基于多傳感器的水下微型測試系統

丁寶俊+唐曉慶

摘 要：針對某水下產品試驗布放過程中繩索受力及其深度位置信息采集、記錄和分析需求，以+3.3 V單片機和大容量閃存為硬件系統的核心，設計了一種低成本小型測試系統。該系統收集的數據可作為某水下產品研制過程中改進設計和考核試驗的重要依據。

關鍵詞：多傳感器；低功耗；大容量；微型；測試

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）02-0020-03

在測試領域中，低功耗、大容量、小體積的設計特點已經成為競爭的主要目標，而水下微型測試系統對確定產品的性能指標有著重要的參考意義。本測試系統主要用于某水下產品試驗過程中其繩索受力和產品深度位置兩項參數的測量、實時采集和記錄，并在試驗結束后通過USB2.0通信接口將數據下載到計算機中，由專用的數據處理軟件對信號進行分析和處理。下面詳細闡述此測試系統的工作原理、系統組成、硬軟件設計和所實現的性能指標，同時，對各信號測量的方法、記錄器存儲容量計算、信號調理電路設計、信號測量存儲方法、系統基本結構和配置進行描述。

1 測試系統的組成和原理

該測試系統主要由采集記錄器和授時回放軟件（數據處理軟件）兩部分組成。采集記錄器收錄數據存儲、讀取程序，在產品試驗前，完成與授時回放軟件的時間同步；在試驗過程中，進行兩路傳感器信號的水下采集，并記錄時間信息；在試驗結束后，將存入閃存的數據寫入U盤后上傳至PC機中。授時回放軟件將記錄的數據綜合，解算出記錄的拉力、深度和時間參數，并以數據、圖表形式直觀地展現出來。

在本測試系統的設計中，采集記錄器滿足了各項指標并解決了控制器與外圍芯片難匹配的問題，從結構設計、原理設計和電源設計等多個環節滿足體積小、容量大、功耗低的設計要點。

1.1 采集記錄器主要硬件設計

采集記錄器硬件主要由信號測量、數據采集、數據存儲和數據下載四部分組成，其電原理框圖詳見圖1. 電路設計選用單片2 GB大容量閃存作為存儲單元，來滿足連續24 h記錄容量的需求。微控制單元（MCU）控制器選用3.3 V低電壓PIC單片機，簡化了與存儲器的接口設計，配置雙路ADC芯片、實時時鐘、電壓轉換芯片、總線收發器和特種水密插座等，以實現產品入水采樣控制、數據讀取和記錄過程時間的精確、同步等功能。

圖1 采集記錄器電原理框圖

1.1.1 信號測量

采集繩索力信號選用柱式拉壓力傳感器，采用箔式應變片貼在合金鋼彈性體上，具有精度高、長期運行穩定、密封性好等特點；也可選用變送器，它可直接產生0～5 V的標準輸出信號，但其體積大、安裝困難、可靠性低。本著小型化考慮，不選用變送器。線路板信號調理部分見圖2.

采集水深信號選用不銹鋼壓阻式變送器，它體積小、結構緊密，精度為0.2%FS（滿量程），且具有良好的穩定性，輸入電壓范圍為8～28 V，輸出0～5 V的標準信號，可直接供A/D進行采樣。它采用標準的外螺紋，可直接安裝到密封殼體上。

1.1.2 數據采集

這部分主要負責將小型傳感器組輸出的力和深度信息轉換成數字信號。被測電壓信號在進入記錄器后，先轉換成與ADC轉換相匹配的電壓信號，然后通過信號調理電路，將外部信號1∶1放大，并輸出至ADC芯片。另外，它還加入了電壓鉗位功能，以保證信號不會對采集記錄器造成任何影響，如圖2所示。

圖2 信號調理

AD采集選用雙通道12位串行AD轉換器、MAX144芯片和8-pin μMAX封裝。MAX144的最大采集頻率為108 kHz，具有轉換速率高、功耗低等優點。兩個模擬輸入通道CH0與CH1可連接到兩個不同的信號源上，上電復位后，MAX144將自動對CH0通道的模擬信號進行A/D轉換。轉換完畢后，自動切換到CH1通道，并對CH1通道模擬信號進行A/D轉換。之后，交替地在CH0和CH1通道之間進行切換和轉換，輸出數據中包含通道標志位CHID來確定該數據為哪一通道轉換得到。MAX144特別適合本系統使用，它的電池供電對功耗和空間有相應的要求。

