適用于主動拖線陣的高壓采集遠程傳輸設計與實現?

廖 帆 朱代柱 郭浩泉

（上海船舶電子設備研究所 上海 201108）

1 引言

隨著水聲技術的不斷發展，我國海洋科學研究和工程應用不斷地向深海遠海快速發展，主動拖線陣作為水下威脅目標的主要探測、定位設備之一，越來越受到關注［1］。主動拖線陣較傳統拖線陣而言，增加了大功率電源、發射機等模塊，工作環境復雜、惡劣，使用時通過近千米的電纜拖曳并供電，所有電子設備遠離艦載平臺。為了保證主動拖線陣工作時系統穩定可靠，需對其陣內電源、發射機等高壓、大功率電子設備的工作狀態進行實時監測與控制。此外，主動拖線陣電子模塊均處在充滿輕萘油的PU護套內且采取密封處理，工作狀態不易知曉，檢修不易。因此有必要增加自檢與監測功能。該功能不僅有利于研發人員調試和維修，也有利于操作人員實時監測其工作狀態。

本文針對項目實際需要，設計了一款適用于主動拖線陣的高壓采集遠程傳輸模塊，該模塊采用Atmel公司的集成芯片作為微處理器，外圍電路包括供電電路、A/D采集調理電路、串口通信電路以及地址識別電路。

2 總體方案設計

主動拖線陣由于電子模塊數量多，整體長度較長。工作時主動發射脈沖信號，功率大，電壓電流均較高，造成拖纜及陣內電壓壓降較大，為監測主動拖線陣不同部位的工作電壓，確保其穩定可靠工作，需在陣內不同部位設置多個高壓采集遠程傳輸模塊。

高壓采集遠程傳輸模塊的功能是實時采集監測主動拖線陣中高壓電源的工作電壓，并將采集的狀態值通過通信控制機反饋至顯控臺，以供監控需要。

該模塊采用Atmel公司的ATmega128A作為微處理器，待采電壓值經信號調理電路以及線性光耦隔離后送至A/D采集通道，微處理器將采集的電壓進行解碼，通過地址識別電路區分主動拖線陣內不同部位的工作電壓，最后將解碼補償后的電壓值傳輸至顯控臺，供操作人員知曉。

高壓采集遠程傳輸模塊組成框圖如圖1所示。

圖1 高壓采集遠程傳輸模塊組成框圖

3 高壓采集遠程傳輸硬件設計

3.1 信號調理設計

主動拖線陣工作電壓較高，電壓范圍300-420VDC，無法直接送至微處理A/D采集端口。信號調理電路的作用是將待采高壓經過分壓、運放電壓跟隨、光耦隔離后轉換成A/D采集電壓。采用運放電壓跟隨與光耦隔離是為了將待采集電壓的“地”與微處理器的“地”有效隔離，防止在強電磁干擾環境下，干擾信號隨著電路中的地線傳輸至微處理芯片中，影響微處理器對A/D采集和串口通信。

光耦隔離電路采用AVAGO公司的HCNR201的隔離器，其工作時通過運放N2A調節HCNR201光耦隔離器中LED的光強度與光電流IF，光耦內部輸入側與輸出側的光敏二極管接收的LED產生的光強，從而產生光電流I1與I2。其中輸入側的光敏二極管用以監測LED的光強，并使其保持穩定。其典型工作模式如圖2所示。

圖2 線性光耦典型工作模式

圖2 中線性光耦的工作原理為

根據運放“虛斷”的和光耦的工作原理可知，流過光耦輸入側光敏二極管的電流為I1，其計算公式如式（1）：

光耦內部輸入側與輸出側光敏二極管產生的光電流I1與I2的關系如式（2）所示：

其中，K為線性光耦的光耦增益，其值為1±5%。

運放N4A與R3形成跨阻放大器，將I2轉換成輸出電壓VOUT，其關系如式（3）所示：

由上式（1）、（2）、（3）可得調理電路輸入電壓與輸出電壓的關系如式（4）所示：

可見，VOUT和VIN保持線性關系，并與LED的輸出光強無關，與光耦隔離器自身的光耦增益有關。

3.2 串口通信與地址識別設計

串口通信采用RS485串行總線方式，通過平衡發送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力。ADM2582E為單電源隔離型485芯片，輸出速率可達16Mbps，具備2500V隔離電壓、全/半雙工工作模式以及±15KV的ESD保護，串口總線最多可驅動256個從機。為了有效抑制主動拖線陣內強電磁干擾的影響，本文設計的串口通信電路采用ADI公司完全隔離型的ADM2582E芯片作為串口收發器。其串口通信收發電路如圖3所示。

