21世紀是海洋的世紀,，海洋環(huán)境監(jiān)測、工程建設(shè),、資源勘探等方面的開發(fā)和研究正蓬勃發(fā)展[1],。諸多海上作業(yè)均離不開水下探測，而水下拖曳體作為一種比較直接的探測工具載體,，使用非常廣泛[2],。水下拖曳體平臺在工作時，需要實時采集自身的姿態(tài)信息,、監(jiān)聽和處理各種外部通信信息等[3],。因此，完善的拖曳體平臺應(yīng)當具有較強的多源信息監(jiān)控與處理能力,。本文基于國家863計劃項目“海底熱液多金屬硫化物電阻率法探測關(guān)鍵技術(shù)”和國際合作項目“深海高密度電法探測系統(tǒng)研制”對水下拖曳體平臺監(jiān)控多源信息的需求設(shè)計了一套技術(shù)方案,，并研制出了系統(tǒng)樣機。
1 系統(tǒng)簡介
1.1系統(tǒng)組成與工作原理
    水下拖曳體是水下測量設(shè)備和多種傳感器的載體[4],，內(nèi)部集成多源信息監(jiān)控系統(tǒng),，是多種類型信息匯集與傳遞的中心,。系統(tǒng)從傳感器組實時采集拖曳體的狀態(tài)參數(shù)和運動信息(拖曳體內(nèi)外溫度、剩余電量,、姿態(tài),、深度與高程、距周邊障礙物距離等),，采集的數(shù)據(jù)通過通信電纜或水聲通信器傳輸給水面監(jiān)控PC上位機,，實現(xiàn)對拖曳體姿態(tài)的準實時監(jiān)控，同時系統(tǒng)接收PC上位機的通信命令,，對拖曳體上搭載的電法測量儀器執(zhí)行參數(shù)設(shè)置,、啟動測量等操作。
1.2 系統(tǒng)外部搭載設(shè)備
    系統(tǒng)外部搭載的設(shè)備包括運動信息監(jiān)測的傳感器組,、水聲通信器及電法測量儀等,，如圖1所示。其中拖曳體內(nèi)部溫度傳感器用于監(jiān)測內(nèi)部發(fā)熱量較大的功率器件等位置的表面溫度,，外部溫度傳感器測量周邊水體的溫度,；深度傳感器通過測量拖曳體所處位置的水壓力，計算得到拖曳體距離海面的深度;高度傳感器通過聲波探測拖曳體距離水底的高度;避碰聲吶安裝在拖曳體側(cè)面,，用于測量拖曳體距周邊障礙物的距離,；三維羅盤實時監(jiān)測拖曳體的姿態(tài)，并與重力加速度計搭配測量拖曳體的行進方向,、加速度等全方位姿態(tài)與運動信息；水聲通信器用于水下無線通信,，使拖曳體平臺與水面上位機保持信息與命令的傳遞[5],；電法測量儀[6]在信息監(jiān)控系統(tǒng)的支配下執(zhí)行工作參數(shù)修改、電法測量等任務(wù),。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
   系統(tǒng)的硬件包括單片機控制核心,、設(shè)備電源管理、通信等模塊,。單片機控制核心實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行,、多源信息的數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)控；設(shè)備電源管理模塊為外部設(shè)備提供獨立的電源,，并在單片機驅(qū)動下控制各設(shè)備正常開啟與關(guān)閉,；通信管理模塊負責協(xié)調(diào)單片機控制核心與各搭載的設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信，并實時監(jiān)聽PC上位機發(fā)送的信息,。
2.1 單片機控制核心
　系統(tǒng)采用功能強大的MSP430單片機[7],它具備以下功能：(1)具有豐富的硬件資源,，包括復位電路、看門狗,、定時器等,；(2)具備多個驅(qū)動能力強的I/O口,，對大量外部搭載設(shè)備進行上電操作； (3)支持有纜通信(RS-232/485)和無纜通信(水聲通信),，具有主動開啟工作(預(yù)設(shè)時間和預(yù)設(shè)水深觸發(fā)工作),、被動開啟工作(在PC上位機指令下啟動工作)等功能。進入工作狀態(tài)后,，水面PC上位機能對其執(zhí)行讀取測量結(jié)果,、修改工作參數(shù)和工作模式等操作；(4)具有一定的穩(wěn)定性保障設(shè)計,，可對各種故障與意外(通信故障,、溫度過高、程序跑飛,、電壓過低等)采取處理措施,，并在與PC上位機意外斷開通信時，可獨立智能地控制測量工作正常的進行,。
   系統(tǒng)采用MSP430單片機,，搭配外部Flash存儲器、時鐘電路,、復位電路等組成控制核心的硬件,。單片機自帶的電壓測量模塊用于電池電壓的測量，實現(xiàn)對剩余電量的實時監(jiān)控,；Flash存儲器用于保存采集的數(shù)據(jù)與參數(shù)變量,；時鐘電路為系統(tǒng)提供時間信息及預(yù)設(shè)時刻的采集觸發(fā)中斷；復位電路用于單片機在出現(xiàn)意外故障時重啟系統(tǒng),?？刂坪诵闹饕娐啡鐖D2所示。

