CN113256958B - 远距数据传输设备及方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种远距数据传输设备及方法。该设备包括远距测量模块、数据传输通道和数据接收模块；远距测量模块包括依次连接的第一测量装置、第一控制装置和可变电阻；数据传输通道包括第一导电介质和第二导电介质，数据接收模块包括采样电阻、供电电源、第二控制装置和第二测量装置和第三测量装置。各导电介质的发送端口分别与可变电阻的两端连接，第二导电介质的发送端口和可变电阻之间接地，第二导电介质的接收端口与第二测量装置和地连接；第一导电介质的接收端口通过采样电阻连接至第二测量装置，第二测量装置还与第二控制装置和地连接；第三测量装置并联于采样电阻两端。供电电源连接至采样电阻和第二测量装置之间。

Description

远距数据传输设备及方法

技术领域

本发明涉及通信及数据处理技术领域，尤其涉及一种远距数据传输设备及方法。

背景技术

环境要素测量领域中，通常受限于环境，需要采用抛弃式参数测量设备进行远距测量，并将测量数据进行回传。以海洋环境要素测量为例，使用海洋抛弃式参数测量设备及各型深海传感器等进行水下参数的跨水面测量，并利用缠绕在线轴上的远距、跨水面电气传输线将水下信号或数据传输至水面载具。海洋抛弃式参数测量设备主要由水下工作的测量探头和水面主机组成，利用装载各种物理量传感器的测量探头在水下垂直下落，实时测量垂直下落轨迹处的温度、电导率、声速、压力等参数。通过逐步释放缠绕在水面、水下线轴上的远距、跨水面电气传输线，使之伸展成直线状态，在水上和水下构建长达几千米的远距电气通信链路，利用该电气通信链路将水下测量探头信号或数据传输至水面主机。

海洋抛弃式参数测量设备的线轴分水上线轴部分和水下线轴两部分，二者绕制同一根电气传输线形成电气通路。设备使用时，水面主机安装在船舶内部，水上线轴部分随水面船舶以一定速度移动，水上线轴以一定速度持续释放电气传输线，使电气传输线由缠绕状态伸展为直线状态，水上线轴绕制电气传输线长度支持船舶一定速度水平运动速度所需距离。水下线轴安装在测量探头内部，测量探头从水面垂直运动至水下一定深度，水下线轴以一定速度持续释放电气传输线，使电气传输线由缠绕状态伸展为直线状态，水下线轴绕制电气传输线长度大于测量探头最大下潜深度。电气传输线的一端连接测量探头内部的传感器或电路作为发送端，另一端由水上线轴引出电气端口用于连接水面主机，水面主机作为接收端。测量探头、电气传输线、水面主机构成了通信系统，电气传输线是系统的电气通信链路。

海洋抛弃式参数测量设备所采用的电气传输线要求电气介质细微、绝缘、耐缠绕、低成本、机械性能好等条件，受上述条件制约，国内外海洋抛弃式测量设备通常选择单芯或两芯绝缘漆包线作为电气传输线。电气传输线预先缠绕在线轴上构成电气通信链路，实际使用海洋抛弃式参数测量设备时，电气传输线由缠绕状态逐渐伸展成为直线状态，随着时间变化，电气传输线总体阻抗由感性向容性过度，电气传输线自身特性随时间变化，应用该电气传输线组成的电气通信链路属于典型的时变信道，存在信号畸变失真、噪声干扰、长距离衰减、带宽小问题。

现有技术中，针对上述问题通常采用如下几种方案：

第一种，利用电气传输线作为电气通信链路，传输测量单一的物理量形成的信号或数据。这种方法通常将待测物理量为NTC（（Negative Temperature Coefficient），负温度系数）热敏电阻的阻值放置在“模拟电桥”某测量臂进行测量，由于“模拟电桥”与电气传输线串联，因此对NTC热敏电阻测量结果不可避免地包含电气传输线自身的阻抗，导致设备测量准确度受到影响。

第二种，利用电气传输线作为电气通信链路传输测量多个的物理量形成的信号或数据。这种方法需同时测量温度、压力、电导率等，并将所有测量结果传输至水面主机，发送端需采用数字调制方式将测量结果进行数字调制，形成数字信号传输，要求专用数字调制电路，电路复杂、成本高，并且受发送数据符号速率限制，必须极大压缩数据传输位宽、严重制约测量数据的更新率。

因此，解决信号和数据在时变特性电气通信链路可靠、稳定传输成为海洋抛弃式测量设备通信的难点问题。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种远距数据传输设备及方法，用以解决现有的抛弃式测量设备远距传输数据不稳定、导致数据测量不准确以及通信速率受时变信道限制的问题。

