水下設(shè)備輔助量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

王 浩

(大連測控技術(shù)研究所 大連 116013)

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水下設(shè)備輔助量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

王 浩

(大連測控技術(shù)研究所 大連 116013)

水下設(shè)備輔助信息的監(jiān)測是保證系統(tǒng)正常工作和進(jìn)行有效數(shù)據(jù)分析的重要環(huán)節(jié)。論文系統(tǒng)充分考慮各類傳感器的輸出形式,基于網(wǎng)絡(luò)總線和CAN總線實現(xiàn)了各類輔助測量模塊的網(wǎng)絡(luò)連接。完成了輔助測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAN總線的接口電路設(shè)計以及各類傳感器的接入方式設(shè)計,實現(xiàn)并驗證了可以監(jiān)測重要輔助信息的水下設(shè)備輔助測量系統(tǒng)。

水下設(shè)備; 傳感器; 監(jiān)測; CAN總線

Class Number TB565+4

1 引言

近年來,由于國家對海洋開發(fā)的日益重視,各種水下設(shè)備得到了迅猛的發(fā)展,水下設(shè)備對測量水下輔助信息的需求逐漸增大[1]。隨著水下設(shè)備的規(guī)模化、復(fù)雜化,單點(diǎn)的輔助信息測量已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的需求[2]。針對大尺度、分布式的水下設(shè)備,設(shè)計一套多通道水下輔助測量信息采集系統(tǒng)十分必要。

水下設(shè)備主要關(guān)心的輔助測量參數(shù)包括水下的溫度、深度、水下設(shè)備的姿態(tài)以及過流、過熱、過壓和漏水報警信息。基于以上考慮,本文針對各類水下傳感器輸出信號形式多樣的特點(diǎn),設(shè)計了可以采集各類水下輔助測量信息的水下設(shè)備輔助測量系統(tǒng)。

2 輔助測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

輔助測量系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)其它部分實現(xiàn)連接,實現(xiàn)對包括溫深、姿態(tài)、漏水等狀態(tài)監(jiān)測模塊在內(nèi)的輔助測量模塊的數(shù)據(jù)采集[3]。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輔助測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要需要采集的數(shù)據(jù)包括水下測量電子艙的漏水監(jiān)測數(shù)據(jù)、水下裝置溫深數(shù)據(jù)、水下裝置姿態(tài)數(shù)據(jù)、各功放工作狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

由于水下載體與水上系統(tǒng)之間距離較遠(yuǎn),選擇使用光纖來實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸,以減少電纜上的消耗[4]。使用LAN光端機(jī)和光纖將水上系統(tǒng)與水下載體進(jìn)行連接,在水下載體內(nèi)使用帶有光纖接口的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)恢復(fù)出TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)電信號。

由于水下?lián)碛卸鄠€分段,且每個分段存在有多個需要采集的數(shù)據(jù),采用常規(guī)的通信技術(shù)將存在大量的線纜,會增加整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度。輔助測量系統(tǒng)采用CAN總線通信技術(shù)。CAN是一種多主對等的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)[5],它以總線為紐帶,將現(xiàn)場設(shè)備連接起來成為一個能夠相互交換信息的控制網(wǎng)絡(luò),是一種雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。CAN通過使用通信數(shù)據(jù)編碼實現(xiàn)各個節(jié)點(diǎn)之間僅使用兩條屏蔽雙絞線就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[6]。CAN總線的引入不僅大大減少了占用的水下線纜數(shù)量,而且在簡化系統(tǒng)的同時提高了系統(tǒng)的可靠性。

為了利用CAN總線對水下設(shè)備的AI單元進(jìn)行采集,對CAN總線接口電路進(jìn)行了設(shè)計。CAN總線接口主要由微處理器(MCU)、CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器三部分組成[7]。微處理器負(fù)責(zé)對CAN控制器進(jìn)行初始化,并控制其完成數(shù)據(jù)的收發(fā)等通信任務(wù)。CAN總線控制器采用了Philips公司生產(chǎn)的SJA1000,作為獨(dú)立的CAN通信控制器,它用于完成CAN總線通信協(xié)議中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能,為微處理器提供了總線的物理線路接口[8]。SJA1000在邏輯上完成了數(shù)據(jù)傳輸所需的編碼和解碼,但還需要在其與物理總線之間增加CAN總線收發(fā)器來增加系統(tǒng)的差動收發(fā)能力。CAN總線收發(fā)器使用了PCA82C250,它是全世界使用最廣泛的CAN收發(fā)器。它可以產(chǎn)生CAN總線正常工作所需的差分電壓,作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口,為總線提供差動發(fā)送能力,為CAN控制器提供差動接收能力[9]。為了進(jìn)一步增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,在CAN總線控制器與收發(fā)器之間引入高速光耦器件6N137,使CAN總線上的各個節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)電氣隔離[10]。CAN總線接口的電路原理圖如圖2所示。