1.1.3 中心控制邏輯單元

MCU控制器是中心控制邏輯單元的核心，它具有實現系統啟動、初始化設置、功能設置、數據讀取和電源控制等功能。在系統上電后，MCU控制器會檢測和判別記錄器工作狀態。當處于待觸發狀態時，它會開始檢測，并啟動觸發信號（入水采集）。一旦確認為啟動記錄，MCU控制器就發出采集允許指令，開始采集、記錄數據，直到存儲單元記滿才會停止采集。當MCU接收到數據下載指令后，MCU會將數據傳輸到計算機，由計算機保存和處理。本系統選用Microchip公司生產的PIC16LF 877APT單片機，采用44腳貼片封裝，具有體積小、功耗低等特點。

要注意的是：AD轉換器MAX144芯片模擬信號輸入范圍為0～VDD，而VDD范圍為+2.7～+5.25 V，因其采集信號為0～5 V，所以采用+5 V供電，這樣就與3.3V控制器MCU接口電平不一致。本設計采用2片具有方向控制功能的總線收發器，很好地解決了SPI信號流向和電平匹配的難題。ADC與控制器的接口設計見圖3.

圖3 ADC與控制器的接口設計

由于記錄器記錄時間長，系統時鐘的精度會直接影響事后數據分析的結果，因此，在數據采集的過程中，引入實時時鐘，使其在記錄過程中與時鐘精確同步。數據記錄器在試驗前通過計算機授時，即為PC機的時間（或GPS時間）。授時完畢后，記錄器內部的高精度時鐘芯片開始工作，實時時鐘有內部備用電源，可以在記錄器不上電的情況下工作。

電源控制由電池、電壓轉換芯片等組成。電池采用多節鋰離子電池串并聯而成，電池容量是由工作電流和工作時間決定。電源采用2節3.6V電池串聯成電池組，同時再將3組電池組并聯而成，預計電池容量為1.8A/h×2×3=10.8 A/h，數據記錄器按0.3A/h計算，記錄時間為（10.8 A/h）/（0.3 A/h）=36 h，可見，它可以滿足24 h的記錄任務。

電源電路采用降額設計，并使用高精度電源電路，它可以保證供電系統的可靠性。當觸發引線為低電平時，輸出電壓為0 V；當觸發引線為高電平觸發后，電池組電壓輸出，系統上電過程詳見圖4. 電壓轉換芯片實現將電池電壓7.2 V轉換為系統所需要的12 V、5 V和3.3 V：12 V為小型傳感器組工作電壓，5 V為模擬電路的工作電壓，3.3 V為數字電路的工作電壓。

1.1.4 數據存儲

數據存儲選用FLASH存儲芯片K9F2G08U0M（2GB），它可以在300μs內完成2 112字節的頁編程操作，還可以在2 ms內完成128 K字節的擦除操作，同時，數據區內的數據能以30 ns/byte的速度讀出。從接口角度看，雖然K9F2G08U0M的容量和尋址范圍遠遠超過常見單片機的容量和尋址范圍，但由于芯片上的控制器能自動控制所有編程和擦除操作，提供必要的重復脈沖、內部確認和數據空間，而且其I/O口既可以作為地址的輸入端，也可以作為數據的輸出端，同時它還可以作為指令的輸入端。這樣不僅省去了地址線，而且還解決了單片機控制系統中引腳資源有限的問題。它除了滿足大容量要求外，還可在斷電的情況下保證采集的數據不會丟失，確保數據的安全。閃存由于工藝的原因，其容量越大工作電壓便會越低，而單片機最低的工作電壓為+3.3 V，這為簡化接口設計選用+3.3 V工作電壓的閃存進行數據的存儲提供了有力的支持。

容量計算示例：4（通道）×1 k/s×2（字節）×60×60×48/1024/1024/1024≈2 GByte。如果數據量更大，可根據實際需要選擇容量更大的閃存或將多片存儲芯片擴展使用。

1.1.5 數據下載

該接口是個備用模塊，在試驗結束后，它負責把記錄到大容量閃存中的數據下載到PC機（上位機）。選用USB118AD型U盤數傳接口，它有標準USB2.0接口和高速SPI接口，適用于本系統的外掛式存儲（U盤或USB接口的移動硬盤等）。SPI口文件傳輸最大速度為150 kByte/s，記錄形成FAT16/FAT32文件，便于處理操作。數據下載接口簡單、拔插方便、操作性強，大大縮小了體積，提高了系統的可靠性。與MCU接口關系詳見圖5.