为解决上述技术问题，本申请实施例是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供一种远距数据传输设备，包括远距测量模块、数据传输通道和数据接收模块；

所述远距测量模块包括依次连接的第一测量装置、第一控制装置和可变电阻；

所述数据传输通道包括长度可伸缩的第一导电介质和第二导电介质，所述数据传输通道通过所述长度的伸缩释放所述远距测量模块；所述数据接收模块包括采样电阻、供电电源、第二控制装置、第二测量装置以及第三测量装置；

所述第一导电介质和所述第二导电介质的发送端口分别与所述可变电阻的两端连接，所述第二导电介质的发送端口和所述可变电阻之间接地，所述第二导电介质的接收端口与所述第二测量装置的第一端和地连接；所述第一导电介质的接收端口通过所述采样电阻连接至所述第二测量装置的第二端，所述第二测量装置还与所述第二控制装置和地连接；所述第三测量装置并联于所述采样电阻两端，用于测量所述采样电阻两端的电压；所述供电电源的供电端连接至所述接收端口和所述采样电阻之间，用于向所述数据传输通道输入电流；所述第二测量装置用于测量所述第一端和所述第二端之间的电压；

其中，所述远距测量模块用于测量通信数据，并将所述通信数据转换为对应的阻值进行输出；所述数据接收模块用于测量所述远距测量模块输出的阻值，并获取所述阻值对应的所述通信数据。

另一方面，本申请实施例提供一种远距数据传输方法，应用于如上一方面所述的远距数据传输设备，所述方法包括：

在所述数据传输通道释放所述远距测量模块的情况下，所述第一测量装置测量通信数据，并将所述通信数据传输至所述第一控制装置；

所述第一控制装置根据预先设定的各通信数据和电阻调节参数之间的对应关系，确定所述通信数据对应的电阻调节参数，并控制所述可变电阻按照所述电阻调节参数输出对应的阻值；

在所述供电电源供电后，所述第二控制装置根据指定参数计算所述可变电阻的输出阻值；根据预先设置的通信数据和区段阻值之间的对应关系，确定所述输出阻值对应的目标通信数据；所述指定参数包括所述采样电阻、所述采样电阻两端的电压、所述第一导电介质的阻抗、所述第二导电介质的阻抗、所述第二测量装置的第一端和第二端之间的电压中的至少一项。

本发明实施例提供的远距数据传输设备，包括远距测量模块、数据传输通道和数据接收模块，其中，远距测量模块包括依次连接的第一测量装置、第一控制装置和可变电阻；数据传输通道包括长度可伸缩的两条导电介质，各导电介质的发送端口分别与可变电阻的两端连接。数据接收模块包括采样电阻、供电电源、第二控制装置、第二测量装置以及第三测量装置，各导电介质的接收端口分别与第二测量装置的两端连接，且第二测量装置还分别与第二控制装置和地连接，供电电源的供电端连接至导电介质的接收端口和第二测量装置之间，用于向数据传输通道输入电流。可见，该设备通过在远距测量模块中接入供电电源、采样电阻和可变电阻，使得第一测量装置测量的通信数据无需通过数据传输通道直接传输至数据接收模块，而是由第一控制装置控制可变电阻输出通信数据对应的阻值，进而只需数据接收模块测量该阻值即可获知准确的通信数据，因此不仅硬件成本低，可变电阻种类多样，使得该设备的实现方式灵活度高。并且，通过测量可变电阻的阻值来确定远距测量的通信数据的方式，使得通信数据的测量结果不再受数据传输通道的不稳定因素（尤其是时变通信信道）的影响，从而确保通信数据的准确性，避免通信速率受时变信道的限制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是根据本发明一实施例的一种远距数据传输设备的示意性框图；

图2是根据本发明另一实施例的一种远距数据传输设备的示意性框图；

图3是根据本发明一实施例的一种远距数据传输设备的示意性结构图；

图4是根据本发明另一实施例的一种远距数据传输设备的示意性结构图；

图5是根据本发明一实施例的一种远距数据传输方法的示意性流程图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种远距数据传输设备及方法，用以解决现有的抛弃式测量设备远距传输数据不稳定、导致数据测量不准确以及通信速率受时变信道限制的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1是根据本发明一实施例的一种远距数据传输设备的示意性框图。如图1所示，远距数据传输设备包括远距测量模块10、数据传输通道20和数据接收模块30。其中：

远距测量模块10包括依次连接的第一测量装置11、第一控制装置12和可变电阻13；

数据传输通道20包括长度可伸缩的第一导电介质21和第二导电介质22，数据传输通道20通过长度的伸缩释放远距测量模块10；数据接收模块30包括采样电阻31、供电电源32、第二控制装置33、第二测量装置34以及第三测量装置35。

