深海垂直剖面潛標控制系統(tǒng)設計

蔣平 熊莉利

摘 要：設計并實現了一種基于STM32嵌入式系統(tǒng)的深海垂直剖面潛標的控制系統(tǒng)，通過合理的功能分配、可靠的硬件設計和高效的軟件實現，使整個控制系統(tǒng)具有低功耗、高可靠的特點。實驗數據表明，該控制系統(tǒng)實現了對潛標的自動下潛、定點測量、應急上浮等狀態(tài)控制，完成了對深海垂直剖面海洋要素的實時監(jiān)測。

關鍵詞：STM32；控制系統(tǒng)；實時監(jiān)測

0 引言

對于深遠海區(qū)的海洋監(jiān)測而言，獲取溫、鹽、深和海流等動力參數是開展海洋開發(fā)研究與軍事海洋學研究的重要基礎。海洋環(huán)境監(jiān)測和資源調查中，經常需要對海洋動力環(huán)境進行長期、定點、實時、立體監(jiān)測，進行海洋水體中不同剖面參數（如溫度、鹽度、流速和光學特性量）的測量，并具備在惡劣環(huán)境下實現無人值守的全天候長期連續(xù)定點觀測的能力。傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測平臺，需要建立海洋觀測站，或通過海洋調查船來投放并保證運行，需要大量的人力、物力和財力。而傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測潛標，通常只能采用多個傳感器在離散的幾個層次上采樣，不能實現連續(xù)剖面觀測，系統(tǒng)運行、維護的成本高，回收難度較大。

深海垂直剖面潛標是一種具備自動升降功能的新型海洋監(jiān)測系統(tǒng)，采用浮力調節(jié)方式控制平臺升降，可沿系留鋼纜任意移動、進行剖面溫度、鹽度、海流數據的長時、循環(huán)采集，可根據需求搭載溫、鹽、深、海流等多種傳感器，同時可通過擴展接口，利用水聲通訊機、衛(wèi)星通訊進行數據的實時傳送。這種新型潛標突破了傳統(tǒng)潛標使用的溫鹽鏈，用單一平臺就可以實現全通道的數據監(jiān)測，實現大深度（1500m）、長時間（不少于1年）、多剖面（200個剖面）的觀測數據的采集和存儲，大大降低了潛標觀測的使用成本，是一種高效、全天候的無人值守海洋環(huán)境觀測系統(tǒng)。深海垂直剖面潛標系統(tǒng)為區(qū)域性海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)提供一種高效、經濟、安全、隱蔽的測量方法，在我國海洋學研究、軍事海洋學研究、海洋工程建設領域具有良好的應用前景，大大提高我國的海洋觀測能力。

1 系統(tǒng)組成

在深海垂直剖面潛標系統(tǒng)中，升降平臺是整個系統(tǒng)的“中樞”，為了進行大深度、長時間、多剖面的海洋數據觀測，以及大容量的數據采集和實時傳輸，實現可靠、穩(wěn)定和低功耗的工作。升降平臺上主要的功能組件有：綜合控制系統(tǒng)、浮力調節(jié)裝置、剎車機構、水聲通訊機、預置器、水文測量儀器、深度傳感器、SD存儲器等，以及為整個平臺提供能源的電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2 綜合控制系統(tǒng)功能

根據升降平臺系統(tǒng)結構，潛標綜合控制系統(tǒng)應具備的功能如下：

（1）根據預置器預置的工作參數，進入相應的工作流程；

（2）根據深度傳感器數據來判斷所處的海區(qū)深度，作為切換潛標升降模式切換、調節(jié)浮力和調整潛標在垂直剖面上運行速度的依據；

（3）控制浮力調節(jié)裝置，通過驅動浮力調節(jié)電機轉動方向和電磁閥通斷來調整整個潛標系統(tǒng)的浮力配置，實現潛標升降模式和速度調節(jié)；

（4）控制剎車機構，使?jié)摌藨彝Ｔ谥付ǖ钠拭妫?/p>

（5）設置和使用水文測量儀器，接收并存儲測量儀器采集到的海洋監(jiān)測數據；

（6）與SD存儲器進行大容量的數據交換；

（7）通過與水聲通訊機數據交換，將海洋監(jiān)測數據和潛標工作數據實時傳輸到主浮體，再通過衛(wèi)星終端轉發(fā)至岸站系統(tǒng)，實現數據的實時傳輸。

3 硬件電路設計

根據綜合控制系統(tǒng)應具備的功能，按其所需的硬件電路功能劃分，包括嵌入式芯片電路、通信電路和驅動電路。

嵌入式芯片電路是整個綜合控制系統(tǒng)的中樞，選用的是應用較為成熟的STM公司的STM32F107嵌入式芯片，該型擁有5個可編程USART和2個16通道12位的AD轉換器，自帶SPI、CAN等總線接口，并支持在線編程和調試，為綜合控制系統(tǒng)外圍電路提供了充足的硬件資源，加上其高性能、低功耗的特性，完全滿足綜合控制系統(tǒng)的使用需求。

驅動電路包括“電機驅動”和“控制驅動”兩個部分。“電機驅動”電路部分的功能是對潛標浮力調節(jié)裝置和剎車機構所使用到的電機進行驅動，為降低綜合控制電路的復雜程度、確保電機長時間工作的可靠性，該部分根據電機的功能特性，選用了瑞士MAXON公司成熟的電機驅動器集成模塊方案——“EPOSE2 70/10”電機智能位置控制單元，該型電機驅動模塊在其額定功率下可驅動多種DC和EC電機，能可靠實現電機數字式“位置、速度、電流/轉矩”控制，是電機驅動理想的選擇。

4 系統(tǒng)軟件實現

綜合控制系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，編譯環(huán)境為KEIL UVISION 4，在軟件實現方面，因為基于STM32的嵌入式芯片是面向應用層的成熟芯片，具有功能齊全的庫函數，因此在USART通信、AD轉換、SPI等軟件接口均可直接調用庫函數，經過簡單的配置就可實現軟件功能，在SD存儲等可通過“IFAT”函數移植，同時，可以通過移植“uC/OS2”等嵌入式實時操作系統(tǒng)來進一步提高軟件效率。

5 試驗結果

試驗結果表明，綜合控制系統(tǒng)經過長時間多個剖面的工作，工作水深200到1700米，滿足潛標平臺工作水深指標，在綜合控制系統(tǒng)的作用下，浮力調節(jié)裝置、剎車機構等執(zhí)行機構以及水聲通訊機、水文測量儀器等設備工作正常、可靠，未出現故障，整個潛標系統(tǒng)按既定流程垂直上浮、下潛，同時進行有效的水文數據采集和水聲通訊傳輸，可有效進行海洋監(jiān)測，滿足深海垂直剖面潛標的系統(tǒng)設計需求。

6 結束語

隨著我國海洋科研的發(fā)展，我國海洋科研對往復式溫鹽流剖面儀的需求將不斷增長，不僅僅在的近海和大洋觀測，還將在海洋、氣象、氣候、海軍、石油、航運等行業(yè)發(fā)揮重要的作用。

參考文獻

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[2] 鄧云，姜飛，等.實時傳輸潛標平臺中的深海海流觀測系統(tǒng)設計[J].氣象水文海洋儀器.2012.12：69-72.