水下航行體深度測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

侯萌強(qiáng) 呂海濤 譚 鑫

（91439部隊(duì) 大連 116000）

1 引言

水下航行體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠獲取水下三維位置信息具有重要的意義。對(duì)水下航行體的定位與導(dǎo)航，可以通過(guò)水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行水平坐標(biāo)方向上的定位［1］，由于復(fù)雜的水下環(huán)境，對(duì)于水下航行體的深度位置信息，通常使用壓力傳感器采集其所在位置的壓力信息，然后深度測(cè)量電路將壓力值轉(zhuǎn)化成所對(duì)應(yīng)的深度值［2］。這樣綜合水平坐標(biāo)方向上的二維信息和深度測(cè)量值，可以得到水下航行體的三維位置坐標(biāo)［3］。本文基于MSP430 單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了深度測(cè)量電路，采用模塊化設(shè)計(jì)和軟件程序上的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行體的深度測(cè)量功能。

2 總體設(shè)計(jì)及主要器件介紹

測(cè)深功能模塊電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要分為壓力傳感器、電流轉(zhuǎn)電壓電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、串口電路和MSP430 控制電路五個(gè)部分，壓力傳感器用于把水下航行體當(dāng)前航行位置的壓力值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。由于選擇的壓力傳感器為電流輸出型，因此需要電流轉(zhuǎn)電壓電路將其轉(zhuǎn)化為電壓值，用于后續(xù)的深度解算。隨后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，通過(guò)水壓和電壓的線性關(guān)系解算出水下航行體的深度值。

圖1 測(cè)深模塊電路結(jié)構(gòu)圖

壓力傳感器選擇型號(hào)為UNIK5000，適應(yīng)深度為0～500m，為電流型輸出型（4mA～20mA），具有寬供電電壓范圍（7V～32V）、高精度（誤差為±0.1%）的特性。為了將電流輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觯x取了一個(gè)高精度電阻（萬(wàn)分之一精度），阻值為250Ω，即將壓力傳感器輸出的電流變?yōu)殡妷海秶鸀?V～5V。將輸出通過(guò)由AD8226搭接的放大電路，傳輸給A/D轉(zhuǎn)換芯片。AD8226 是一款低成本、寬電源電壓范圍儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍為1 至1000。它被設(shè)計(jì)為可工作于各種信號(hào)電壓的情況下。寬輸入范圍和軌到軌輸出使信號(hào)可充分利用供電軌。由于輸入范圍能夠降到負(fù)電源電壓以下，因此無(wú)需雙電源供電便可放大接近地電壓的小信號(hào)。該器件采用±1.35 V 至±18 V的雙電源供電或2.2 V～36 V 單電源供電。寬輸入范圍和軌到軌輸出滿(mǎn)足使用條件，簡(jiǎn)化供電電路［4］。

A/D 轉(zhuǎn)換芯片為T(mén)I 公司的16bit 高速2.7V～5.5V 低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8326。它具有16bit 傳輸不丟碼、3LSBPP 低噪聲、良好的線性特征、微功率（100kHz 采樣率，2.7V 供電情況下，功率2mW）、支持SPI串行通信的特點(diǎn)，參考電壓可以在0.1V 到VDD 之間，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和管腳分布圖如圖2 所示［5］。

主控芯片為MSP430 系列，是一款極低功耗的微型控制器。經(jīng)常應(yīng)用于模擬和數(shù)字傳感器系統(tǒng)，數(shù)字電機(jī)控制，遠(yuǎn)程遙控、恒溫調(diào)節(jié)器、手持測(cè)量?jī)x等。430 單片機(jī)具有應(yīng)用廣泛，開(kāi)發(fā)成本小，功耗低，串行通信總線接口豐富，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，經(jīng)綜合考慮，選取了MSP430F5438A作為主控芯片。

