CN114966118A - 一种xcp探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置 - Google Patents

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CN114966118A CN202210599057.2A CN202210599057A CN114966118A CN 114966118 A CN114966118 A CN 114966118A CN 202210599057 A CN202210599057 A CN 202210599057A CN 114966118 A CN114966118 A CN 114966118A
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周珂宇
陈光源
张启升
林祖灿
刘云梁
蒋兴远
李鹏宇
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Shandong University of Science and Technology
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China University of Geosciences Beijing
Shandong University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，包括硬件电路、软件算法、上位机；硬件电路用于实现对XCP探头的电极、线圈、压力和温度信号的采集，经过硬件电路转换为数字信号后进行转输和处理；软件算法根据硬件电路采集得到的探头和线圈数据，分别计算二者的同向分量和正交分量，作为计算海流流速和方向的参考信息；上位机用于接收并显示串口数据，串口数据类型包括XCP探头上传的海流和温度信息，并对实时接收到的数据进行存储和图像化显示。本发明提出的测量装置具有更高的测量精度，且探头的下放和舍弃由硬件电路自动控制，使用更为方便简单，数据的处理由FPGA完成，相较于MCU或DSP等处理器的可靠性更高。

Description

一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置
技术领域
发明涉及投弃式海流电场剖面仪的设计领域,尤其涉及一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置。
背景技术
早在上世纪七十年代，西方发达国家便开始了投弃式温度与海流速度剖面仪(XTVP)的研究。美国华盛顿大学应用物理实验室T.B Sanford等人于1971年提出了海水运动感生电磁场的基本计算公式并于1978年成功研发出了第一台投弃式温度速度测量仪。1979年到1980年T.B Sanford及其所领导的研发团队联合斯皮坎公司制作并海试了几百个探头，获得了初步的探测成果，之后该公司将XTVP更名为XCP并投入实际生产，被广泛地应用到海洋调查、科学研究及国防军事之中。从上世纪八十年代至今 T.B.Sanford及其团队在其所发表的相关文章中仅对此项技术做了原理性分析，未曾过多分析其研发的设备。目前掌握该类技术并生产这类仪器的国家和企业只有美国的斯皮坎公司(Sippican)和日本鹤见精机公司 (TSK)，而后者为前者的代理公司。
为了满足本国的海洋科学调查、海洋动力环境观测和特殊海域动力环境观测的迫切需求，本发明希望提出一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，发明成果对我国的海洋开发、海洋科学调查等提供新的技术支撑和强有力的技术保障，为我国XCP投弃式海流剖面探测技术走向产业化奠定坚实的基础。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，包括硬件电路、软件算法、上位机；
所述硬件电路用于实现对XCP探头的电极、线圈、压力和温度信号的采集，其中电极和线圈信号为正弦信号，采集内容包括幅值、相位、频率；所述压力、温度信号为模拟信号，经过硬件电路转换为数字信号后进行转输和处理；
所述软件算法根据硬件电路采集得到的探头和线圈数据，分别计算二者的同向分量和正交分量，作为计算海流流速和方向的参考信息，并在连续的采集过程中不断迭代同向分量和正交分量值，消除某次异常值对计算结果的影响；
所述上位机用于接收并显示串口数据，串口数据类型包括XCP探头上传的海流和温度信息，并对实时接收到的数据进行存储；上位机页面中提供数据分析接口，支持试验人员对历史数据进行图像化分析操作。