2.2 設(shè)備電源管理模塊
　    多源信息監(jiān)控需搭載多個設(shè)備,，在系統(tǒng)中單片機控制設(shè)備電源管理模塊負責各設(shè)備的電源供給,，包括電壓轉(zhuǎn)換和電源控制，如圖3所示,。

    電壓轉(zhuǎn)換部分通過多個不同型號的隔離型DC-DC電壓變換器把+24 V電池電壓轉(zhuǎn)換為+24 V,、+12 V或+5 V，分別給水下各設(shè)備獨立供電,。采用隔離型DC-DC電壓變換器[8],，可以提高系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。
    電源控制部分采用光隔離型場效應(yīng)管作為多通道電子開關(guān),，每個通道的開關(guān)控制一路設(shè)備電源,，單片機通過I/O口驅(qū)動控制開啟/關(guān)閉設(shè)備的電源。
　系統(tǒng)以設(shè)備電源管理模塊為硬件基礎(chǔ),通過合理編寫單片機軟件,，軟件按照預(yù)定的順序逐個操作設(shè)備,，讀取完測量數(shù)據(jù)后立刻關(guān)閉該設(shè)備,避免干擾和測量紊亂,。
2.3 通信模塊
    通信模塊在硬件上包括帶光電隔離的RS-485通信器、ADSL轉(zhuǎn)換器,、水聲通信器以及多個上電控制開關(guān),。控制核心與搭載設(shè)備,、電法儀之間采用隔離型RS-485通信,，使通信兩端電氣隔離，提高系統(tǒng)抗干擾性與穩(wěn)定性,；控制核心與PC上位機根據(jù)距離選用不同的通信方式：拖曳體位于淺水區(qū)時采用RS-485或水聲通信, 位于深水區(qū)或拖曳距離較遠時采用水聲通信或ADSL通信,。
    控制核心采用主從總線式通信結(jié)構(gòu)，通過RS-485總線與多個設(shè)備通信,。當需要與某個設(shè)備通信時,，控制核心打開該設(shè)備的串口電源與之通信，其他設(shè)備的串口無效,。每次總線上只有一個設(shè)備與控制核心通信,，最大限度地節(jié)省串口資源并保證了通信的靈活性[9]。
3 系統(tǒng)軟件編程
　系統(tǒng)軟件包括PC上位機軟件和單片機主控核心軟件,。系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示,。

3.1 PC上位機軟件
　PC上位機軟件實時監(jiān)控拖曳體信息，實現(xiàn)的主要功能有：(1)通過通信口與單片機控制核心進行數(shù)據(jù)交流,、發(fā)送指令,；(2)設(shè)置控制核心的工作方式；(3)設(shè)置,、啟動電法儀進入測量工作,；(4)接收信息并處理存儲數(shù)據(jù)，以曲線形式顯示給用戶,；(5)對ATM88x型號水聲通信器進行相關(guān)設(shè)置等。
3.2 單片機主控核心軟件
　單片機主控核心軟件包括自檢,、參數(shù)設(shè)置,、測量和數(shù)據(jù)通信等,系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后開始運行,，初始化串口,、定時器、I/O口,、日歷時鐘等,，進入低功耗等待狀態(tài)，以減小電量消耗,。當定時器觸發(fā)信號或串口產(chǎn)生通信中斷時,，系統(tǒng)退出低功耗模式,，單片機對中斷信息進行判別，選擇進入系統(tǒng)自檢,、開啟測量,、參數(shù)設(shè)置。

