一種海洋監(jiān)測數據采集器設計

李偉+李欣

摘 要： 為了有效地解決海洋監(jiān)測領域傳感器搭載集成以及擴展問題，設計了一種海洋監(jiān)測數據采集器。獨立的CAN與電控模塊將傳感器電源管理與數據采集控制集成在一起，采用獨立模塊化管理，在可擴展性、穩(wěn)定可靠性等方面具有一定的技術優(yōu)勢。同時，與目前海洋監(jiān)測領域常用的傳感器相比較，該數據采集器可靈活搭載常見標準接口的傳感器，對傳感器接口兼容性更好，并且傳感器搭載不再受數量限制，可廣泛應用于濱海觀測站、浮標監(jiān)測系統(tǒng)、海底觀測平臺、海底觀測鏈等系統(tǒng)建設中。

關鍵詞： 數據采集器； 海洋監(jiān)測； 擴展集成； 傳感器接口

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）01?0061?02

Abstract： In order to solve the problems of sensor carry integration and expansion in marine monitoring field effectively， a marine monitoring data collector was designed. The independent CAN and electrical control nodule are used to integrate the sensor power management and data collection control together. The independent modular management has certain technical advanta?ges in the aspects of scalability， stability and reliability. In comparison with the sensor commonly?used in the marine monitoring field， the data collector can carry the sensor with common standard interface， has good compatibility with sensor interface， is no longer limited by the carry quantity of sensors， and can be widely used in the system construction of coastal observation station， buoy monitoring system， seafloor observation platform and seafloor observation chain.

Keywords： data collector； marine monitoring； expansion and integration； sensor interface

0 引 言

21世紀，對海洋資源的探測與開發(fā)利用已經成為產業(yè)革命的前沿領域，是國家安全、環(huán)境保護、資源開發(fā)和災害預警不可缺少的基礎技術和信息獲取手段，為國家的發(fā)展提供了新的背景，越來越多的國家將其列為重要課題[1?2]。

隨著當前海洋研究的深入和研究范圍的擴大，海洋探測技術也在不斷的發(fā)展與改進，從傳統(tǒng)的調查船舶到如今先進的衛(wèi)星遙感、水下自主導航、海底原位觀測等。基于以上背景，本文設計實現的海洋監(jiān)測數據采集器，相比傳統(tǒng)數據采集器，系統(tǒng)整體集成度更高、獨立性更強、配置更加靈活方便。

1 整體設計

海洋監(jiān)測數據采集器集傳感器供電與管理于一體，兼容數字量、模擬量、開關量、脈沖量、頻率量等接口傳感器，可以廣泛地應用在各種海洋監(jiān)測平臺系統(tǒng)建設中，能夠滿足在線觀測與自容監(jiān)測的設計需要[3]。在擴展集成時，僅需增加或裁減相應的CAN與電控模塊和進行簡單的應用軟件配置即可完成，方便靈活。采集器的整體框圖如圖1所示。

海洋監(jiān)測數據采集器主要由供電模塊、控制模塊、CAN與電控模塊三部分組成。供電模塊負責為控制模塊與CAN模塊提供電源；控制模塊與CAN模塊通過現場CAN總線通信，負責CAN模塊管理和控制；CAN與電控模塊兼容不同接口標準類型的傳感器，負責傳感器數據傳輸與電源管理。

2 供電模塊設計

根據實際的需求，當應用在線觀測系統(tǒng)時，海洋監(jiān)測數據采集器主要通過外接海底電纜進行中高壓能源供給；當應用在自容監(jiān)測系統(tǒng)時，主要通過外接電池組進行低壓能源供給。其中涉及到中高壓部分的電壓轉換，選擇通用外部電壓輸入48 V。

供電模塊主要負責為控制模塊、CAN與電控模塊提供能源。通常外部電壓輸入為48 V，可采用48 V/5 V DC/DC轉換器、48 V/24 V DC/DC轉換器為控制模塊供電；采用并聯(lián)48 V輸出為CAN與電控模塊供電。

3 CAN與電控模塊

CAN與電控模塊是該設計的關鍵部分，主要負責傳感器電源管理與數據傳輸[4]。CAN模塊作為模塊化傳感器搭載平臺，能夠兼容不同接口類型的傳感器，實際上是通過單片機軟硬件共同完成接口協(xié)議轉換，將不同接口轉換成CAN接口，比如RS 232轉CAN，RS 485轉CAN，模擬信號轉CAN，開關信號轉CAN，脈沖信號轉CAN等。

單片機外圍硬件電路負責接收處理搭載傳感器的數字信號、模擬信號、開關信號等；單片機軟件應用層解析組裝CAN數據包轉發(fā)至控制模塊。在進行傳感器擴展集成時，僅需根據接口類型完成硬件物理連線，并配套相應的數據采集軟件即可。

如圖2所示，針對搭載儀器獨立設計的CAN與電控模塊，通過CAN總線與控制模塊通信，通過信號線與動力線等兼容接口與掛載傳感器通信。硬件電路主要包括CAN協(xié)議轉換與電源控制兩部分，由可以擴展的CAN總線協(xié)議轉換器和適應于不同傳感器供電電壓的DC/DC轉換器設計實現，如圖3所示。軟件程序負責將RS 232，RS 485等接口數據轉化成CAN數據轉發(fā)。

相比于主控模塊，CAN與電控模塊主要承擔CAN協(xié)議轉換與電源管理，資源消耗少，任務簡單，采用8位單片機即可。這里選用高性能、低功耗的AVR 8位微處理器AT90CAN128， 內置128 KB的可重編程FLASH，4 KB的E2PROM，4 KB的內部SRAM，完全能夠滿足設計需要[5?8]。

4 控制模塊

控制模塊通過現場CAN總線和CAN與電控模塊通信，負責傳感器數據采集控制與電源管理控制。承擔傳感器數據解析處理是整個數據采集器的控制核心部分，也是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵。為了保證穩(wěn)定可靠性，主要由雙冗余的主控制模塊與從控制模塊組成。在硬件設計上，采用核心板加底板方案：核心板選用QY?9263K，搭載處理器ATMEL AT91SAM9263，其主頻高達200 MHz，系統(tǒng)資源SDRAM 64 MB，NandFLASH 512 MB[8]，完全滿足設計需要；而底板則根據應用進行適當裁剪設計，保留必要接口電路，比如RS 232接口、以太網接口、SD卡接口、CAN控制器接口等，從而減小電路板面積。

5 結 語

該設計主要應用于海洋監(jiān)測領域，可以根據不同監(jiān)測任務的需要，靈活搭載多數量多類型傳感器，避免重復開展類似研發(fā)工作。采用模塊化處理方式，設計獨立的CAN與電控模塊，并將各模塊集供電管理與數據采集于一體，不需要額外處理傳感器電源管理，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性均得到提高。

參考文獻

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