CN104568114A - 低功耗水下数据记录仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗水下数据记录仪系统，属于水声通信技术领域。该数据记录仪系统能够采集水声信号，并存储在其内部的存储模块中，便于在深海环境中使用；且功耗低。具体包括水声信号采集模块、前置放大器、滤波器、压力传感器、仪表放大器、控制器、存储模块和电源，所述水声信号采集模块用于采集水声信号，采集到的水声信号经放大、滤波处理后由控制器进行A/D转换，并以设定的格式写入存储模块中。所述压力传感器用于采集数据记录仪工作环境的压力数据，以获得其在水下工作的实际深度。该系统通过对数据记录仪工作模式和工作流程的低功耗管理，降低其功耗，使其能够长时间在水下独立工作。

Description

低功耗水下数据记录仪系统

技术领域

发明涉及一种数据记录仪系统，具体涉及一种低功耗水下数据记录仪，属于水声通信技术领域。

背景技术

随着世界上各国对于海洋开发的迅速发展，对于海洋水文探测的需求也越来越广泛，数据记录仪的研制应用正是在这种不断进步的技术需求推动下逐步发展起来的。目前已有的智能数据记录仪多为插缆式数据记录仪，其采集到的水声信号需要通过线缆传送给接收机进行存储或处理。但为了获得水声阵列信号，需将数据记录仪布置在深海环境中，采用传统的线缆传送水声信号的方式使用不方便和不可靠。同时由于传统的智能数据记录仪功耗较高，不能长时间在水下独立工作，不适于在深海环境中使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种低功耗水下数据记录仪系统，该数据记录仪系统功耗低，能够在深海环境中长时间稳定接收并记录水声信号。

所述的低功耗水下数据记录仪系统包括：水声信号采集模块、前置放大器、滤波器、压力传感器、仪表放大器、控制器、存储模块和电源；所述水声信号采集模块依次通过前置放大器、滤波器与控制器相连；所述压力传感器通过仪表放大器与控制器相连；所述控制器与存储模块互连；所述电源分别为水声信号采集模块、前置放大器、滤波器、压力传感器、仪表放大器、控制器和存储模块供电。

所述水声信号采集模块用于采集水声信号，采集到的水声信号依次经过前置放大器和滤波器后得到设定带宽的水声信号。

所述控制器中的A\D转换模块对得到的设定带宽的水声信号进行采样，完成A\D转换；并将转换后的水声数据存储在A\D转换寄存器中；所述控制器采用DMA将存储在A\D转换寄存器中的水声数据转移到其内部的乒乓缓存中；在当前缓存存满后，所述控制器向存储模块发送写卡指令；所述控制器在接收到存储模块的应答后，将缓存中的水声数据以设定的格式写入存储模块的指定数据地址中，完成水声数据的记录。

所述压力传感器用于采集数据记录仪系统工作环境的压力数据，并将采集到的压力数据经仪表放大器放大；所述控制器中的A\D转换模块对经仪表放大器放大后的压力数据进行A\D转换，并将转换后的压力数据存储在A\D转换寄存器中；所述控制器按照设定周期采用DMA将转换后的压力数据转移到其内部用于存储压力数据的缓存中；当存储压力数据的缓存写满后，向存储模块发送写卡指令，在接收到存储模块的应答后，将该缓存中的压力数据以设定的格式写入存储模块的指定数据地址中，完成压力数据的记录。

所述控制器依据数据记录仪系统的工作状态对其进行低功耗管理：

所述的工作状态包括：A\D转换、数据转移和数据存储，所述数据为水声数据或压力数据；所述A\D转换模块持续稳定工作，当数据记录仪当前的工作状态仅为A\D转换时，所述控制器处于低功耗模式；当需要进行数据转移或/和数据存储时，开启数据转移或/和数据存储对应功能模块的时钟源，并在数据转移或/和数据存储结束后，立即关闭该时钟源。

在通过绳缆布放数据记录仪系统的过程中，仅压力传感器处于工作状态，其它功能模块均处于待机状态；所述压力传感器实时采集当前压力数据，并发送给控制器；所述控制器依据接收到的压力数据计算当前水深；当计算得到的当前水深与控制器内部设定的数据记录仪系统的工作水深一致时，控制器向各处于待机状态的功能模块发送使能信号，使数据记录仪系统进入工作状态。

所述数据记录仪系统能够通过上位机进行工作参数的配置，所述的工作参数包括：A\D转换模块对水声信号的采样频率、A\D转换模块对压力数据的采样周期、控制器内部程控放大器的增益倍数以及存储模块的读写速率。