圖3 串口通信收發電路

主動拖線陣長達數百米，因此RS485串口傳輸總線也達數百米，為增加傳輸系統穩定性，減小傳輸串擾的影響，在傳輸模塊的串口輸出端增加了R39（120Ω）終端匹配電阻。

隔離型ADM2582E芯片雖然能有效抑制高共模電壓，但是在總線上仍會存在浪涌沖擊、電源線與485總線短路、雷擊等潛在危險。為避免上述潛在危險，在圖3中的串口通信收發電路設計時，A、B輸出線上增加了4Ω～10Ω的PTC電阻（R36、R37），防止沖擊電流過大燒毀串口收發芯片，此外，在A、B輸出線增加了TVS二極管（N7）進行防護。

地址識別硬件電路采用撥碼開關將多個高壓采集遠程傳輸模塊進行編碼，軟件上進行地址識別，從而達到監測主動拖線陣不同部位的工作電壓。

3.3 供電設計

高壓采集遠程傳輸模塊采用主動拖線陣內48V直流供電，模塊內部采用RI公司的RI-4805隔離型電源芯片將外部48V直流轉化成微處理器的供電電壓（5V）與A/D采集參考電壓（5V）。為降低外部干擾的影響，在信號調理電路中，通過RI-0505隔離型電源芯片（圖2中的N1）將光耦隔離器兩側的運放的進行隔離供電，以達到待采電壓與A/D采集電壓的有效隔離。

4 高壓采集遠程傳輸軟件設計

4.1 數據傳輸協議設計

在主動拖線陣內，各電子模塊的數據傳輸采用的是主從式結構，即主機依次輪詢各從機，然后根據需要發送各從機數據。其工作原理是通過通信控制機（主機）下發指令，高壓采集遠程傳輸模塊（從機）接收指令后，根據地址匹配，依次上傳監測信息。為了保證主機與從機之間數據有效地接收與發送，需要規定主機與從機之間的數據協議。表1、表2為高壓采集遠程傳輸模塊接收和發送的數據協議。

表1 接收數據協議（B=Byte）

表2 發送數據協議（B=Byte）

校驗算法采用循環冗余校驗編碼（Cycle Redundancy Check，CRC）。CRC校驗采用多項式編碼方式，發送方與接收方使用一個生成多項式k（x），且k（x）的首位和最后一位的系數必須為1。

CRC的處理方法是：發送方以k（x）去除t（x），得到余數作為CRC校驗碼。校驗時，以計算的校正結果是否為0來判斷數據幀是否出錯。本文采用在數據的校驗方法上采用CRC256校驗，即將所有傳送字符的ASCII碼累加后除以255得到校驗碼。

4.2 軟件處理流程設計

高壓采集遠程傳輸模塊串口通訊波特率設置為19200，數據8位，停止位1位，無校驗位。其軟件處理流程主要包括：MCU狀態初始化、A/D轉換、接收地址匹配、串口通信和數據解碼與補償。其軟件處理流程如圖4所示。

在實際項目使用過程中，為了監測主動拖線陣工作時的工作電壓，高壓采集遠程傳輸模塊接收上位機發送的同步采集信號后，立馬采集當前時刻的工作電壓，并進行A/D轉換，將轉換后的值存儲于A/D寄存器中，待上位機發送采集數據指令之后，采集傳輸模塊通過地址匹配，將匹配吻合后的數據進行解碼、補償后依次上傳至上位機。

圖4 軟件處理流程框圖

5 結語

高壓采集遠程傳輸模塊采用Atmel公司的AT-mega128A微控制器作為主控芯片，完成A/D采集與RS-485遠程傳輸通信，不僅簡化了電路設計，而且提高了系統實時響應能力。

信號調理電路將待采高壓經運放、光耦隔離轉化成A/D采集輸入電壓，有效地隔離了高壓串擾對主控電路的影響，提高了系統的穩定性與可靠性。

串口通信電路采用RS485串行總線工作模式，將多個高壓采集遠程傳輸模塊作為從機，可實時知曉水下主動拖線陣中各部分高壓狀態。串口通信電路采用完全隔離型ADM2582E作為串口收發電路，可有效減小系統工作時的強電磁干擾，確保系統穩定可靠工作。

本文設計的適用于主動拖線陣的高壓采集遠程傳輸模塊，經過系統聯調、整機湖上性能測試以及海上驗證試驗，其基本性能得到有效驗證，主要體現在以下兩個方面：一是數據實時反饋準確，該模塊通過軟件處理，對A/D采集結果進行解碼補償，可實時反饋主動拖線陣的各段處工作電壓，監測其工作狀態；二是抗電磁干擾性好，該模塊采取了有效地隔離與抗電磁干擾手段使其誤碼率低，工作狀態穩定可靠。