第一导电介质21和第二导电介质22的发送端口分别与可变电阻13的两端连接，第二导电介质22的发送端口和可变电阻13之间接地（GND）；第二导电介质22的接收端口与第二测量装置34的第一端和地连接（图1中未示出接地端）。

第一导电介质21的接收端口通过采样电阻31连接至第二测量装置34的第二端，第二测量装置34还与第二控制装置33和地连接（图1中未示出接地端）；第三测量装置35并联于采样电阻31两端，用于测量采样电阻31两端的电压；供电电源32的供电端连接至采样电阻31和第二测量装置34之间，用于向数据传输通道20输入电流；第二测量装置34用于测量第二测量装置34的第一端和第二端之间的电压。

其中，远距测量模块10用于测量通信数据，并将通信数据转换为对应的阻值进行输出；数据接收模块30用于测量远距测量模块10输出的阻值，并获取阻值对应的通信数据。

本实施例中，可变电阻13可以是直接或间接受控调节阻值的元器件或设备，例如数字电位器。

本发明实施例提供的远距数据传输设备，包括远距测量模块、数据传输通道和数据接收模块，其中，远距测量模块包括依次连接的第一测量装置、第一控制装置和可变电阻；数据传输通道包括长度可伸缩的两条导电介质，各导电介质的发送端口分别与可变电阻的两端连接。数据接收模块包括采样电阻、供电电源、第二控制装置、第二测量装置以及第三测量装置，各导电介质的接收端口分别与第二测量装置的两端连接，且第二测量装置还分别与第二控制装置和地连接，供电电源的供电端连接至导电介质的接收端口和第二测量装置之间，用于向数据传输通道输入电流。可见，该设备通过在远距测量模块中接入供电电源、采样电阻和可变电阻，使得第一测量装置测量的通信数据无需通过数据传输通道直接传输至数据接收模块，而是由第一控制装置控制可变电阻输出通信数据对应的阻值，进而只需数据接收模块测量该阻值即可获知准确的通信数据，因此不仅硬件成本低，可变电阻种类多样，使得该设备的实现方式灵活度高。并且，通过测量可变电阻的阻值来确定远距测量的通信数据的方式，使得通信数据的测量结果不再受数据传输通道的不稳定因素（尤其是时变通信信道）的影响，从而确保通信数据的准确性，避免通信速率受时变信道的限制。

在一个实施例中，在数据传输通道20释放远距测量模块10的情况下，第一测量装置11测量通信数据；第一控制装置12用于根据预先设定的各通信数据和电阻调节参数之间的对应关系，确定通信数据对应的电阻调节参数，并控制可变电阻13按照电阻调节参数输出对应的阻值；

第二测量装置33用于测量第二测量装置34的第一端和第二端之间的电压；第二控制装置32用于根据指定参数计算可变电阻13输出的阻值，并根据阻值确定通信数据；

其中，指定参数包括采样电阻、采样电阻两端的电压、第一导电介质的阻抗、第二导电介质的阻抗、第二测量装置的第一端和第二端之间的电压、供电电源的输入电流中的至少一项。实际应用中，为提升测量结果的准确性，第二控制装置32根据采样电阻、采样电阻两端的电压、第一导电介质的阻抗、第二导电介质的阻抗、第二测量装置的第一端和第二端之间的电压以及供电电源的输入电流来计算可变电阻的阻值。

在一个实施例中，如图2所示，数据接收模块30包括两个供电电源（分别为321和322）、两个采样电阻（分别为311和312）和两个第三测量装置（分别为351和352）。第一导电介质21的接收端口和第二测量装置34之间串联有采样电阻311，第二导电介质22的接收端口和第二测量装置34之间串联有采样电阻312。采样电阻311的两端并联有第三测量装置351，采样电阻312的两端并联有第三测量装置352，第二导电介质22的接收端口通过第三测量装置352接地（图2中未示出接地端）。供电电源321的供电端连接至第一导电介质21中串联的采样电阻311和第二测量装置34的第二端之间，用于向第一导电介质21所在的通道输入电流。供电电源322的供电端连接至第二导电介质22中串联的采样电阻312和第二测量装置34的第一端之间，用于向第二导电介质22所在的通道输入电流。

本实施例中，第二控制装置32根据采样电阻311和采样电阻312的阻值、第一导电介质21的阻抗、第二导电介质22的阻抗、供电电源321和供电电源322的输入电流、第二测量装置34的第一端和第二端之间的电压、采样电阻311两端的电压以及采样电阻312两端的电压来计算可变电阻的阻值。