在一种优选的实施例中，所述硬件电路包括模拟信号测量电路、数字信号处理电路、水面浮筒控制电路、通讯电路；所述模拟信号测量电路包括微弱信号放大电路、XCP探头在旋转下降过程中产生的感生电场和线圈电场的同向分量补偿电路、滤波电路；所述数字信号处理电路将模拟电压信号转换为频率信号后，送入以FPGA为核心的系统中进行运算处理；所述水面浮筒控制电路包括信号放大调理电路、触水检测开关电路、熔断控制电路，其中信号放大调理电路用于将经过长距离传输后的衰减信号进行放大，送入通讯模块中向外发送，触水检测开关电路用于判断浮筒入水状态，浮筒入水后由熔断控制电路自动释放XCP探头；所述通讯电路用于连接海面浮筒和探测船甲板上的接收设备，传输实时的海流和温度信息，通讯方式为无线通讯。
在一种优选的实施例中，所述模拟信号测量电路的实现步骤包括：
S1：使用两级放大电路将电极的微弱信号进行多倍放大，放大关系为 Y电极＝A·X电极，其中X电极为电极微弱信号，A为放大倍数，Y电极为放大后的信号；
S2：使用一级放大电路将线圈的输入信号进行放大，放大关系为： Y线圈＝B·(X线圈+X噪声)，放大后进行低通滤波，得到Y线圈＝B·X线圈；其中X线圈为线圈感生电场信号，B为放大倍数，Y线圈为放大后的信号，X噪声为线圈中的高频噪声信号；
S3：将Y电极和Y线圈输入同向分量补偿电路，抵消探头电极在下降过程中的自身感生电场，获得实时的海流电场信号Y海流＝Y电极-Y线圈，并将该信号进行二次放大和低通滤波后输入下一级电路；
S4：使用比较器电路将海流电场信号由正弦波转换为矩形波，送入 FPGA中进行频率计数。
在一种优选的实施例中，所述温度测量电路由温敏电阻和模数转换芯片组成，温敏电阻与另一个低温漂、高精度的电阻分压，得到的电压信号由模数转换芯片采集，其中温敏电阻的供电电压与模数转换芯片的参考电压为同一电压。
在一种优选的实施例中，所述上位机包括串口数据接收、选择文件、显示波形、导出文件和退出功能；所述串口数据接收功能用于开启实时串口数据的接收，接收时需设置串口号、波特率，接收完成后可将数据导出保存；所述选择文件功能用于调取已保存的海流信息文件，结合显示波形功能将海流信息转换为二维图像，图像横坐标为采样点，图像纵坐标为海流速度和温度，图像内容包括速度曲线和温度曲线；所述退出功能用于退出上位机界面。
在一种优选的实施例中，所述软件算法的实现步骤如下：
S1：假设电极旋转得到的初始信号为：
Figure BDA0003668859560000041
其中A为电极在下降过程中的信号幅值，w为电极在下降过程中的信号频率、
Figure BDA0003668859560000042
为电极在下降过程中的信号相位，B为信号传输过程中的零次延迟系数，C为信号传输过程中的一次延迟系数，D为信号传输过程中的二次延迟系数，u为信号传输过程中的噪声值；
S2：初始信号经过硬件电路的放大、滤波操作后得到周期为T，幅值为A的正弦信号，再经过比较器电路后得到周期为T，幅值为供电电压的矩形方波，则电极与线圈中同向分量的计算方法为：
Figure BDA0003668859560000043
电极与线圈中正向分量的计算方法为：
Figure BDA0003668859560000051
电极与线圈中基极分量的计算方法为：
Figure BDA0003668859560000052
其中t0＝0,t1＝T1/4,t2＝T1/2,t3＝3T1/4,t4＝T2,t5＝5T2/4,其中T1和T2为探头下降过程中的相邻两个周期；
S3：将公式1带入公式2、3、4中得：
Figure BDA0003668859560000053
Figure BDA0003668859560000054
Figure BDA0003668859560000055
S4：将连续的3个周期的值带入公式7，算出参数B、C、D的值，回代入公式5和公式6，得到探头和线圈测量的同向分量值和正交分量值， Y同和Y正作为FPGA计算海流速度的参考基准。
在一种优选的实施例中，所述XCP探头的硬件电路由两组锂电池供电，电池供电方式为首尾连接，将连接点作为参考地，形成±12V电源为模拟电路供电；使用电压转换芯片将12V电源转换为5V，为数字电路供电。
在一种优选的实施例中，所述数字电路中包括FPGA处理器、FPGA程序配置芯片、SRAM静态存储器、Flash存储器、电源转换芯片，所述 FPGA处理器用于对采集信息进行处理，所述FPGA程序配置芯片用于存储 FPGA芯片的配置信息，所述SRAM静态存储器用于执行程序，所述Flash 存储器用于存储数据库和程序资源，所述电源转换芯片用于将5V电源转化为FPGA芯片需要的供电电压。
在一种优选的实施例中，所述通讯模块采用无线串口通信方式，通讯格式为1位启始位、8位有效数据、1位奇偶校验位、1位停止位，通讯内容包括海流温度信息、探头旋转信息、方向信息、探头与线圈的同向分量信息、探头与线圈的正交分量信息、探头与线圈的基极分量信息。
在一种优选的实施例中，所述水面浮筒控制电路与所述通信电路采用分离布置的方式安装于浮筒内，两者之间通过线缆连接传输信号。