1.2 采集記錄器主要軟件設計

采集記錄器的軟件為數據存儲讀取匯編程序，包括ADC采樣，閃存讀、寫和擦除，時鐘讀、寫，寫U盤等。限于篇幅關系，在此僅給出閃存頁編程子模塊程序以作示例，具體詳見圖6.

圖6 閃存頁編程子模塊程序

1.3 授時回放軟件

授時回放軟件，即將數據處理軟件運行在PC機上，依照面向對象編寫為集成控制軟件，以菜單方式選擇功能。它的主要功能有通信、時間同步、讀取數據、數據解算、圖表顯示和存盤等。軟件的結構見圖7，在此不詳細介紹其程序。

圖7 軟件結構框圖

2 小型化設計

本系統在實現技術指標和滿足性能要求的前提下，簡化設計目標，盡可能地減少產品組成單元的數量和其相互間的關聯，采用模塊化設計，選用低功耗器件。為了使裝置便于安裝操作，選用貼片元器件和高可靠性小型插座，同時，省掉了對接水密插頭（用于入水觸發采樣），采用引線方式、預留外掛U盤數傳接口等來確保裝置的小型化。

3 抗干擾設計

布線時，盡可能減短兩路模擬信號的輸入通路，避免平行，用地線對其進行屏蔽。在模擬輸入前端，即在輸入信號前串接470 Ω的電阻，并接入0.01 μF的旁路電容，以削弱開關電容濾波器所產生的時鐘噪聲。設計電源線時，根據印制線路板電流的大小盡量加粗電源線的寬度，使電源線地線中的供電方向與數據信號的傳遞方向相反，即從末級向前級推進供電，這樣做有助于增強抗噪聲能力等。

4 結束語

本文完整地介紹了多傳感器的水下微型測試系統的設計和研制，硬件和軟件均經過實踐檢驗，并成功地將其應用在某測試裝置中。從樣機的運行結果來看，本文設計方案不僅可行，還保證了其在數據采樣處理方面的諸多性能指標，而且系統的可靠性較高、實用性較強。它為水下測試系統小型化提供了一種新的思路。

參考文獻

[1]徐澤善，胡愛民.傳感器與壓電器件[M].北京：國防工業出版社，1999.

[2]高光天.模數轉換器應用技術[M].北京：科學出版社，2001.

[3]張念淮，江浩.USB總線接口開發指南[M].北京：國防工業出版社，2002.

〔編輯：白潔〕

Underwater Miniature Multi-sensor Test System

Ding Baojun， Tang Xiaoqing

Abstract： In the course of the rope force put its depth position information collection， recording and analysis needs to +3.3 V single-chip and large-capacity flash memory is the core of the systems hardware products for a certain underwater test cloth， designed a low-cost small-scale test systems. Data collected by the system can be used as a product development process improvement underwater important basis for the design and assessment tests.

Keywords： multi-sensor； low power consumption； capacity； miniature； tests

電源電路采用降額設計，并使用高精度電源電路，它可以保證供電系統的可靠性。當觸發引線為低電平時，輸出電壓為0 V；當觸發引線為高電平觸發后，電池組電壓輸出，系統上電過程詳見圖4. 電壓轉換芯片實現將電池電壓7.2 V轉換為系統所需要的12 V、5 V和3.3 V：12 V為小型傳感器組工作電壓，5 V為模擬電路的工作電壓，3.3 V為數字電路的工作電壓。

1.1.4 數據存儲

數據存儲選用FLASH存儲芯片K9F2G08U0M（2GB），它可以在300μs內完成2 112字節的頁編程操作，還可以在2 ms內完成128 K字節的擦除操作，同時，數據區內的數據能以30 ns/byte的速度讀出。從接口角度看，雖然K9F2G08U0M的容量和尋址范圍遠遠超過常見單片機的容量和尋址范圍，但由于芯片上的控制器能自動控制所有編程和擦除操作，提供必要的重復脈沖、內部確認和數據空間，而且其I/O口既可以作為地址的輸入端，也可以作為數據的輸出端，同時它還可以作為指令的輸入端。這樣不僅省去了地址線，而且還解決了單片機控制系統中引腳資源有限的問題。它除了滿足大容量要求外，還可在斷電的情況下保證采集的數據不會丟失，確保數據的安全。閃存由于工藝的原因，其容量越大工作電壓便會越低，而單片機最低的工作電壓為+3.3 V，這為簡化接口設計選用+3.3 V工作電壓的閃存進行數據的存儲提供了有力的支持。

