一種自動潮位測量設備及其實現方法

蘇章亮

摘? 要：潮位測量設備也叫潮位儀，是液位測量設備中一種在特定場合使用的測量儀器。該設備可廣泛應用于防洪液位檢測、水庫水位檢測、海口潮汐等水位檢測。該文介紹了該設備設計方案，并從硬件和軟件2個方面對其基本組成框架進行了分析，最后對其實現方法進行了簡要說明。

關鍵詞：潮位儀;壓力;測量;傳感器

中圖分類號：P731? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 方案設計

該方案的基本原理是壓力傳感器利用水體壓強與水位深度成比例關系，來計算水面的深度。 而壓力傳感器的基本工作方式是利用硅油將壓力從不銹鋼、鈦或者鎳合金隔膜傳遞到感應元件上，從而測量出表壓、絕壓或者差壓。該方案使用單片機系統讀取壓力傳感器的測量值，通過內置程序或后處理的方式，對原始數據比例進行轉換并存儲。

設備的整體方案框架主要由以下6個方面組成。1） 數字信號處理器，對采集到的信號進行讀取、轉換、存儲以及傳輸。2）傳輸接口，用于把存儲的壓力值或其他設備信息傳輸到PC端。3）電源系統，給各個模塊供電，保證各個功能元件可靠穩定運行。4）壓力傳感器，用于把水體的壓力值轉換成可讀取的電信號[1]。5）精密ADC轉換器，把傳感器的模擬信號轉換成可用于單片機讀取的數字信號。6）存儲芯片，用于把測量的信息存儲起來。基本功能框架如圖1所示。

電源系統給整個系統元件供電，ADC轉換器采集到壓力傳感器的模擬量后，通過內部復用器實現兩路差分輸入，經過PGA對信號進行放大。內置的16 Bit ADC轉換，經過數字濾波和數字接口傳輸給單片機。單片機通過周期性讀取到數據后，存儲到存儲芯片上。在用戶需要讀取數據時，通過一個外圍RS-232接口連接到單片機，讀取存儲在芯片內的壓力數據。

潮位儀設備長期固定放置在水體下。由于其特殊的應用場合和使用環境，因此必須保證設備的長時間穩定工作，同時為滿足小型化設計，所有元件選型的原則是盡量選擇小尺寸的功能器件。

2 硬件設計

2.1 單片機設計

選擇STM32超低功耗：STM32Lx系列單片機，該單片機的待機模式功耗低至0.28 uA，低功耗運行模式下為10.9 uA。主要功能和接口包括14通道ADC，2通道DAC，兩路I2C接口，兩路SPI接口，3路UART接口。Flash：64 K，EEPROM：4 K，RAM：32 K。豐富的接口資源和超低功耗，滿足設備的設計需求。其工作電壓范圍為1.65 V～3.6 V，能夠適應在單電池供電的環境下工作。工作溫度為-40 ℃～+105 ℃，保證在嚴苛的環境下能夠穩定工作。該次設計在資源分配上，通過SPI 1接口連接到存儲芯片，I2C 1接口連接ADC放大器，UART 1接口通過RS-232轉換芯片，連接到外接接口與PC端連接通信。

2.2 電源設計

整機設備要求在4～5年的超長時間內無故障工作，對電源設計及整機功耗提出了嚴苛的要求。該次電源系統選用AA型非充電鋰電池供電，電池材質為鋰-亞硫酰氯

（Li-SOCl2），該種電池具有高容量、高電流的輸出特點，適用于各種嚴苛的高低溫環境，以及高容量、高電壓的需求。電池標稱電壓為3.6 V，超寬的工作溫度范圍-60 ℃～+85 ℃，滿足各種溫度使用環境。具備10年的超長有效期，確保設備在水底可以長時間測量而不會中斷。

整機通過一個DC/DC升降壓電源芯片穩壓到3.3 V，給其他元件設備供電。穩壓芯片采用TI生產的TPS63802芯片，體積僅有3 mm×2 mm。作為一個低功耗的系統，電源芯片的IQ值參數選擇尤為關鍵。該芯片的運行靜態電流（IQ）僅11 uA，極大地減少了電源能量的損耗，并能在極小的負載條件下實現高效率工作。芯片具有省電模式和PWM模式，可在定義的閥值內進行模式切換，避免不必要的模式內切換，以此減少輸出的電壓紋波。同時，在芯片的輸入和輸出端放置合適的高低容量偏置電容和旁路電容，減少電源的波動并消除高頻紋波。該芯片為可調輸出DC/DC，可通過FB管腳配置調整輸出電壓。典型工作電路如圖2所示。