圖2 ADS8326內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和管腳分布圖

2 電路設(shè)計(jì)與軟件配置

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

總電源由穩(wěn)壓源提供，需要給壓力傳感器供電（18V）采用LM7818；單片機(jī)供電3.3V，先由DC/DC模塊M78AR05 變?yōu)?V，再由TPS77633 變?yōu)?.3V；放 大 電 路AD8226 供 電6V，使 用LM7806，將LM7818 輸出的18V 變?yōu)?V；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片供電5V，參考電壓也為5V，需要使用精密電源，選取了REF195芯片。所設(shè)計(jì)的供電電路如圖3。

2.2 壓力傳感器輸出電流轉(zhuǎn)電壓電路

根據(jù)所選的電阻阻值為250Ω，對(duì)應(yīng)壓力傳感器電壓輸出為1V～5V，于是電壓放大電路放大倍數(shù)就設(shè)定為1，使用AD8226 搭接電路，因?yàn)槭遣钅］斎氲膬x表放大器，有助于抑制共模干擾。輸入電壓范圍1V～5V，為留有一定余量，供電電壓設(shè)計(jì)為6V。通過(guò)在AD8226 的2、3 管腳處外接電阻，可調(diào)節(jié)增益倍數(shù)，在開(kāi)路狀態(tài)下，增益為1，如圖4。

圖3 供電電路

圖4 電流轉(zhuǎn)電壓電路

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

電壓信號(hào)在1V～5V 上，所以參考電壓值為5V，以發(fā)揮A/D 的全部量化范圍，得到更小的量化誤差。在采樣前為了抗混疊濾波，以及為將壓力傳感器輸出信號(hào)中的高頻干擾濾除，于是在A/D 芯片即ADS8326 前加一個(gè)RC 濾波電路。在輸出管腳上，因ads8326 是5V 供電，而430 單片機(jī)為3.3V 供電，所以需要電壓轉(zhuǎn)換電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換以及電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換以及電壓轉(zhuǎn)換電路

A/D 轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)SPI串行數(shù)據(jù)端口與單片機(jī)通信，配置如下:

UCB2CTL1|=UCSWRST；

UCB2CTL0=UCMSB+UCMST+UCSYNC；

UCB2BR0=0x50；

UCB2BR1=0x00；

UCB2CTL1=UCSSEL_2+UCSWRST；

P9SEL|=BIT2+BIT3；

UCB2CTL1&=～UCSWRST；

分頻因子為80，時(shí)鐘源為SMCLK，為16MHz，則SPI接口的fBITCLK為200KHz。

2.4 單片機(jī)及RS232串口通信電路

MSP430 單片機(jī)正常工作情況下，采用TTL 電平信號(hào)進(jìn)行通信，輸入高電平最小2V，輸出高電平最小2.4V，典型值為3.4V，輸入低電平最大0.8V，輸出低電平最大0.4V，典型值0.2V。而PC 機(jī)傳輸?shù)氖荝S232 信號(hào)，-3V～-15V 電壓范圍內(nèi)的信號(hào)為邏輯“1”，+3V～+15V 電壓范圍內(nèi)的信號(hào)為邏輯“0”。為了實(shí)現(xiàn)兩種不同電平信號(hào)間的傳輸，我們選擇TI 公司的SN65C3221E 芯片作為串口通信的電平轉(zhuǎn)換芯片。

SN65C3221E 是 一 款 單 通 道3V～5.5V 供 電、1Mbit/s 傳輸?shù)腞S232 線路驅(qū)動(dòng)器。它具有以下特征［7］:對(duì)RS232 管腳有防靜電保護(hù)，低至1μA 的待機(jī)電流，僅需外部搭載四個(gè)0.1μF 電容，3.3V 供電模式下支持5V邏輯輸入。電路設(shè)計(jì)如圖6。

圖6 RS232串口通信電路

其中管腳9、11與430端連接，分別為數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)輸出。管腳8、13 與PC 機(jī)連接，分別為數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)輸出。