在一个实施例中，数据接收模块30还包括补偿电阻，该补偿电阻串联于第一导电介质21或第二导电介质22中，用于补偿阻抗较小的其中一条导电介质的阻抗。

本实施例中，指定参数还包括补偿电阻的阻值。即，第二控制装置32根据采样电阻、第一导电介质21的阻抗、第二导电介质22的阻抗、供电电源32的输入电流、第二测量装置34的第一端和第二端之间的电压、补偿电阻和采样电阻两端的电压来计算可变电阻的阻值。

在一个实施例中，第二测量装置33和第三测量装置为运算放大器，第二测量装置的第一端和第二端分别为运算放大器的两个输入端；各运算放大器的输出端分别与第二控制装置连接。

在一个实施例中，数据接收模块30还包括模数转换器，模数转换器连接于运算放大器和第二控制装置32之间。

在一个实施例中，可变电阻13为数字电位器。

下面以海洋环境要素测量场景为例，详细说明本申请提供的远距数据传输设备的电路结构以及工作原理。

图3是根据本发明一实施例提供的一种远距数据传输设备的电路结构示意图。本实施例中，远距数据传输设备为海洋抛弃式参数测量设备，电气传输线（即数据传输通道20）缠绕在线轴上，在使用时，通过转动线轴释放电气传输线以实现海底参数的测量。远距测量模块10中接入的可变电阻13使用具有3个端口的数字电位器，数据接收模块30中的第二测量装置34均使用运算放大器。

如图3所示，发送端（水下），即远距测量模块10，包括依次串联的物理测量传感器1-N（即第一测量装置11）、发送端控制系统和数字电位器R。数据传输通道20包括两芯导电介质，外包绝缘物质。两芯导电介质的阻抗分别为Z1和Z2。接收端（水面），即数据接收模块30，包括补偿电阻R补、两个电流源I1和I2（即供电电源32）、采样电阻R1和R2、运算放大器U1~U3、A/D电路（即模数转换器）和控制系统（即第二控制装置33）组成。

其中，数字电位器R的两端与电气传输线的发送端口（即靠近发送端（水下）的端口）连接，电气传输线的另一端分别接入接收端（水面），其中，阻抗为Z1的导电介质的接收端口（即靠近接收端（水面）的端口）依次通过补偿电阻R补、采样电阻R1接入运算放大器U3的输入端，阻抗为Z2的导电介质的接收端口（即靠近接收端（水面）的端口）通过采样电阻R2接入运算放大器U3的另一输入端。阻抗为Z2的导电介质和数字电位器R的连接之处接入地GND1。由图3可看出，数字电位器R、电气传输线和运算放大器U3通过连接构成了闭环、绝缘的电气回路。

电流源I1的供电端接入连接至采样电阻R1和运算放大器U3之间，电流源I2的供电端接入连接至采样电阻R2和运算放大器U3之间，分别用于向各自接入的电气传输线中输入电流。电流源I1和I2分别产生i1和i2两个直流电流，i1流经采样电阻R1、补偿电阻R补、电气传输线阻抗Z1、数字电位器R、海水阻抗Z海至GND2；i2流经采样电阻R2、电气传输线阻抗Z2、海水阻抗Z海至GND2端。电流源I1和I2可根据需要选择，通常为uA（微安）级别。

运算放大器U1的两个输入端分别连接至采样电阻R1的两端，运算放大器U2的两个输入端分别连接至采样电阻R2的两端。运算放大器U1~U3的输出端分别通过一个A/D电路连接至接收端的控制系统，且运算放大器U1~U3分别接入地GND2。此外，考虑到海水的阻抗，图3示意性地将海水阻抗以Z海作为标记，且接地端GND1经过Z海与接地端GND2连接。A/D电路采用现有技术中的模数转换器结构，此处不再赘述。

运算放大器U1实时测量采样电阻R1的值，通过恒定、高精度的采样电阻R1和运算放大器U1对GND2端的输出电压u1，通过欧姆定律可计算电流i1。优选的，运算放大器U1的放大倍数固定为1。

运算放大器U2实时测量采样电阻R2的值，通过恒定、高精度的采样电阻R2和运算放大器U2对GND2端的输出电压u2，通过欧姆定律可计算电流i2。优选的，运算放大器U2的放大倍数固定为1。

