二与门的输出端输出抛载请求信号，第三与门的输出端串联第二十二电阻后输出抛载信号，第三与门的第二输入端连接抛载信号，并连接下拉的第十二电容；三3输入或门的第一或门的第二输入端串联下拉的第十三电容、第十四电容，三3输入或门的第二或门的第二输入端和第三或门的第二输入端相连后连接下拉的第十五电容，并串联第二十三电阻后连接航行控制器-抛载联锁信号。

本发明的有益技术效果是：

1）本模块在识别到深度超深、航行控制器异常或剩余浮力调节装置等核心设备异常情况下，根据设定流程执行紧急抛弃部分载荷，依靠抛弃载荷产生的剩余浮力紧急上浮，同时对GPS等通讯系统提供电能，确保水下滑翔器到达水面后通过GPS和救援系统通讯，告知滑翔器实时坐标，等待救援打捞。在抛弃载荷指令发出后，系统自锁，不再受外部信号干扰，直到打捞成功后关闭本系统电源或本系统对外提供电能耗尽为止。

2）自动识别故障信息：包含深度超深、航行控制器异常、剩余浮力调节装置异常等故障信息；

3）故障信息出现时根据预先设定参数执行抛载流程，并紧急抛弃部分载荷，确保滑翔器能依靠抛载产生的浮力紧急上浮至水面，同时向GPS提供应急电源；

4）具备故障优先级识别能力；

5）一旦执行抛载紧急自救，则自动锁定自救模式，即使在本系统的5V电源以及主电源全部失效的情况下亦能向GPS提供12V应急电能；

6）向GPS提供20小时以上应急电源，等待打捞回收，从而达到自救目的。

7）功耗极低，正常工作状态下5V部分电流约0.33～0.45mA，抛载状态下5V部分电流约0.45～0.55mA，采用电池供电能连续工作3年以上；对外输出部分正常状态下不消耗电能，抛载输出带载能力为3A/12V。

附图说明

图1是本发明的控制电源稳压变换电路图。

图2是本发明的功率放大和输出电路图。

图3是本发明的信号调理和检测电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

1、电路结构说明

图1示出了控制电源稳压变换电路，如图1所示，稳压器IC1（本实施例选用TPS7250）的5脚（in）、6脚（in）相连并串联开关K后与7.2V锂电池的正极相连，稳压器IC1的4脚（EN）、3脚（GND）与7.2V锂电池的负极相连并输出地电压GND，稳压器IC1的8脚（out）、7脚（out）、1脚（sense）相连后输出5V电压VCC，同时串联电容C11、电阻R1后接地电压GND，稳压器IC1的2脚（reset/pg）串联电阻R11后接5V电压VCC。

图2示出了功率放大和输出电路，如图2所示，比较器IC3-2（本实施例选用LM339）的5脚（in+）串联电阻R42后连接T4抛载信号，同时串联电容C44、电容C45后接地；比较器IC3-2的6脚（in-）串联电阻R44后接5V电压VCC，同时串联电阻R45、电阻R46后接地；比较器IC3-2的（out）串联电阻R43后接5V电压VCC，同时串联二极管D41后与光耦IC6（本实施例选用4N35）的4脚（三极管发射极）相连；光耦IC6的5脚（三极管集电极）、1脚（二极管正极）与12V锂电池的正极相连，光耦IC6的2脚（二极管负极）与晶体管Q21（NMOS）的漏极相连，晶体管Q21的漏极与12V锂电池的正极之间连接GPS模块，晶体管Q21的源极接地，晶体管Q21的栅极连接下拉的电容C46并与光耦IC6的4脚相连；晶体管Q1（NMOS）的栅极连接下拉的电容C43、电阻R41并串联电容C42、电容C41后连接抛载信号T4，晶体管Q1的源极接地，晶体管Q1的漏极与12V锂电池的正极之间连接电磁铁DT1；12V锂电池的负极接地。