    啟動系統(tǒng)自檢程序后,，主控核心測試拖曳體的所有硬件狀態(tài),，包括外部搭載設(shè)備的連接狀態(tài)、電池電量等,。檢測完畢后,，返回自檢的數(shù)據(jù)至PC上位機。
    啟動開啟測量程序后,，主控核心按預(yù)定順序開啟,、讀取、關(guān)閉設(shè)備,，將測量數(shù)據(jù)保存至Flash存儲器,，并將數(shù)據(jù)持續(xù)或固定時間間隔上傳至PC上位機。
    在PC上位機進行姿態(tài)監(jiān)控或電法測量前先啟動參數(shù)設(shè)置程序,，包括啟動/結(jié)束測量時刻,、上傳時間間隔、預(yù)警值設(shè)定,、時鐘校準,、休眠等待時間等。主控核心修改完自身運行參數(shù)值后,，將所有參數(shù)信息寫入Flash存儲器,，下次系統(tǒng)重新工作時,將按照本次保存的參數(shù)自動運行。完成以上任一任務(wù)后,，系統(tǒng)進入低功耗等待中斷狀態(tài),。
4 系統(tǒng)測試
    在上述設(shè)計方案基礎(chǔ)上研制了系統(tǒng)工作樣機，并在東營近海進行了功能性測試和穩(wěn)定性測試,。將拖曳體放入水中,，通過船載電纜拖曳作業(yè)。在功能測試階段,，PC上位機分別開啟有纜和無纜通信方式,，命令主控核心完成自檢、參數(shù)設(shè)置,、姿態(tài)信息測量,、開啟電法儀工作、數(shù)據(jù)上傳等任務(wù),；在系統(tǒng)穩(wěn)定性測試階段,，長時間監(jiān)測拖曳體的艙內(nèi)溫度和剩余電壓值等信息,同時保持電法儀的正常工作,并將測得的數(shù)據(jù)定時上傳至水面PC上位機,。
　測試從16時開始至17時20分結(jié)束,歷時80 min，在此期間兩次開啟了電法測量,測試結(jié)果如圖6所示,。圖6(a)顯示多源信息監(jiān)控系統(tǒng)采集接收倉的不同位置溫度的準實時變化曲線,。其中T1為DC-DC模塊處溫度，T2為6 V電池處溫度,，T3為單片機處溫度, T4為24 V電池處溫度,；圖6(b)圖為供電電池的電壓實時監(jiān)測曲線。圖6(c)為電法儀的測量數(shù)據(jù)曲線,，系統(tǒng)在PC上位機的命令下開啟電法儀測量后,，定時返回系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)。
    測試結(jié)果表明,，系統(tǒng)對各項命令反應(yīng)及時,、狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸準確無誤碼,，實現(xiàn)了對PC上位機,、拖曳體、電法儀等多源信息的實時監(jiān)控,。系統(tǒng)設(shè)計合理,，硬件與軟件在水下運行穩(wěn)定，抗干擾能力強,。

    水下拖曳體多源信息監(jiān)控系統(tǒng)是深海電法探測設(shè)備的重要組成部分,，本文設(shè)計的系統(tǒng)可以準確實時地監(jiān)測拖曳體的運動信息，并將信息及時發(fā)送到水面上位機,；通過有纜或水聲無纜兩種通信方式,，及時獲得PC上位機下傳的命令信息和拖曳體上傳的數(shù)據(jù)信息，并對信息進行實時處理,；可以對拖曳體上搭載的電法儀執(zhí)行參數(shù)設(shè)置,、啟動測量、數(shù)據(jù)讀取等多種操作,。海上試驗測試表明系統(tǒng)可靠性高,能夠很好地滿足拖曳體對多源信息的處理需求,。同時，系統(tǒng)可以選擇搭載水下攝像采集器[10]或其他傳感器,，滿足不同的水下作業(yè)需求,，可為海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)查,、海洋工程開發(fā),、水下考古、環(huán)境監(jiān)測等進行信息采集服務(wù),，具有很強的拓展性,。
參考文獻
[1] 方平, 王玉梅, 孫昭寧,等.我國海洋資源現(xiàn)狀與管理對策[J].海洋管理與開發(fā),2010(3):32-34.
[2] 單瑞,趙鐵虎,梅賽,等.深海拖曳系統(tǒng)定位技術(shù)及其應(yīng)用與展望[J].海洋地質(zhì)前沿,2012(7):66-70.
[3] 吳家鳴,熊小輝.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對水下拖曳體進行深度軌跡控制[J].海洋技術(shù),2006(2):1-6.
[4] KLEMPNAUER H S.近海底拖曳式海洋儀器載體[J].海洋通報,1974(2):51-57.
[5] 孫思萍. 水下聲傳輸數(shù)據(jù)通信技術(shù)研究[J].海洋技術(shù), 2001(2):6-8.
[6] 李蕩,李志華,曾信.雙頻激電儀接收機[J].電子測量與儀器學報,2011(12):1078-1085.
[7] 沈建華. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社,2004.
[8] 李武華,何湘寧,吳劍勇.隔離型三繞組耦合電感交錯式DC-DC變換器[J].電工技術(shù)學報,2009,，24(9):90-106.
[9] 李光亞.分布式控制系統(tǒng)中單片機的串行通信設(shè)計[J].中北大學學報,2007,28(增刊):63-65.
[10] 劉敬彪,琚汝強,省慶華.基于光纜的深海攝像系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(3):38-40.