运算放大器U3实时测量图3中M点与N点相对于GND2端的电位差值，即实时测量运算放大器U3的两个输入端之间的电压。优选的，运算放大器U3的放大倍数固定为1。

需要说明的是，图3中仅是示意性的将补偿电阻R补接入在了阻抗Z1对应的导电介质中，实际应用中补偿电阻R补的接入位置应取决于阻抗Z1和Z2之间的大小关系。补偿电阻R补用于补偿直流情况下电气传输线两芯导电介质的阻抗Z1和Z2的不一致性。设备生产过程中，利用阻抗测量设备预先测量电气传输线两芯导电介质的阻抗Z1和Z2的值，若Z1＞Z2，则补偿电阻R补串联至Z2一侧，若Z1＜Z2，则补偿电阻R补串联至Z1一侧，补偿之后，利用阻抗测量设备测量并记录电气传输线的阻抗值Z测。即通过R补，使Z1+R补=Z2=Z测 或 Z2+R补=Z1=Z测。

此外，图3所示的远距数据传输设备中，电流源I1和I2均可采用极低电流恒流电流源，数字电位器R为纯阻性元件，通信数据在直流低频带以模拟方式传输，从而避免了宽带数字信号通过时变信道造成的一系列问题。

进一步的，远距数据传输设备采用适当的配置，发送数据符号速率主要取决于数字电位器R阻值控制与变化速率，以及接收端的A/D电路、控制系统的计算速度，与信道幅频特性无关。

在使用图3所示的远距数据传输设备时，预先设置各通信数据和数字电位器R的控制字（即电阻调节参数）之间的对应关系，并将该对应关系存储在发送端控制系统中。并且预先设置各通信数据和数字电位器R的接收阻值范围之间的对应关系，并将该对应关系存储在接收端控制系统中。

在发送端（水下），置于水下的物理测量传感器1-N测量水下参数，并反馈至发送端控制系统。发送端控制系统根据预先设定的各通信数据和数字电位器R的控制字之间的对应关系，确定测量得到的通信数据对应的控制字，并将确定的控制字发送给数字电位器R，使得数字电位器R按照接收到的控制字输出对应的阻值。

在接收端（水面），规定GND2端为0电位，采样电阻R1=R2为确定值，测量u1、u2、u3点相对GND2端的电压，即u1、u2、u3为可测确值。Z测为在设备生产过程中预先经过阻抗测量设备测量并记录的电气传输线的阻抗值。

M点电位um 相对于GND2端的电位如以下公式（1）所示：

um = u1 +i1·（R补+Z1）+i1·R +（i1+i2）·Z海 （1）

N点电位un 相对于GND2端的电位如以下公式（2）所示：

un = u2+i2·Z2+（i1+i2）·Z海 （2）

M点到N点的电位差记为umn，由于um和un中均含有（i1+i2）·Z海这一公共项，因此计算um与un的电位差时，该公共项抵消，即无论Z海为何值，最后的计算结果都与该值无关，使得测量水下参数对应的通信数据不受海水阻抗的影响，确保接收端获取到的通信数据的准确性。

M点到N点的电位差umn如以下公式（3）所示：

umn = um-un = u1 +i1·（R补+Z1）+i1·R-u2- i2·Z2 （3）

公式（3）中，umn=u3，u3为运算放大器U3的输出电压，属于可测量的确定值；且u1和u2分别为运算放大器U1、U2的输出电压，也属于可测量的确定值；（R补+Z1）=Z2=Z测，对公式（3）整理得到以下公式（4）：

u3= u1 +（i1-i2）·Z测+i1·R - u2 （4）

公式（4）中，R1=R2，属于电路设计中确定的固定阻值，则i1=u1/R1；i2=u2/R2。因此将公式（4）整理得公式（5）：

R= [(u3+u2-u1)·R1]/u1-[(u1·R2-u2·R1)·Z测·R1]/(R1·R2·u1)（5）

公式（5）中，除数字电位器的阻值R之外，其它均为可测的确定值，因此可通过u1、u2、u3、R1、R2、Z测的值求解R。

由以上分析可知，接收端（水面）的u1、u2、u3、R1、R2、Z测均为确定值，因此，接收端的控制系统可根据这几项值计算出数字电位器的阻值R。

然后，接收端的控制系统根据预先设置的各通信数据和数字电位器R的接收阻值范围之间的对应关系，确定出阻值R落入的接收阻值范围，进而确定接收阻值范围所对应的通信数据，从而获取到准确的通信数据。

此外，对于上述公式（4），若采用适当的方式确保i1和i2的误差足够小，即i1-i2≈0uA，则公式（4）中的（i1-i2）·Z测可消除，从而使测量R的公式进一步简化为以下公式（6）：

R=[ (u3+u2-u1）·R1]/u1 （6）

使用公式（6）时可粗略测量出R值，即数字电位器的输出阻值R与电气传输线的长度等无关，降低了计算复杂度。

本实施例中，预先设置的各通信数据和数字电位器R的控制字之间的对应关系，以及各通信数据和数字电位器R的接收阻值范围之间的对应关系中，通信数据均可以是十六进制的形式。基于此，在发送端测得通信数据后，先将通信数据转换为十六进制数据，再根据转换后的十六进制数据确定对应的控制字。在接收端计算出阻值R后，根据上述对应关系获取到的同样是十六进制的通信数据。