容量計算示例：4（通道）×1 k/s×2（字節）×60×60×48/1024/1024/1024≈2 GByte。如果數據量更大，可根據實際需要選擇容量更大的閃存或將多片存儲芯片擴展使用。

1.1.5 數據下載

該接口是個備用模塊，在試驗結束后，它負責把記錄到大容量閃存中的數據下載到PC機（上位機）。選用USB118AD型U盤數傳接口，它有標準USB2.0接口和高速SPI接口，適用于本系統的外掛式存儲（U盤或USB接口的移動硬盤等）。SPI口文件傳輸最大速度為150 kByte/s，記錄形成FAT16/FAT32文件，便于處理操作。數據下載接口簡單、拔插方便、操作性強，大大縮小了體積，提高了系統的可靠性。與MCU接口關系詳見圖5.

1.2 采集記錄器主要軟件設計

采集記錄器的軟件為數據存儲讀取匯編程序，包括ADC采樣，閃存讀、寫和擦除，時鐘讀、寫，寫U盤等。限于篇幅關系，在此僅給出閃存頁編程子模塊程序以作示例，具體詳見圖6.

圖6 閃存頁編程子模塊程序

1.3 授時回放軟件

授時回放軟件，即將數據處理軟件運行在PC機上，依照面向對象編寫為集成控制軟件，以菜單方式選擇功能。它的主要功能有通信、時間同步、讀取數據、數據解算、圖表顯示和存盤等。軟件的結構見圖7，在此不詳細介紹其程序。

圖7 軟件結構框圖

2 小型化設計

本系統在實現技術指標和滿足性能要求的前提下，簡化設計目標，盡可能地減少產品組成單元的數量和其相互間的關聯，采用模塊化設計，選用低功耗器件。為了使裝置便于安裝操作，選用貼片元器件和高可靠性小型插座，同時，省掉了對接水密插頭（用于入水觸發采樣），采用引線方式、預留外掛U盤數傳接口等來確保裝置的小型化。

3 抗干擾設計

布線時，盡可能減短兩路模擬信號的輸入通路，避免平行，用地線對其進行屏蔽。在模擬輸入前端，即在輸入信號前串接470 Ω的電阻，并接入0.01 μF的旁路電容，以削弱開關電容濾波器所產生的時鐘噪聲。設計電源線時，根據印制線路板電流的大小盡量加粗電源線的寬度，使電源線地線中的供電方向與數據信號的傳遞方向相反，即從末級向前級推進供電，這樣做有助于增強抗噪聲能力等。

4 結束語

本文完整地介紹了多傳感器的水下微型測試系統的設計和研制，硬件和軟件均經過實踐檢驗，并成功地將其應用在某測試裝置中。從樣機的運行結果來看，本文設計方案不僅可行，還保證了其在數據采樣處理方面的諸多性能指標，而且系統的可靠性較高、實用性較強。它為水下測試系統小型化提供了一種新的思路。

參考文獻

[1]徐澤善，胡愛民.傳感器與壓電器件[M].北京：國防工業出版社，1999.

[2]高光天.模數轉換器應用技術[M].北京：科學出版社，2001.

[3]張念淮，江浩.USB總線接口開發指南[M].北京：國防工業出版社，2002.

〔編輯：白潔〕

Underwater Miniature Multi-sensor Test System

Ding Baojun， Tang Xiaoqing

Abstract： In the course of the rope force put its depth position information collection， recording and analysis needs to +3.3 V single-chip and large-capacity flash memory is the core of the systems hardware products for a certain underwater test cloth， designed a low-cost small-scale test systems. Data collected by the system can be used as a product development process improvement underwater important basis for the design and assessment tests.

Keywords： multi-sensor； low power consumption； capacity； miniature； tests

電源電路采用降額設計，并使用高精度電源電路，它可以保證供電系統的可靠性。當觸發引線為低電平時，輸出電壓為0 V；當觸發引線為高電平觸發后，電池組電壓輸出，系統上電過程詳見圖4. 電壓轉換芯片實現將電池電壓7.2 V轉換為系統所需要的12 V、5 V和3.3 V：12 V為小型傳感器組工作電壓，5 V為模擬電路的工作電壓，3.3 V為數字電路的工作電壓。