本发明提供的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，与现有技术相比优点在于：
一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，包括硬件电路、软件算法、上位机；所述硬件电路用于实现对XCP探头的电极、线圈、压力和温度信号的采集，其中电极和线圈信号为正弦信号，采集内容包括幅值、相位、频率；所述压力、温度信号为模拟信号，经过硬件电路转换为数字信号后进行转输和处理；所述软件算法根据硬件电路采集得到的探头和线圈数据，分别计算二者的同向分量和正交分量，作为计算海流流速和方向的参考信息，并在连续的采集过程中不断迭代同向分量和正交分量值，消除某次异常值对计算结果的影响；所述上位机用于接收并显示串口数据，串口数据类型包括XCP探头上传的海流和温度信息，并对实时接收到的数据进行存储；上位机页面中提供数据分析接口，支持试验人员对历史数据进行图像化分析操作。本发明提出的测量装置具有更高的海流速度和温度的测量精度，且探头的下放和舍弃由硬件电路自动控制，使用更为方便简单，数据的处理由FPGA完成，相较于MCU或DSP等处理器的可靠性更高。
附图说明
图1为一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置组成示意图。
图2为测量装置的软件算法流程示意图。
图3为测量装置的模拟电路组成示意图。
图4为测量装置的数字电路组成示意图。
图5为测量装置的模拟电路与数字电路连接示意图。
图6为测量装置的上位机主界面示意图。
图7为测量装置的上位机串口接收数据功能界面示意图。
图8为测量装置的上位机选择文件功能界面示意图。
图9为测量装置的上位机显示波形功能界面示意图。
图10为测量装置的上位机导出文件功能界面示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，包括硬件电路、软件算法、上位机。
硬件电路用于实现对XCP探头的电极、线圈、压力和温度信号的采集，其中电极和线圈信号为正弦信号，采集内容包括幅值、相位、频率；所述压力、温度信号为模拟信号，经过硬件电路转换为数字信号后进行转输和处理；
硬件电路包括模拟信号测量电路、数字信号处理电路、水面浮筒控制电路、通讯电路；所述模拟信号测量电路包括微弱信号放大电路、XCP探头在旋转下降过程中产生的感生电场和线圈电场的同向分量补偿电路、滤波电路；所述数字信号处理电路将模拟电压信号转换为频率信号后，送入以FPGA为核心的系统中进行运算处理；所述水面浮筒控制电路包括信号放大调理电路、触水检测开关电路、熔断控制电路，其中信号放大调理电路用于将经过长距离传输后的衰减信号进行放大，送入通讯模块中向外发送，触水检测开关电路用于判断浮筒入水状态，浮筒入水后由熔断控制电路自动释放XCP探头；所述通讯电路用于连接海面浮筒和探测船甲板上的接收设备，传输实时的海流和温度信息，通讯方式为无线通讯。其中模拟信号测量电路的实现步骤包括：
S1：使用两级放大电路将电极的微弱信号进行多倍放大，放大关系为 Y电极＝A·X电极，其中X电极为电极微弱信号，A为放大倍数，Y电极为放大后的信号；
S2：使用一级放大电路将线圈的输入信号进行放大，放大关系为： Y线圈＝B·(X线圈+X噪声)，放大后进行低通滤波，得到Y线圈＝B·X线圈；其中X线圈为线圈感生电场信号，B为放大倍数，Y线圈为放大后的信号，X噪声为线圈中的高频噪声信号；
S3：将Y电极和Y线圈输入同向分量补偿电路，抵消探头电极在下降过程中的自身感生电场，获得实时的海流电场信号Y海流＝Y电极-Y线圈，并将该信号进行二次放大和低通滤波后输入下一级电路；
S4：使用比较器电路将海流电场信号由正弦波转换为矩形波，送入FPGA中进行频率计数。
温度测量电路由温敏电阻和模数转换芯片组成，温敏电阻与另一个低温漂、高精度的电阻分压，得到的电压信号由模数转换芯片采集，其中温敏电阻的供电电压与模数转换芯片的参考电压为同一电压。
XCP探头的硬件电路由两组锂电池供电，电池供电方式为首尾连接，将连接点作为参考地，形成±12V电源为模拟电路供电；使用电压转换芯片将12V电源转换为5V，为数字电路供电。
数字电路中包括FPGA处理器、FPGA程序配置芯片、SRAM静态存储器、Flash存储器、电源转换芯片，所述FPGA处理器用于对采集信息进行处理，所述FPGA程序配置芯片用于存储FPGA芯片的配置信息，所述 SRAM静态存储器用于执行程序，所述Flash存储器用于存储数据库和程序资源，所述电源转换芯片用于将5V电源转化为FPGA芯片需要的供电电压。
通讯模块采用无线串口通信方式，通讯格式为1位启始位、8位有效数据、1位奇偶校验位、1位停止位，通讯内容包括海流温度信息、探头旋转信息、方向信息、探头与线圈的同向分量信息、探头与线圈的正交分量信息、探头与线圈的基极分量信息。