本实施例中，由于海水阻抗Z海无法测量、不确定，亦存在可变性，因此使用了两个电流源（I1和I2）和两条测量线路（双环路电流通信）经“差动”测量数字电位器R的值，同时利用“差分”方式传输通信数据，确保了通信数据测量的低噪声及高准确度。

在其他场景中，如在陆地或其他场景中使用本发明提供的技术方案时，由于海水阻抗Z海“可测且为固定值”等效划入为“传输线的阻抗”，因此上述方案可简化为仅使用其中一路电流源进行测量，如图4所示。

参照图4，发送端（水下）和电气传输线的连接方式和图3所示相同，区别在于，图3所示的远距数据传输设备中，接收端（水面）在电气传输线的两芯导电介质中均接入了采样电阻、运算放大器和电流源，使得量芯导电介质和海水构成电流回路。而图4所示的远距数据传输设备中，接收端（水面）仅在电气传输线的其中一根导电介质中接入采样电阻、运算放大器和电流源作为电流回路，而另一根导电介质则接地作为信号线。从图4可看出，相较于图3，图4所示的远距数据传输设备中缺少了补偿电阻R补、采样电阻R2、电流源I2和运算放大器U2以及运算放大器U2和接收端控制系统之间的A/D电路。

需要说明的是，图3和图4所示的远距数据传输设备中使用的相同元器件，均可采用上述实施例中的元器件选择方式，此处不再赘述。

在使用图4所示的远距数据传输设备时，预先设置各通信数据和数字电位器R的控制字（即电阻调节参数）之间的对应关系，并将该对应关系存储在发送端控制系统中。并且预先设置各通信数据和数字电位器R的接收阻值范围之间的对应关系，并将该对应关系存储在接收端控制系统中。

在发送端（水下），置于水下的物理测量传感器1-N测量水下参数，并反馈至发送端控制系统。发送端控制系统根据预先设定的各通信数据和数字电位器R的控制字之间的对应关系，确定测量得到的通信数据对应的控制字，并将确定的控制字发送给数字电位器R，使得数字电位器R按照接收到的控制字输出对应的阻值。

在接收端（水面），规定GND2端为0电位，采样电阻R1为确定值，测量u1、u3点相对GND2端的电压，即u1、u3为可测确值。Z1和Z2为在设备生产过程中预先经过阻抗测量设备测量并记录的电气传输线的阻抗值。

由于N点接地，因此M点到N点的电位差umn如以下公式（7）所示：

umn=u3=i1（R1+Z1+R+Z2） （7）

并且由于i1=u1/R1，因此结合上述公式（7）可得出以下公式（8）：

R=（u3·R1）/u1 -R1 - Z1 - Z2 （8）

本实施例中，两芯导电介质可以是两芯平衡线，即Z1=Z2，也可以是两芯不平衡线，即Z1≠Z2。如上述公式（8）所示，在确定R1阻值，测量并记录Z1和Z2、u3、u1时，可计算出数字电位器输出的R值。可见，在水阻抗Z海“可测且为固定值”等效划入为“传输线的阻抗”的情况下，可使用连接方式更加简化的远距数据传输设备（即图4所示），不仅降低设备成本，且同样能够实现准确测量通信数据的效果，避免通信速率受时变信道的限制。

在一个实施例中，可预先规定通信数据的帧结构，例如，帧结构包括：帧起始、多个参数测量值（参数测量值1…参数测量值N）、时间戳、校验字段等。在测量出水下参数的参数值之后，发送端控制系统将参数值按照帧结构排列，然后转化为十六进制的串行数据，该串行数据即为发送端的通信数据。

下面举例说明十六进制的通信数据和数字电位器R的控制字、控制阻值、接收阻值范围之间的对应关系。

表1示出了一种通信数据和数字电位器R的控制字、控制阻值、接收阻值范围之间的对应关系。

参照表1，本实施例采用的数字电位器为：标称阻值、标称电阻公差误差、供电电压、信号带宽、控制字范围0~255、积分非线性、微分非线性、调节速度等。优选的，本实施例的数字电位器中起决定性作用的指标有：标称阻值50kΩ、控制字范围0~255、1个最小控制字对应的最小单位可变电阻值≈195.3Ω（即50kΩ/256）。