圖2 CAN總線接口電路原理圖

針對使用模擬量進(jìn)行輸出的傳感器,采用CAN總線采集模塊與CAN-LAN轉(zhuǎn)換模塊相結(jié)合的形式實現(xiàn)這類傳感器的網(wǎng)絡(luò)接入。基于ADS8401的AI單元掛接于CAN總線接口電路,通過CAN總線,對水下所有使用模擬量進(jìn)行輸出的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并經(jīng)過LAN-CAN轉(zhuǎn)換器,上傳給狀態(tài)監(jiān)控計算機(jī)。同時將監(jiān)控計算機(jī)的控制指令經(jīng)LAN-CAN轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為CAN總線的形式,發(fā)送至各個水下采集單元,水下采集單元根據(jù)上位機(jī)的指令進(jìn)行開始采集,結(jié)束采集,上傳數(shù)據(jù)等基本操作。

針對以RS232形式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出的傳感器,選擇使用LAN-232轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)這類傳感器的網(wǎng)絡(luò)接入。通過LAN-232轉(zhuǎn)換器,將監(jiān)控計算機(jī)的控制采集指令轉(zhuǎn)換為RS232的形式,傳感單元掛接于此RS232接口上,根據(jù)RS232接口傳來的指令執(zhí)行相應(yīng)的動作,并將采集到的數(shù)據(jù)上傳至狀態(tài)監(jiān)控計算機(jī)中。

針對使用TTL電平信號進(jìn)行輸出的傳感器,輔助測量系統(tǒng)采用RS485總線掛接DI單元的處理方式。將DI單元掛接于RS485接口,需要采集的輸出電平信號接入指定DI單元的指定通道。通過RS485總線,上位監(jiān)控計算機(jī)通過讀取各DI單元的輸入端子狀態(tài)即可完成對這些信號的監(jiān)測。

3 傳感器的網(wǎng)絡(luò)接入

3.1 溫深采集模塊

CYW-007型溫深傳感器采用擴(kuò)散硅壓敏元件和集成電路進(jìn)行壓力測量,采用鉑電阻和集成電路實現(xiàn)溫度的測量。殼體為全不銹鋼水密結(jié)構(gòu),具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。適合作為水下設(shè)備的溫深采集傳感器。其深度測量范圍可達(dá)100m,精度為0.5%;溫度測量范圍為0℃～50℃,精度為0.5℃。二者輸出信號均為4mA～20mA的電流信號。實際使用時,經(jīng)連接250Ω的取樣電阻后,在取樣電阻取樣端可得到1V～5V的電壓輸出信號。

進(jìn)行溫深數(shù)據(jù)采集時,將取樣后的電壓信號接入AI單元,并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送往狀態(tài)監(jiān)控計算機(jī)。通過對這些狀態(tài)的采集可及時了解水下載體的溫深信息數(shù)據(jù)。溫深采集單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 溫深采集單元的結(jié)構(gòu)框圖

3.2 姿態(tài)采集模塊

HMR3000型姿態(tài)傳感器是Honeywell公司的數(shù)字羅經(jīng)模塊,它使用磁阻傳感器和兩軸傾斜傳感器來提供航向信息[11]。具有價格相對低廉、方便購買等優(yōu)點(diǎn),但由于其只能采用RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,無法使用模擬量進(jìn)行輸出,不便于接入CAN總線。只在距離岸基設(shè)備最近的首個水下電子艙安裝該傳感器。使用這種傳感器進(jìn)行姿態(tài)采集時,使用一個LAN-RS232轉(zhuǎn)換器,其RS232端與HMR3000型姿態(tài)傳感器連接,另一端與LAN局域網(wǎng)連接。通過這種連接方式,監(jiān)控計算機(jī)可通過LAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對HMR3000型姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的采集。

其他水下載體內(nèi)采用可以使用3DM-HD型姿態(tài)傳感器進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集。3DM-HD的輸出為模擬量,針對這種形式,選擇采用了LAN-CAN轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)3DM-HD的網(wǎng)絡(luò)接入。將其傳感信號接入水下密封電子艙內(nèi)的AI單元上。通過LAN-CAN轉(zhuǎn)換器,將監(jiān)控計算機(jī)的控制采集指令轉(zhuǎn)換為CAN總線的形式,模擬輸入單元(AI)掛接于此CAN總線接口上,根據(jù)CAN總線接口傳來的指令動作,將采集數(shù)據(jù)上傳到狀態(tài)監(jiān)控計算機(jī)中。