水面浮筒控制电路与所述通信电路采用分离布置的方式安装于浮筒内，两者之间通过线缆连接传输信号。
软件算法根据硬件电路采集得到的探头和线圈数据，分别计算二者的同向分量和正交分量，作为计算海流流速和方向的参考信息，并在连续的采集过程中不断迭代同向分量和正交分量值，消除某次异常值对计算结果的影响；软件算法的实现步骤如下：
S1：假设电极旋转得到的初始信号为：
Figure BDA0003668859560000101
其中A为电极在下降过程中的信号幅值，w为电极在下降过程中的信号频率、
Figure BDA0003668859560000102
为电极在下降过程中的信号相位，B为信号传输过程中的零次延迟系数，C为信号传输过程中的一次延迟系数，D为信号传输过程中的二次延迟系数，u为信号传输过程中的噪声值；
S2：初始信号经过硬件电路的放大、滤波操作后得到周期为T，幅值为A的正弦信号，再经过比较器电路后得到周期为T，幅值为供电电压的矩形方波，则电极与线圈中同向分量的计算方法为：
Figure BDA0003668859560000103
电极与线圈中正向分量的计算方法为：
Figure BDA0003668859560000104
电极与线圈中基极分量的计算方法为：
Figure BDA0003668859560000105
其中t0＝0,t1＝T1/4,t2＝T1/2,t3＝3T1/4,t4＝T2,t5＝5T2/4,其中T1和T2为探头下降过程中的相邻两个周期；
S3：将公式1带入公式2、3、4中得：
Figure BDA0003668859560000106
Figure BDA0003668859560000107
Figure BDA0003668859560000111
S4：将连续的3个周期的值带入公式7，算出参数B、C、D的值，回代入公式5和公式6，得到探头和线圈测量的同向分量值和正交分量值， Y同和Y正作为FPGA计算海流速度的参考基准。
上位机用于接收并显示串口数据，串口数据类型包括XCP探头上传的海流和温度信息，并对实时接收到的数据进行存储；上位机页面中提供数据分析接口，支持试验人员对历史数据进行图像化分析操作。
上位机包括串口数据接收、选择文件、显示波形、导出文件和退出功能；所述串口数据接收功能用于开启实时串口数据的接收，接收时需设置串口号、波特率，接收完成后可将数据导出保存；所述选择文件功能用于调取已保存的海流信息文件，结合显示波形功能将海流信息转换为二维图像，图像横坐标为采样点，图像纵坐标为海流速度和温度，图像内容包括速度曲线和温度曲线；所述退出功能用于退出上位机界面。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解的是,在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，包括硬件电路、软件算法、上位机；
所述硬件电路用于实现对XCP探头的电极、线圈、压力和温度信号的采集，其中电极和线圈信号为正弦信号，采集内容包括幅值、相位、频率；所述压力、温度信号为模拟信号，经过硬件电路转换为数字信号后进行转输和处理；
所述软件算法根据硬件电路采集得到的探头和线圈数据，分别计算二者的同向分量和正交分量，作为计算海流流速和方向的参考信息，并在连续的采集过程中不断迭代同向分量和正交分量值，消除某次异常值对计算结果的影响；
所述上位机用于接收并显示串口数据，串口数据类型包括XCP探头上传的海流和温度信息，并对实时接收到的数据进行存储；上位机页面中提供数据分析接口，支持试验人员对历史数据进行图像化分析操作。
2.根据权利要求1所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述硬件电路包括模拟信号测量电路、数字信号处理电路、水面浮筒控制电路、通讯电路；所述模拟信号测量电路包括微弱信号放大电路、XCP探头在旋转下降过程中产生的感生电场和线圈电场的同向分量补偿电路、滤波电路；所述数字信号处理电路将模拟电压信号转换为频率信号后，送入以FPGA为核心的系统中进行运算处理；所述水面浮筒控制电路包括信号放大调理电路、触水检测开关电路、熔断控制电路，其中信号放大调理电路用于将经过长距离传输后的衰减信号进行放大，送入通讯模块中向外发送，触水检测开关电路用于判断浮筒入水状态，浮筒入水后由熔断控制电路自动释放XCP探头；所述通讯电路用于连接海面浮筒和探测船甲板上的接收设备，传输实时的海流和温度信息，通讯方式为无线通讯。
3.根据权利要求2所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述模拟信号测量电路的实现步骤包括：
S1：使用两级放大电路将电极的微弱信号进行多倍放大，放大关系为Y电极＝A·X电极，其中X电极为电极微弱信号，A为放大倍数，Y电极为放大后的信号；