考虑到系统的稳定性，避免干扰等影响，在接收端设定的通信数据和数字电位器R的接收阻值范围之间的对应关系中，应采用数字电位器R的接收阻值范围映射某一发射字符（即通信数据），而不是一个阻值点。考虑到功耗影响和容错程度，应尽可能选择较大的接收阻值范围来进行一一映射，从而使系统具有良好的通信容错性和信噪比。且在控制系统处增加控制逻辑，严格避免数字电位器R处于0Ω区段。

考虑到接收端测量数字电位器R的准确度、数字电位器R的标称电阻公差等问题，需选择离散阻值区段进行映射，各字符对应的接收阻值区段之间应设置间隔区，防止由于误差、数字电位器R一致性等问题造成边界阻值一对多映射。因此，可使用某些阻值区段来设置非0~F字符，以代表间隔符、起始符、结束符等或其他作用，可根据通信需要进行设置。

在设定通信数据和数字电位器R的控制字、控制阻值、接收阻值范围之间的对应关系之后，发送端和接收端可按异步通信要求，约定时钟波特率，完成通信数据的发送和接收。约定固定的时钟波特率后，发送端可在时钟波特率边沿处通过控制字（238）设置数字电位器R阻值（46481Ω），代表发送“起始符”，后续在每个时钟波特率边沿，通过控制字（102~222）设置数字电位器R的阻值（19921~43357Ω），代表发送“0x0~0xf”，或其他含义的字符。接收端则监测数字电位器R的阻值，在每个时钟波特率边沿按阻值对应数字电位器R的接收阻值范围，对应解析接收的通信数据。

需要说明的是，上表1中列举的通信数据和数字电位器R的控制字、控制阻值、接收阻值范围之间的对应关系仅是一种示例，且通信数据采用十六进制方式传输也仅是一种示例，在实际应用中，可根据需要选择通信数据的编码格式和映射关系，本实施例对此不做限定。

图5是根据本发明一实施例的一种远距数据传输方法的示意性流程图，如图5所示，该方法应用于如图1-4任一所示的远距数据传输设备，包括以下步骤：

S502，在数据传输通道释放远距测量模块的情况下，第一测量装置测量通信数据，并将通信数据传输至第一控制装置。

S504，第一控制装置根据预先设定的各通信数据和电阻调节参数之间的对应关系，确定通信数据对应的电阻调节参数，并控制可变电阻按照电阻调节参数输出对应的阻值。

S506，在供电电源供电后，第二控制装置根据指定参数计算可变电阻的输出阻值；根据预先设置的通信数据和区段阻值之间的对应关系，确定输出阻值对应的目标通信数据。

其中，指定参数包括采样电阻、采样电阻两端的电压、第一导电介质的阻抗、第二导电介质的阻抗、第二测量装置的第一端和第二端之间的电压中的至少一项。

在一个实施例中，电阻调节参数为数字电位器的控制字。

在执行S306，即根据预先设定的各通信数据和电阻调节参数之间的对应关系，确定通信数据对应的电阻调节参数，并控制可变电阻按照电阻调节参数输出对应的阻值时，可先根据预先设定的各通信数据和控制字之间的对应关系，确定通信数据对应的控制字；进而将确定的控制字发送至数字电位器，以使数字电位器根据控制字输出对应的阻值。

在一个实施例中，可预先确定远距测量模块测量通信数据的第一频率，以及数据接收模块获取目标通信数据的第二频率；进而基于第一频率触发第一测量装置测量通信数据，以及基于第二频率触发第二控制系统计算可变电阻的输出阻值。

可见，本发明实施例提供的技术方案，通过在远距测量模块中接入可变电阻，使得第一测量装置测量的通信数据无需通过数据传输通道直接传输至数据接收模块，而是由第一控制装置控制可变电阻输出通信数据对应的阻值，进而只需数据接收模块测量该阻值即可获知准确的通信数据，因此不仅硬件成本低，可变电阻种类多样，使得该设备的实现方式灵活度高。并且，通过测量可变电阻的阻值来确定远距测量的通信数据的方式，使得通信数据的测量结果不再受数据传输通道的不稳定因素（尤其是时变通信信道）的影响，从而确保通信数据的准确性，避免通信速率受时变信道的限制。

综上，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种远距数据传输设备，其特征在于，包括远距测量模块、数据传输通道和数据接收模块；

所述远距测量模块包括依次连接的第一测量装置、第一控制装置和可变电阻；所述数据传输通道包括长度可伸缩的第一导电介质和第二导电介质，所述数据传输通道通过所述长度的伸缩释放所述远距测量模块；所述数据接收模块包括采样电阻、供电电源、第二控制装置、第二测量装置以及第三测量装置；