有益效果：

(1)在系统中通过对系统工作模式以及工作流程的低功耗管理，能够有效延长其使用时间，尤其在深水使用时，能够保证其长时间在水下独立工作。

(2)在系统中内置存储模块，将采集到的水声信号直接存储在存储模块内，无需通过线缆传送给岸上的接收机，使得数据存储过程简捷，使用方便。

(3)在该深水数据记录仪系统中集成了压力传感器，通过压力传感器采集的外部压力能够获得数据记录仪系统在水下工作的实际深度，从而获得数据记录仪系统所测得的原始水声信号对应的真实深度。同时在组成垂直记录仪阵列时，每个记录仪的工作深度可直接通过压力传感器采集到的压力数据进行区分，从而方便的记录不同深度下的原始水声信号。

附图说明

图1为所述的低功耗水下数据记录仪系统的组成框图；

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种用于深海环境的低功耗水下数据记录仪系统，该系统能够对水声信号进行采集，并存储在内部的存储卡中，便于在深海环境中使用；且系统功耗低，能够长时间在水下独立工作。

该低功耗水下数据记录仪系统的组成如图1所示，包括水声信号采集模块、前置放大器、滤波器、压力传感器、控制器、存储模块和电源，外围设备为上位机。其中控制器采用MSP430控制器MSP430FG4618，存储模块采用MIC-SD卡。

所述水声信号采集模块用于采集水声信号，采集到的水声信号依次经过前置放大器进行放大、滤波器进行滤波后得到设定带宽的水声信号。

所述控制器中的A\D转换模块对得到的设定带宽的水声信号进行采样，完成A\D转换，得到转换后的水声数据，并将转换后的水声数据存储在A\D转换寄存器中。所述控制器通过DMA(直接内存存取)将存储在A\D转换寄存器中的水声数据转移到其内部用于存储水声数据的缓存中，在当前缓存存满后，所述控制器通过SPI总线向MIC-SD卡发出写卡指令；在正常接收到MIC-SD卡的应答后，直接将缓存中的水声数据以设定的格式通过SPI总线写入到MIC-SD卡的指定数据地址中，从而完成水声数据的记录。

为实现对水声数据的连续实时存储，所述控制器采用乒乓缓存数据结构对A\D转换后的水声数据进行存储。即在写卡的同时控制器不间断的将A\D转换寄存器中的水声数据通过DMA发送到其内部的另一个缓存中，由此不会中断水声数据的采样，以保证水声数据的连续实时存储，提高工作效率的同时降低了数据记录仪的功耗。

所述压力传感器用于采集数据记录仪工作环境的压力数据，所述压力数据经放大器放大。所述控制器中的A\D转换模块对经仪表放大器放大后的压力数据进行采样以完成A\D转换，并将转换后的压力数据存储在A\D转换寄存器中。所述控制器按照设定周期采用DMA将转换后的压力数据转移到其内部用于存储压力数据的缓存中，当存储压力数据的缓存写满后，控制器通过SPI总线向MIC-SD卡发出压力数据的写卡指令，控制器在正常接收到MIC-SD卡的应答后，直接将该缓存中的压力数据通过SPI总线写入到MIC-SD卡的指定数据地址中，从而完成压力数据的记录。通过所记录的压力数据能够获得数据记录仪在水下工作的实际深度。在采用多个数据记录仪形成垂直记录仪阵列时(即在同一绳缆上每隔一定距离固定一个数据记录仪)，每个数据记录仪的工作深度可通过其内部的压力传感器采集到的压力数据进行区分。

所述上位机用于在布放数据记录仪系统前配置数据记录仪的工作参数，所述的工作参数包括A\D转换模块对水声信号的采样频率、A\D转换模块对压力数据的采样周期、控制模块内部程控放大器的增益倍数以及存储模块的读写速率等。同时在存储模块初次使用前，所述上位机能够对其进行格式化操作，将其格式化为所需的文件系统格式，并依据所设定的水声信号的采样频率和采样时间初始化数据文件的大小。而当数据记录仪工作完成后，只需将MIC-SD卡与上位机相连，便可对存MIC-SD卡中存储的水声数据和压力数据进行操作。

为保证该数据记录仪系统能够在水下长时间使用，对所述数据记录仪系统的工作模式和工作流程进行低功耗管理。

其中对数据记录仪系统的工作模式进行低功耗管理的方法为：

在通过绳缆布放数据记录仪的过程中，为节约能耗，仅压力传感器处于工作状态，其它功能模块均处于待机状态。压力传感器实时采集当前压力数据，并发送给控制模块，控制模块依据接收到的压力数据计算当前水深；当计算得到的当前水深与控制模块内部设定的数据记录仪的工作水深一致时，控制模块向各处于待机状态的功能模块发送使能信号，数据记录仪进入工作状态。