图3示出了信号调理和检测电路，如图3所示，二路运算放大器IC2（本实施例选用二路轨至轨微功耗运算放大器TLC2252）的2脚（1in-）、1脚（1out）相连并串联电阻R21后连接5脚（2in+），3脚（1in+）连接深度信号V0，6脚（2in-）、7脚（2out）之间并联电容以及串联的电阻23和电阻R24，6脚连接下拉的电阻R22，7脚串联电阻R25后连接比较器IC3-1（本实施例选用LM339）的3脚（in+）；比较器IC3-1的3脚连接下拉的电容C22，比较器IC3-1的2脚（in-）串联下拉的电阻R27、电阻R28并串联电阻R26后接5V电压VCC，比较器IC3-1的1脚（out）串联电阻R29后接5V电压VCC；还包括三3输入与门IC5（本实施例选用CC4073），三3输入与门IC5的1脚（1A）、2脚（1B）、3脚（2A）相连后连接比较器IC3-1的1脚，三3输入与门IC5的11脚（3C）连接三3输入或门IC4（本实施例选用CC4075）的6脚（2Y），三3输入与门IC5的13脚（3A）连接下拉的电容C34，并串联电阻R34后连接航行控制器异常-紧急抛载信号T2，三3输入与门IC5的4脚（2B）、5脚（2C）、8脚（1C）相连后连接下拉的电容C35，并串联电阻R35后连接浮力调节装置异常信号T3，三3输入与门IC5的9脚（1Y）串联电阻R31、电阻R32后连接三3输入或门IC4的3脚（1B），三3输入与门IC5的6脚（2Y）输出抛载请求信号，三3输入与门IC5的10脚（3Y）串联电阻R36后输出抛载信号T4去图2的功率放大电路，三3输入与门IC5的12脚（3B）连接抛载信号T4，并连接下拉的电容C36；三3输入或门IC4的3脚串联下拉的电容31、电容C32，三3输入或门IC4的4脚（2B）和5脚（3B）相连后连接下拉的电容C33，并串联电阻R33后连接航行控制器-抛载联锁信号T1。

2、硬件组成和接口说明

本模块由一组7.2V锂电池、一组12V锂电池、5V电源稳压变换、功率放大和输出以及信号调理和检测共5部分组成。

7.2V锂电池为本模块的信号调理和检测部分提供电源，该部分为长期在线工作模式，静态工作电流约0.33mA。12V锂电池为功率放大和输出部分提供电源，正常情况下不消耗电能，其静态工作电流小于1uA。

7.2V电源在工作中电压降随负载或工作时间的变化而波动，为了避免该波动对系统稳定性产生影响，特设计了图1中的电源变换系统，该系统将7.2V电源变换为稳定的5V电压，为信号调理和检测电路提供稳定的5V电源，有效避免了电源变化导致的系统工作不稳定。

图2为功率放大和输出部分，该部分只在执行紧急抛载自救后工作，正常工作时不消耗电能。该部分对外有两组接口信号：电磁铁和GPS电源接口。均为12V输出。

图3为信号调理和检测部分。对外有以下几个硬件接口信号：

1）检测深度信号V0。V0为深度传感器输出的0～5V电压信号。

2）航行控制器联锁信号T1。该信号为高电平或高阻时允许有故障时执行紧急抛载，为低电平时不不允许紧急抛载。

3）航行控制器异常或无条件紧急抛载信号T2。该信号正常情况下对地短路，异常时对地断开或高阻。

4）浮力调节装置异常信号接口T3。该信号正常情况下对地短路，异常时对地断开或高阻。

3、功能描述

3.1故障识别

3.1.1深度超差故障识别

深度传感器信号通过图3中的V0接入，经IC2阻抗变换和幅值调理后，送入IC3-1进行幅度比较，在深度正常时，IC3-1的3脚电平低于2脚电平，则输出端1脚为低电平，后级电路维持常态；一旦深度信号V0超过设定值，IC3-1的3脚电平高于2脚电平，输出端1脚将输出高电平，该信号送入IC4和IC5组成的故障优先识别电路进行故障优先级识别和判断。该信号属于二级故障信息。

