便攜式讀數(shù)裝置的研發(fā)

龐麗麗 董翰川 史 云 馮建華

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

地下水是人類生存和發(fā)展的重要資源，但是對地下水的不合理開發(fā)導致了許多不良后果。為了保護地下水資源，進行地下水動態(tài)監(jiān)測成為目前的主要任務(wù)。地下水動態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)是專門用于地下水監(jiān)測管理的設(shè)備，對地下水的水位和水溫的動態(tài)變化進行長期自動監(jiān)測，實現(xiàn)地下水動態(tài)數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、傳輸和遠程管理。測量數(shù)據(jù)自動保存在儀器內(nèi)部的存儲單元內(nèi)，可定期通過GSM公共服務(wù)網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入終端管理平臺并完成監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測設(shè)備的動態(tài)管理，極大地方便了監(jiān)測部門進行遠程監(jiān)控。

地下水遠程監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測數(shù)據(jù)無線通信主機(以下簡稱通信主機)、水位計(或傳感器)和配套軟件。便攜式讀數(shù)裝置是地下水動態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的配套系統(tǒng)，完成野外數(shù)據(jù)的現(xiàn)場讀取和對系統(tǒng)參數(shù)的配置。整個裝置采用模塊化設(shè)計，主要有串口轉(zhuǎn)換模塊、低電壓指示模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)，并根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)混合編幀，然后依次輸入存儲器保存。當需要讀取數(shù)據(jù)時，與PC機連接在其控制下從存儲器讀取，然后通過USB通信總線傳到PC機，此種工作模式適合于對實時性要求不高的場合[1～5]。對于實時性要求高的場合，需要上位機及時處理數(shù)據(jù)，因此開發(fā)一種現(xiàn)場讀數(shù)裝置直接與PC機相連，對于數(shù)據(jù)的實時采集與存儲有非常重要的意義。

讀數(shù)裝置的硬件主要由3部分構(gòu)成，如圖1所示。串口轉(zhuǎn)換模塊用于實現(xiàn)計算機設(shè)備的串口擴充，完成工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，筆者采用芯片MAX3232和SN65hvd08完成其轉(zhuǎn)換功能；低電壓指示模塊用來監(jiān)測供電電壓，當供電電壓小于額定值時指示燈亮；電源轉(zhuǎn)換模塊將3.6V干電池電壓升到需要的工作電壓，其輸出電壓可調(diào)。

圖1 讀數(shù)裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路

便攜式讀數(shù)裝置硬件電路部分由串口轉(zhuǎn)換電路、欠壓指示電路和電源轉(zhuǎn)換電路組成。

串口轉(zhuǎn)換電路采用MAX3232和SN65hvd08芯片完成轉(zhuǎn)換功能，MAX3232收發(fā)器用雙電荷泵在3.0～5.5V電源供電時實現(xiàn)RS-232性能，器件僅需4個0.1μF外部小尺寸電荷泵電容，封裝采用節(jié)省空間的TSSOP。SN65hvd08的工作電壓在3～5V，休眠耗電小于90mV，與標準ANSI TIA/EIA-485兼容，用于與主機連接的遠程數(shù)據(jù)和多條數(shù)據(jù)總線獨立傳輸以及工業(yè)過程控制網(wǎng)。

電源轉(zhuǎn)換電路采用LM2731芯片，其工作電壓2.7～14.0V，輸出電壓5～17V，最高達20V；輸出電流1.8A，功耗很低，靜態(tài)電流1～2mA。內(nèi)置斜率補償電路，有節(jié)能控制功能，在待機狀態(tài)整個變換器的耗電電流1μA，因而可以延長電池的使用壽命。低功耗對于整個裝置的研發(fā)具有重要意義，同時支持先進的電流模式控制，在寬電壓輸入范圍內(nèi)具有良好的負載調(diào)整率，可消除音頻和電子噪聲。帶有過熱、過流和欠壓保護功能，熱關(guān)閉門限150℃，工作溫度-40～125℃。野外工作環(huán)境惡劣，對于儀器芯片的選擇具有較多的要求，該種電源芯片適用于野外環(huán)境。

欠壓指示電路部分采用MAX1674芯片，當電壓小于額定值時，指示燈閃爍。升壓式DC-DC電源轉(zhuǎn)換器常態(tài)下的工作效率為94%，輸入電壓范圍較寬(0.7～5.5V)，輸出電壓可設(shè)定為5.0V，允許的輸出電流達到500mA。

裝置硬件設(shè)計的難點在于RS-232與RS-485通信接口轉(zhuǎn)換電路和欠壓監(jiān)控指示電路。欠壓監(jiān)控指示電路如圖2所示，在本次設(shè)計中，通過選擇配比電阻，當MAX1674的LBI輸入端低于2.5V時LBO端輸出低電平，發(fā)光二極管點亮。可以通過更改R3與R5的電阻比值調(diào)節(jié)低電壓，2.5V電壓值作為臨界值，根據(jù)輸入電壓值Vin反算出R3和R5電阻值，本電路電阻值采用250kΩ。

圖2 欠壓監(jiān)控指示電路

野外現(xiàn)場采集設(shè)備為RS-485，因此需要RS-232和RS-485轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)讀取功能，通信接口轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，SN65hvd08的A和B連接采集器，MAX3232通過DB9與計算機連接完成讀數(shù)[6,7]。

圖3 串口轉(zhuǎn)換電路

此模塊的設(shè)計對于野外現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集有重要作用，通過低壓監(jiān)測保證數(shù)據(jù)讀取完整，防止數(shù)據(jù)因供電不足而丟失。串口轉(zhuǎn)換部分的DB9接口可以與計算機直接進行通信，將設(shè)備存儲的數(shù)據(jù)直接讀取至計算機。圖3中的通信線纜和電路板采用防水裝置進行保護，防止水汽和沙塵損失儀表。

實驗室通過調(diào)試助手進行讀數(shù)裝置的調(diào)試，輸入字符串01 11 C0 2C返回測試的結(jié)果如圖4所示，其中輸入命令01代表COM1口，11代表所用傳感器的固有信息，C0 2C代表CRC16位校驗。從圖4的返回命令可以看到數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定而有效。

圖4 In-Situ水位傳感器調(diào)試結(jié)果

3 結(jié)束語

便攜式讀數(shù)裝置成功應(yīng)用于黑河流域重點地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查項目，現(xiàn)場實時讀取數(shù)據(jù)，直接與計算機相連；同時在南水北調(diào)工程沿線地下水遠程動態(tài)自動監(jiān)測中也發(fā)揮了很好的作用，研制的便攜式讀數(shù)裝置，對于野外工作數(shù)據(jù)實時讀取提供了一種新的方法；欠壓指示為野外數(shù)據(jù)讀取提供了保障，很好地解決了因供電不足導致的數(shù)據(jù)丟失，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性。讀數(shù)裝置的外觀進行了防水防塵設(shè)計，能更好地適用于野外環(huán)境惡劣地區(qū)。

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