1.1.4 數據存儲

數據存儲選用FLASH存儲芯片K9F2G08U0M（2GB），它可以在300μs內完成2 112字節的頁編程操作，還可以在2 ms內完成128 K字節的擦除操作，同時，數據區內的數據能以30 ns/byte的速度讀出。從接口角度看，雖然K9F2G08U0M的容量和尋址范圍遠遠超過常見單片機的容量和尋址范圍，但由于芯片上的控制器能自動控制所有編程和擦除操作，提供必要的重復脈沖、內部確認和數據空間，而且其I/O口既可以作為地址的輸入端，也可以作為數據的輸出端，同時它還可以作為指令的輸入端。這樣不僅省去了地址線，而且還解決了單片機控制系統中引腳資源有限的問題。它除了滿足大容量要求外，還可在斷電的情況下保證采集的數據不會丟失，確保數據的安全。閃存由于工藝的原因，其容量越大工作電壓便會越低，而單片機最低的工作電壓為+3.3 V，這為簡化接口設計選用+3.3 V工作電壓的閃存進行數據的存儲提供了有力的支持。

容量計算示例：4（通道）×1 k/s×2（字節）×60×60×48/1024/1024/1024≈2 GByte。如果數據量更大，可根據實際需要選擇容量更大的閃存或將多片存儲芯片擴展使用。

1.1.5 數據下載

該接口是個備用模塊，在試驗結束后，它負責把記錄到大容量閃存中的數據下載到PC機（上位機）。選用USB118AD型U盤數傳接口，它有標準USB2.0接口和高速SPI接口，適用于本系統的外掛式存儲（U盤或USB接口的移動硬盤等）。SPI口文件傳輸最大速度為150 kByte/s，記錄形成FAT16/FAT32文件，便于處理操作。數據下載接口簡單、拔插方便、操作性強，大大縮小了體積，提高了系統的可靠性。與MCU接口關系詳見圖5.

1.2 采集記錄器主要軟件設計

采集記錄器的軟件為數據存儲讀取匯編程序，包括ADC采樣，閃存讀、寫和擦除，時鐘讀、寫，寫U盤等。限于篇幅關系，在此僅給出閃存頁編程子模塊程序以作示例，具體詳見圖6.

圖6 閃存頁編程子模塊程序

1.3 授時回放軟件

授時回放軟件，即將數據處理軟件運行在PC機上，依照面向對象編寫為集成控制軟件，以菜單方式選擇功能。它的主要功能有通信、時間同步、讀取數據、數據解算、圖表顯示和存盤等。軟件的結構見圖7，在此不詳細介紹其程序。

圖7 軟件結構框圖

2 小型化設計

本系統在實現技術指標和滿足性能要求的前提下，簡化設計目標，盡可能地減少產品組成單元的數量和其相互間的關聯，采用模塊化設計，選用低功耗器件。為了使裝置便于安裝操作，選用貼片元器件和高可靠性小型插座，同時，省掉了對接水密插頭（用于入水觸發采樣），采用引線方式、預留外掛U盤數傳接口等來確保裝置的小型化。

3 抗干擾設計

布線時，盡可能減短兩路模擬信號的輸入通路，避免平行，用地線對其進行屏蔽。在模擬輸入前端，即在輸入信號前串接470 Ω的電阻，并接入0.01 μF的旁路電容，以削弱開關電容濾波器所產生的時鐘噪聲。設計電源線時，根據印制線路板電流的大小盡量加粗電源線的寬度，使電源線地線中的供電方向與數據信號的傳遞方向相反，即從末級向前級推進供電，這樣做有助于增強抗噪聲能力等。

4 結束語

本文完整地介紹了多傳感器的水下微型測試系統的設計和研制，硬件和軟件均經過實踐檢驗，并成功地將其應用在某測試裝置中。從樣機的運行結果來看，本文設計方案不僅可行，還保證了其在數據采樣處理方面的諸多性能指標，而且系統的可靠性較高、實用性較強。它為水下測試系統小型化提供了一種新的思路。

參考文獻

[1]徐澤善，胡愛民.傳感器與壓電器件[M].北京：國防工業出版社，1999.

[2]高光天.模數轉換器應用技術[M].北京：科學出版社，2001.

[3]張念淮，江浩.USB總線接口開發指南[M].北京：國防工業出版社，2002.

〔編輯：白潔〕

Underwater Miniature Multi-sensor Test System

Ding Baojun， Tang Xiaoqing

Abstract： In the course of the rope force put its depth position information collection， recording and analysis needs to +3.3 V single-chip and large-capacity flash memory is the core of the systems hardware products for a certain underwater test cloth， designed a low-cost small-scale test systems. Data collected by the system can be used as a product development process improvement underwater important basis for the design and assessment tests.

Keywords： multi-sensor； low power consumption； capacity； miniature； tests