MSP430 單片機(jī)的串行異步通信模式通過(guò)UCAxRXD 和UCAxTXD 兩個(gè)管腳實(shí)現(xiàn)。它具有以下特征［8～9］:奇偶校驗(yàn)方式可選；發(fā)送移位寄存器和接收寄存器獨(dú)立；發(fā)送緩沖寄存器與接收緩沖寄存器分離；低位優(yōu)先和高位優(yōu)先可選；波特率可控，小數(shù)部分可編程。本設(shè)計(jì)中，串口時(shí)鐘源為16MHz，波特率為9600bps，具體配置程序如下［10］:

P5SEL | = BIT6 + BIT7； //P3.4，5 = USCI_A0 TXD/RXD

UCA1CTL1 | = UCSWRST； //Put state machine in reset

UCA1CTL1|=UCSSEL_2； //SMCLK

UCA1CTL0|=UCPEN； //odd parity

UCA1BR0=0x82；

UCA1BR1=0x06； //16MHz 9600

UCA1MCTL=UCBRS_6+UCBRF_0；

UCA1CTL1 &= ～UCSWRST；//Initialize USCI state machine

UCA1IE |= UCRXIE；//Enable USCI_A0 RX interrupt

3 實(shí)驗(yàn)室功能驗(yàn)證

3.1 深度值未做多次采樣平均前

為了測(cè)試采集電路的可行性，通過(guò)壓力泵對(duì)壓力傳感器加壓的方式，采集在不同壓力下輸出，并由單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送回計(jì)算機(jī)。每次對(duì)A/D 前端的電壓值進(jìn)行采樣，在單片機(jī)中將電壓值按照換算關(guān)系（1V～5V 對(duì)應(yīng)深度為0～500m，線性關(guān)系）換算為相應(yīng)的深度值，并直接傳回計(jì)算機(jī)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 深度值未做多次采樣平均前

由表1 可知，在0，0.5，1，2，3，5 六種壓力狀態(tài)下，測(cè)得的深度均值及跳動(dòng)范圍為（0.06，0.5）、（50.11，0.5）、（100.29，0.7）、（200.1，0.9）、（300.1，0.8）、（500.04，0.6）。分析平均值誤差來(lái)源主要來(lái)自三個(gè)方面:一是壓力傳感器輸出的誤差即壓力傳感器本身一定會(huì)存在誤差；二是A/D 采集的量化誤差；三是單片機(jī)換算時(shí)的誤差:A/D 采回的電壓值換算為深度值的過(guò)程中包含有乘除法計(jì)算，而單片機(jī)只能進(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算，所以就會(huì)有精度上的誤差。

從表1 數(shù)據(jù)中可以看出測(cè)量值的跳動(dòng)范圍很大，不夠平穩(wěn)，因此對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行一次濾波，即每次傳回的深度值是把采集到的32 次電壓值做均值換算。

3.2 深度值進(jìn)行多次采樣平均

進(jìn)行了深度多次平均后，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 深度值進(jìn)行多次采樣平均

由表2 可知，在0，0.5，1，2，3，5 六種壓力狀態(tài)下，測(cè)得的深度均值及跳動(dòng)范圍為（0.04，0.2）、（50.04，0.2）、（100.19，0.3）、（200.07，0.3）、（300.1，0.3）、（500.01，0.3）。對(duì)比前后兩次數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)進(jìn)行多次采樣平均計(jì)算得到的深度值誤差更小，尤其是幾次測(cè)量的深度值的變化范圍顯著降低，數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，單次測(cè)量的深度值更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以MSP430F5438A 為主控芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)可用在水下航行體上的深度測(cè)量電路，電路包括了供電電路、壓力傳感器輸出電流轉(zhuǎn)電壓電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路與串口通信電路等部分，實(shí)現(xiàn)了將壓力信息采集到單片機(jī)中并與計(jì)算機(jī)通信的功能，通過(guò)采用多次測(cè)量求均值的方式，修正了單次采樣測(cè)量的誤差，達(dá)到了對(duì)水下航行體航行深度測(cè)量的目的，證明了方案的可行性。