所述第一导电介质和所述第二导电介质的发送端口分别与所述可变电阻的两端连接，所述第二导电介质的发送端口和所述可变电阻之间接地，所述第二导电介质的接收端口与所述第二测量装置的第一端和地连接；所述第一导电介质的接收端口通过所述采样电阻连接至所述第二测量装置的第二端，所述第二测量装置还与所述第二控制装置和地连接；所述第三测量装置并联于所述采样电阻两端，用于测量所述采样电阻两端的电压；所述供电电源的供电端连接至所述采样电阻和所述第二测量装置之间，用于向所述数据传输通道输入电流；所述第二测量装置用于测量所述第一端和所述第二端之间的电压；

其中，所述远距测量模块用于测量通信数据，并将所述通信数据转换为对应的阻值进行输出；所述数据接收模块用于测量所述远距测量模块输出的阻值，并获取所述阻值对应的所述通信数据。

2.根据权利要求1所述的远距数据传输设备，其特征在于，

在所述数据传输通道释放所述远距测量模块的情况下，所述第一测量装置测量所述通信数据；所述第一控制装置用于根据预先设定的各通信数据和电阻调节参数之间的对应关系，确定所述通信数据对应的电阻调节参数，并控制所述可变电阻按照所述电阻调节参数输出对应的阻值；

所述第二控制装置用于根据指定参数计算所述可变电阻输出的阻值，并根据所述阻值确定所述通信数据；

其中，所述指定参数包括所述采样电阻的阻值、所述采样电阻两端的电压、所述第一导电介质的阻抗、所述第二导电介质的阻抗、所述第二测量装置的第一端和第二端之间的电压、所述供电电源的输入电流中的至少一项。

3.根据权利要求2所述的远距数据传输设备，其特征在于，所述数据接收模块包括两个所述供电电源、两个所述采样电阻和两个所述第三测量装置；

所述第二导电介质的接收端口和所述第二测量装置之间串联有一个所述采样电阻，该采样电阻的两端并联有一个所述第三测量装置，所述第二导电介质的接收端口通过所述第三测量装置接地；其中一个所述供电电源的供电端连接至所述第二导电介质中串联的所述采样电阻和所述第二测量装置之间，用于向所述第二导电介质所在的通道输入电流。

4.根据权利要求3所述的远距数据传输设备，其特征在于，所述数据接收模块还包括补偿电阻；所述补偿电阻串联于所述第一导电介质或所述第二导电介质中，用于补偿阻抗较小的其中一条导电介质的阻抗；

所述指定参数还包括所述补偿电阻的阻值。

5.根据权利要求1所述的远距数据传输设备，其特征在于，所述第二测量装置和所述第三测量装置为运算放大器；

所述第二测量装置的第一端和第二端分别为所述运算放大器的两个输入端；各所述运算放大器的输出端分别与所述第二控制装置连接。

6.根据权利要求5所述的远距数据传输设备，其特征在于，所述数据接收模块还包括模数转换器；所述模数转换器连接于所述运算放大器和所述第二控制装置之间。

7.根据权利要求1所述的远距数据传输设备，其特征在于，所述可变电阻为数字电位器。

8.一种远距数据传输方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的远距数据传输设备，所述方法包括：

在所述数据传输通道释放所述远距测量模块的情况下，所述第一测量装置测量通信数据，并将所述通信数据传输至所述第一控制装置；

所述第一控制装置根据预先设定的各通信数据和电阻调节参数之间的对应关系，确定所述通信数据对应的电阻调节参数，并控制所述可变电阻按照所述电阻调节参数输出对应的阻值；

在所述供电电源供电后，所述第二控制装置根据指定参数计算所述可变电阻的输出阻值；根据预先设置的通信数据和区段阻值之间的对应关系，确定所述输出阻值对应的目标通信数据；所述指定参数包括所述采样电阻的阻值、所述采样电阻两端的电压、所述第一导电介质的阻抗、所述第二导电介质的阻抗、所述第二测量装置的第一端和第二端之间的电压中的至少一项。

9.根据权利要求8所述的方法，所述电阻调节参数为数字电位器的控制字；

所述根据预先设定的各通信数据和电阻调节参数之间的对应关系，确定所述通信数据对应的电阻调节参数，并控制所述可变电阻按照所述电阻调节参数输出对应的阻值，包括：

根据预先设定的各通信数据和控制字之间的对应关系，确定所述通信数据对应的控制字；

将确定的所述控制字发送至所述数字电位器，以使所述数字电位器根据所述控制字输出对应的阻值。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括：

确定所述远距测量模块测量所述通信数据的第一频率，以及所述数据接收模块获取所述目标通信数据的第二频率；

基于所述第一频率触发所述第一测量装置测量所述通信数据；

基于所述第二频率触发所述第二控制装置计算所述可变电阻的输出阻值。

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