3.1.2剩余浮力驱动装置故障和航行控制器故障识别

航行控制器故障信号通过图3中的T2接口输入，剩余浮力驱动装置异常信号通过图3中的T3接口输入。T2和T3信号有两种状态：TTL电平和集电极开路信号。TTL高电平表示需要抛载的故障状态，集电极开路的高阻状态为设备失电状态，本模块亦认定为故障状态处理，其余状态均表征为正常工作状态。

一旦航行控制器或剩余浮力驱动装置故障，T2或T3为高电平，经R34和C34以及R35和C35组成的阻容滤波后送入故障优先识别电路进行故障优先级识别和判断。如果航行控制器或剩余浮力装置断电，则T2或T3端口为高阻，IC4和IC5组成的故障优先识别电路亦判断其为故障信息。

航行控制器故障信息T2属于一级故障信息，剩余浮力驱动装置故障信息属于二级故障信息。

4.2优先级别

航行控制器故障信息T2属于一级故障信息，剩余浮力驱动装置故障信息T3和和深度超深V0信号均属于二级故障信息。

一级故障信息一旦存在，本模块将立即无条件执行抛载紧急上浮自救流程，该信号为优先级故障信息。

二级故障信息发生后，将延时10秒执行抛载紧急上浮自救流程，故障信息出现瞬间，本模块将立即向航行控制器发送请求抛载信号（O1接口，高电平为请求抛载）。如果航行控制器正常，且判断为不需要紧急抛载，则需在10秒内将抛载联锁信号T1置为低电平（航行控制器正常情况下该电平为高电平），本模块在T1为低时，在深度超深或剩余浮力装置故障状态下不执行抛载流程。如果航行控制器在10秒内无响应，本模块认定为准许抛载，则执行抛载紧急上浮自救流程。在深度超深或剩余浮力调节装置故障存在期间，航行控制器可根据实际情况，在任意时刻解除联锁信息-T1变为高电平，本系统接收到该信号后亦将立即执行抛载紧急上浮自救流程。

4.3工作原理

深度超深时，IC5的第1、2、3脚为高电平，经优先识别电路识别后，从6脚和9脚同时输出高电平信号，6脚信号为抛载请求信号O1，送入航行控制器，如果航行控制器在10秒内无响应，本模块认定为准许抛载，则执行抛载紧急上浮自救流程。如果航行控制器正常，且判断为不需要紧急抛载，则需在10秒内将抛载联锁信号T1置为低电平（航行控制器正常情况下该电平为高电平），本模块在T1为低时，在深度超深或剩余浮力装置故障状态下不执行抛载流程。如果航行控制器在10秒内无响应，本模块认定为准许抛载，则执行抛载紧急上浮自救流程。IC5的9脚信号通过R31、R32、C31、C32送入IC4，进行延时比较，该信号受到T1信号联锁，当T1信号为高电平或高阻时，IC4的6脚输出高电平送入IC5的11脚进行逻辑判断并自锁，同时从IC5的12脚输出抛载信号T4（高电平）到图2。T4一旦为高电平，图2中的Q1驱动模块将立即导通，电磁铁DT1得电，电磁铁失去磁性，抛载载荷被弹射出去，完成抛载，一定时间后，因C41、C42被充电，Q1无驱动电压而关断，电磁铁DT1失电，处于无能耗静默状态。T4为高电平的同时，经R42对C44、C45充电，延时一定时间，IC3-2的5脚电平高于6脚电平，IC3-2状态翻转，7脚输出高电平，经D41向Q2提供驱动电压，Q21模块导通，GPS得电，向外发送实时坐标信息。IC6在GPS得电的同时，亦开始工作，向Q21提供驱动电压，实现Q21自锁，确保只要DC2的12V电压存在的情况下就能持续向GPS提供电能，不再受外部信号干扰。