單片機作為系統核心控制端，直接使用電池供電，避開DC/DC供電時產生的效率損失，并優化整個系統的電源輸出。在不需要讀取數據時，整機需要控制在最低的功耗水平下。單片機控制關斷外圍設備供電，并使自身進入休眠狀態。通過設定的讀取周期時間，立刻喚醒設備采集讀取數值并進行存儲。

2.3 傳感器設計

壓力傳感器采用86C系列型號。該類型傳感器使用316不銹鋼隔離膜傳導壓力，并真空封裝在316不銹鋼外殼內，能夠適應各種腐蝕性的測量液體。為滿足設備在超長時間內測量的準確性，壓力傳感器的性能必須保證具備低溫漂和自動補償功能。根據不同的測量范圍具有不同的補償范圍，選用量程≥0.1 MPa的壓力傳感器，在-20 ℃～+85 ℃工作范圍內具備自動溫度補償技術。傳感器的陶瓷基板上包含一個激光修正電阻，可對傳感器進行溫度補償和偏移修正。同時，基板上還另帶一個激光修正電阻，該電阻可調節外部差分電路放大器并提供1%的量程互換性。該溫度傳感器具備±0.1%Span/year的長期穩定性和±0.1%Span/year的長期偏移性，可保證長時間內的測量數據的穩定性。

該設備選用TI公司的ADS1xx系列模數轉換芯片，尺寸封裝僅有3 mm×3 mm。該芯片帶有可編程16位精密模數轉換器（ADC），集成了多種特性，能夠降低成本并減少小型傳感器應用中的組件數量。該芯片具有輸入多路復用器（MUX），實現2個查分輸入或4個單端輸入，具備一個低噪聲可編程增益放大器（PGA），可對傳感器增益進行放大采樣。設置采樣速率在20 SPS時，實現16位無噪聲分辨率，并提供50 Hz和60 Hz的抑制。該系統使用AIN0和AIN1作為連接傳感器的差分輸入端，配置AIN2為可編程電流源，并設置1 mA的電流輸出作為壓力傳感器的激勵電流源。

系統通過以上初始化后，對傳感器數值進行讀取，在軟件內部進行壓力水深的比例轉換后，存儲到系統存儲器中。同時也可以直接存儲原始數據，保存到PC端進行后處理[2]。

3 軟件驅動

設備通過配置單片機對各個功能模塊進行配置和控制，同時單片機必須配置在低功耗模式下。具體的模式如下：在不需要處理數據的時候進入休眠模式，在處理數據時運行在10.9 uA的Low Power Run Mode模式，配置存儲芯片處于1 uA的Power Down模式下，配置ADC芯片運行在睡眠模式下，僅在需要讀寫芯片的時候喚醒存儲芯片。

單片機通過I2C接口與ADC芯片進行數據傳輸，在軟件加載時，首先進行I2C總線初始化，保證單片機芯片能夠正常和ADC芯片進行通信。配置ADC芯片的多路復用器MUX實現查分輸入功能，配置可編程增益放大器的放大增益為128，并以20 SPS的采樣速率進行采樣。

4 應用實現

潮位儀設計成圓柱狀，壓力傳感器裝配在圓柱體的下方。整機裝配完成后即開始上電工作，系統對各個模塊進行功能配置，并對傳感器和ADC模數轉換器進行初始化，讀取到空氣中的壓力值進行差值匹配。測量時把設備通過纜繩（不銹鋼繩）投放于待測量的水體中，保持隔離膜平行于水面。設備一般在一個測量時間周期內取出水面，通過一個防水的RS-232接口和PC端進行通信，讀取存儲在設備中的壓力值，通過后處理軟件能夠查看到該時間段內液位/潮位的變化趨勢和變化值。

潮位儀目前主要的應用方向為各種海洋工程、航道工程、防汛工程、水庫測量工程。作為一種自動測量工具，代替了原始的人工測量工作，極大地提高了測量工作的效率、節約時間成本和人力資源成本。

參考文獻

[1]劉傳璽，袁照平，陳麗平.傳感器與檢測技術第二版[M].北京：機械工業出版社，2017.

[2]吳建平.傳感器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2016.