3.3 漏水監(jiān)測模塊

漏水監(jiān)測單元的傳感部分的漏水感應(yīng)線為兩根并行的導(dǎo)線,包裹在吸水性絕緣材料中。正常狀態(tài)下兩根導(dǎo)線處于絕緣狀態(tài),二者之間的電阻很大。當(dāng)發(fā)生漏水時,吸水性絕緣材料的電阻由于吸水而很快下降,導(dǎo)致兩根導(dǎo)線之間的電阻下降。通過檢測兩根導(dǎo)線之間電阻的變化,可實現(xiàn)漏水檢測。一旦檢測到有水浸入,即會啟動報警,并輸出報警電平信號,以供上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行采集處理。

漏水檢測模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4 漏水檢測電路的電路原理圖

漏水監(jiān)測單元使用比較器LM2903來實現(xiàn)漏水的檢測。LM2903是低偏置電壓精密比較器,內(nèi)含兩個獨(dú)立的比較器單元。芯片可在2V～36V寬電壓供電范圍內(nèi)工作,其差分輸入電壓的范圍可達(dá)到電源電壓的大小,輸出采用OC形式,可根據(jù)需要外接合適的輸出端上拉電阻。為檢測漏水感應(yīng)線的電阻變化,使用了一個大電阻與漏水感應(yīng)線構(gòu)成分壓電路,其分壓后的電壓接入比較器的(-)輸入端。比較器的(+)輸入端連接到分壓網(wǎng)絡(luò)。使用一個反饋電阻,構(gòu)成一個小幅度的回滯電壓。

在正常狀態(tài)下,漏水感應(yīng)線的電阻很大,使得其分壓后的電壓值很小,輸出為高電平。當(dāng)發(fā)生漏水時,漏水感應(yīng)線的吸水絕緣包層由于吸入水分而使其電阻值迅速下降,其分壓后的電壓值變大,高于比較器(+)端的電壓值,比較器輸出低電平。該低電平被CAN總線的AI單元采集到后,輔助測量系統(tǒng)發(fā)出漏水報警信號。

3.4 過流、過熱、過壓報警模塊

岸基設(shè)備具有過流、過熱、過壓三種狀態(tài)的報警。報警信號的監(jiān)測部分如圖5所示。

圖5 報警信號監(jiān)測系統(tǒng)框圖

這些設(shè)備輸出的狀態(tài)指示信號均為TTL電平信號,使用多個掛接于RS485接口的DI單元分別對這些信號進(jìn)行采集,并將采集到的信息通過網(wǎng)絡(luò)送往狀態(tài)監(jiān)控計算機(jī)。通過對這些狀態(tài)的采集可及時了解設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài),確保其工作正常。

4 系統(tǒng)驗證

圖6 輔助測量信息顯示界面

利用海上試驗的機(jī)會,對水下設(shè)備輔助測量系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗證,整個試驗過程中,輔助測量系統(tǒng)持續(xù)為狀態(tài)監(jiān)測計算機(jī)提供輔助測量數(shù)據(jù),系統(tǒng)溫深姿態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,各設(shè)備溫度、深度基本保持一致,試驗過程中無漏水、過流等報警現(xiàn)象,各水下設(shè)備工作穩(wěn)定,系統(tǒng)輔助測量信息的顯示界面如圖6所示。

5 結(jié)語

文章根據(jù)不同傳感器模塊的輸出形式,基于網(wǎng)絡(luò)總線與CAN總線,設(shè)計了一套適用于水下設(shè)備的輔助測量系統(tǒng),在水下資源有限的情況下實現(xiàn)了水下多個節(jié)點(diǎn)的溫度、深度、姿態(tài)、漏水以及過流過熱過壓報警信息的實時采集與顯示。并通過試驗對其功能進(jìn)行了驗證。

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Design of the Auxiliary Measuring System in Underwater Equipment

WANG Hao

(Dalian Scientific Test & Control Technology Institute of CSIC, Dalian 116013)

Underwater equipment auxiliary monitoring is the important premise to ensure system work normally and effective data analysis. This system gives full consideration to the output form of all kinds of sensors and realizes the net access of different kinds of auxiliary measuring module by using network bus and CAN bus. This paper completes the structure design of the auxiliary measuring system, the circuit design of the CAN bus and the network access of all kinds of sensors, implements and validates the auxiliary measuring system in underwater equipment which can monitor the important auxiliary measurement information.

underwater equipment, sensor, monitoring, CAN bus

2015年6月10日,

2015年7月25日

王浩,男,工程師,研究方向:嵌入式系統(tǒng),水聲工程。

TB565+4

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.037