剩余浮力装置异常时，T3信号为高电平或高阻，IC5的4、5、8脚为高，经优先识别电路识别后，亦从IC5的6脚和9脚同时输出高电平信号，其后续工作原理与深度超深时一致。

航行控制器异常或失电时，T2信号为高电平或高阻，IC5的13脚为高，经优先识别电路识别后，IC5的12脚变为高电平，输出到功率放大电路执行抛载紧急上浮流程。

电阻R36和电容C36为自举自锁电路，同时确保启动时模块处于不触发状态。

本系统正常工作时的电流在0.3～0.5mA，为微功耗工作模式，因此采用电池供电允许长时间连续不间断工作。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水下滑翔器紧急安全抛载微功耗控制模块，其特征在于：包括7.2V锂电池、12V锂电池、控制电源稳压变换电路、功率放大和输出电路以及信号调理和检测电路；

所述控制电源稳压变换电路包括稳压器，稳压器的两个输入端相连并串联开关后与所述7.2V锂电池的正极相连，稳压器的使能端以及接地端与所述7.2V锂电池的负极相连并输出地电压，稳压器的两个输出端和取样输入端相连后输出5V电压，同时串联第一电容和第一电阻后接地电压，稳压器的复位端串联第二电阻后接5V电压；

所述功率放大和输出电路包括第一比较器，第一比较器的同相输入端串联第三电阻后连接抛载信号，同时串联第二电容和第三电容后接地；第一比较器的反相输入端串联第四电阻后接5V电压，同时串联第五电阻和第六电阻后接地；第一比较器的输出端串联第七电阻后接5V电压，同时串联二极管后与光耦的三极管发射极相连；光耦的三极管集电极和二极管正极与所述12V锂电池的正极相连，光耦的二极管负极与第一晶体管的漏极相连，第一晶体管的漏极与所述12V锂电池的正极之间连接GPS模块，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的栅极连接下拉的第四电容并与光耦的三极管发射极相连；还包括第二晶体管，第二晶体管的栅极连接下拉的第五电容、第八电阻并串联第六电容、第七电容后连接抛载信号，第二晶体管的源极接地，第二晶体管的漏极与所述12V锂电池的正极之间连接电磁铁；所述12V锂电池的负极接地；

所述信号调理和检测电路包括二路运算放大器，二路运算放大器的第一反相输入端与第一输出端相连并串联第九电阻后连接第二同相输入端，第一同相输入端连接深度信号，第二反相输入端、第二输出端之间并联第八电容以及串联的第十电阻和第十一电阻，第二反相输入端连接下拉的第十二电阻，第二输出端串联第十三电阻后连接第二比较器的同相输入端；第二比较器的同相输入端连接下拉的第九电容，第二比较器的反相输入端串联下拉的第十四电阻、第十五电阻并串联第十六电阻后接5V电压，第二比较器的输出端串联第十七电阻后接5V电压；还包括三3输入与门，三3输入与门的第一与门的第一输入端、第一与门的第二输入端、第二与门的第一输入端相连后连接第二比较器的输出端，第三与门的第三输入端连接三3输入或门的第二或门的输出端，第三与门的第一输入端连接下拉的第十电容，并串联第十八电阻后连接航行控制器异常-紧急抛载信号，第二与门的第二输入端、第二与门的第三输入端、第一与门的第三输入端相连后连接下拉的第十一电容，并串联第十九电阻后连接浮力调节装置异常信号，第一与门的输出端串联第二十电阻、第二十一电阻后连接三3输入或门的第一或门的第二输入端，第二与门的输出端输出抛载请求信号，第三与门的输出端串联第二十二电阻后输出抛载信号，第三与门的第二输入端连接抛载信号，并连接下拉的第十二电容；三3输入或门的第一或门的第二输入端串联下拉的第十三电容、第十四电容，三3输入或门的第二或门的第二输入端和第三或门的第二输入端相连后连接下拉的第十五电容，并串联第二十三电阻后连接航行控制器-抛载联锁信号。

Images