S2：使用一级放大电路将线圈的输入信号进行放大，放大关系为：Y线圈＝B·(X线圈+X噪声)，放大后进行低通滤波，得到Y线圈＝B·X线圈；其中X线圈为线圈感生电场信号，B为放大倍数，Y线圈为放大后的信号，X噪声为线圈中的高频噪声信号；
S3：将Y电极和Y线圈输入同向分量补偿电路，抵消探头电极在下降过程中的自身感生电场，获得实时的海流电场信号Y海流＝Y电极-Y线圈，并将该信号进行二次放大和低通滤波后输入下一级电路；
S4：使用比较器电路将海流电场信号由正弦波转换为矩形波，送入FPGA中进行频率计数。
4.根据权利要求1所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述温度测量电路由温敏电阻和模数转换芯片组成，温敏电阻与另一个低温漂、高精度的电阻分压，得到的电压信号由模数转换芯片采集，其中温敏电阻的供电电压与模数转换芯片的参考电压为同一电压。
5.根据权利要求1所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述上位机包括串口数据接收、选择文件、显示波形、导出文件和退出功能；所述串口数据接收功能用于开启实时串口数据的接收，接收时需设置串口号、波特率，接收完成后可将数据导出保存；所述选择文件功能用于调取已保存的海流信息文件，结合显示波形功能将海流信息转换为二维图像，图像横坐标为采样点，图像纵坐标为海流速度和温度，图像内容包括速度曲线和温度曲线；所述退出功能用于退出上位机界面。
6.根据权利要求1所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述软件算法的实现步骤如下：
S1：假设电极旋转得到的初始信号为：
Figure FDA0003668859550000031
其中A为电极在下降过程中的信号幅值，w为电极在下降过程中的信号频率、
Figure FDA0003668859550000032
为电极在下降过程中的信号相位，B为信号传输过程中的零次延迟系数，C为信号传输过程中的一次延迟系数，D为信号传输过程中的二次延迟系数，u为信号传输过程中的噪声值；
S2：初始信号经过硬件电路的放大、滤波操作后得到周期为T，幅值为A的正弦信号，再经过比较器电路后得到周期为T，幅值为供电电压的矩形方波，则电极与线圈中同向分量的计算方法为：
Figure FDA0003668859550000033
电极与线圈中正向分量的计算方法为：
Figure FDA0003668859550000034
电极与线圈中基极分量的计算方法为：
Figure FDA0003668859550000041
其中t0＝0,t1＝T1/4,t2＝T1/2,t3＝3T1/4,t4＝T2,t5＝5T2/4,其中T1和T2为探头下降过程中的相邻两个周期；
S3：将公式1带入公式2、3、4中得：
Figure FDA0003668859550000042
Figure FDA0003668859550000043
Figure FDA0003668859550000044
S4：将连续的3个周期的值带入公式7，算出参数B、C、D的值，回代入公式5和公式6，得到探头和线圈测量的同向分量值和正交分量值，Y同和Y正作为FPGA计算海流速度的参考基准。
7.根据权利要求1所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述XCP探头的硬件电路由两组锂电池供电，电池供电方式为首尾连接，将连接点作为参考地，形成±12V电源为模拟电路供电；使用电压转换芯片将12V电源转换为5V，为数字电路供电。
8.根据权利要求1所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述数字电路中包括FPGA处理器、FPGA程序配置芯片、SRAM静态存储器、Flash存储器、电源转换芯片，所述FPGA处理器用于对采集信息进行处理，所述FPGA程序配置芯片用于存储FPGA芯片的配置信息，所述SRAM静态存储器用于执行程序，所述Flash存储器用于存储数据库和程序资源，所述电源转换芯片用于将5V电源转化为FPGA芯片需要的供电电压。
9.根据权利要求1所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述通讯模块采用无线串口通信方式，通讯格式为1位启始位、8位有效数据、1位奇偶校验位、1位停止位，通讯内容包括海流温度信息、探头旋转信息、方向信息、探头与线圈的同向分量信息、探头与线圈的正交分量信息、探头与线圈的基极分量信息。
10.根据权利要求2所述的一种XCP探头在旋转状态下电极通道噪声的测量装置，其特征在于，所述水面浮筒控制电路与所述通信电路采用分离布置的方式安装于浮筒内，两者之间通过线缆连接传输信号。
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