对数据记录仪系统的工作流程进行低功耗管理的方法为：

所述数据记录仪系统的工作流程包括A\D转换、数据转移和数据存储。由于A\D转换模块需要持续稳定工作以保证数据记录仪信号采集的实时性，因此对水声信号采集模块、前置放大器、滤波器、压力传感器、与压力传感器对应的放大器以及A\D转换模块稳定持续的供电。A\D转换模块使用控制器MSP430FG4618内部ADC12模块ADC12CLK提供时钟源，通过ACLK提供频率较低的定时采样时钟源。在不需进行数据转移和数据存储，只A\D转换模块工作时，控制器MSP430FG4618工作在(LPM3)低功耗模式下。

以所采集的水声数据为例：针对依次采样数据的A\D转换完成后，所述控制器触发中断使DMA响应，开启其内部的主时钟MCLK为DMA提供时钟源，控制器采用DMA将存储在A\D转换寄存器中的数字信号转移到控制模块的缓存中。

当一次DMA数据转移完成后，控制器判断当前缓存是否存满，若当前缓存未存满，立即关闭主时钟MCLK；若当前缓存已存满，控制器使DMA目的地址指向另一个数据缓存，此时控制器打开存储模块的使能信号，给存储模块供电；控制器向存储模块发送数据写入指令，控制器在接收到存储模块的应答后，将缓存中的数据以设定的格式写入到存储模块的指定数据地址中；数据写入完成后，关闭主时钟MCLK，同时关闭存储模块使能信号，控制器再次进入低功耗模式。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.低功耗水下数据记录仪系统，其特征在于，包括：水声信号采集模块、前置放大器、滤波器、压力传感器、仪表放大器、控制器、存储模块和电源；所述水声信号采集模块依次通过前置放大器、滤波器与控制器相连；所述压力传感器通过仪表放大器与控制器相连；所述控制器与存储模块互连；所述电源分别为水声信号采集模块、前置放大器、滤波器、压力传感器、仪表放大器、控制器和存储模块供电；

所述水声信号采集模块用于采集水声信号，采集到的水声信号依次经过前置放大器和滤波器后得到设定带宽的水声信号；

所述控制器中的A\D转换模块对得到的设定带宽的水声信号进行采样，完成A\D转换；并将转换后的水声数据存储在A\D转换寄存器中；所述控制器采用DMA将存储在A\D转换寄存器中的水声数据转移到其内部的乒乓缓存中；在当前缓存存满后，所述控制器向存储模块发送写卡指令；所述控制器在接收到存储模块的应答后，将缓存中的水声数据以设定的格式写入存储模块的指定数据地址中，完成水声数据的记录；

所述压力传感器用于采集数据记录仪系统工作环境的压力数据，并将采集到的压力数据经仪表放大器放大；所述控制器中的A\D转换模块对经仪表放大器放大后的压力数据进行A\D转换，并将转换后的压力数据存储在A\D转换寄存器中；所述控制器按照设定周期采用DMA将转换后的压力数据转移到其内部用于存储压力数据的缓存中；当存储压力数据的缓存写满后，向存储模块发送写卡指令，在接收到存储模块的应答后，将该缓存中的压力数据以设定的格式写入存储模块的指定数据地址中，完成压力数据的记录；

所述控制器依据数据记录仪系统的工作状态对其进行低功耗管理：

所述的工作状态包括：A\D转换、数据转移和数据存储，所述数据为水声数据或压力数据；所述A\D转换模块持续稳定工作，当数据记录仪当前的工作状态仅为A\D转换时，所述控制器处于低功耗模式；当需要进行数据转移或/和数据存储时，开启数据转移或/和数据存储对应功能模块的时钟源，并在数据转移或/和数据存储结束后，立即关闭该时钟源。

2.如权利要求1所述的低功耗水下数据记录仪系统，其特征在于，在通过绳缆布放数据记录仪系统的过程中，仅压力传感器处于工作状态，其它功能模块均处于待机状态；所述压力传感器实时采集当前压力数据，并发送给控制器；所述控制器依据接收到的压力数据计算当前水深；当计算得到的当前水深与控制器内部设定的数据记录仪系统的工作水深一致时，控制器向各处于待机状态的功能模块发送使能信号，使数据记录仪系统进入工作状态。

3.如权利要求1所述的低功耗水下数据记录仪系统，其特征在于，所述数据记录仪系统能够通过上位机进行工作参数的配置，所述的工作参数包括：A\D转换模块对水声信号的采样频率、A\D转换模块对压力数据的采样周期、控制器内部程控放大器的增益倍数以及存储模块的读写速率。