《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM Cortex-M3/M4的海底多模式測控系統(tǒng)研制
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
于海濱1，袁玖一1，李官保2,，嚴海玉1
1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,，浙江 杭州310018；2.國家海洋局 第一海洋研究所,，山東 青島266061
摘要： 海底沉積物的聲學(xué)特性對于海底資源勘探,、軍事、地球物理科學(xué)研究等多個領(lǐng)域具有重要意義,。針對現(xiàn)有聲學(xué)沉積物原位探測裝置設(shè)備工作模式單一,、使用局限性大的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了同時具備實時監(jiān)測模式,、觸底自容模式和延時自容模式的聲學(xué)原位探測裝置測控系統(tǒng),。該系統(tǒng)以STM32處理器為核心，實現(xiàn)了電機控制,、聲信號與傳感器信號采集傳輸,、水下視頻監(jiān)控、工作日志存儲等功能,。測試結(jié)果表明,，系統(tǒng)在不同工作模式下均可穩(wěn)定可靠工作，達到設(shè)計要求,。
中圖分類號： TN409,；TP271+.5
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.016
中文引用格式： 于海濱,，袁玖一，李官保,，等. 基于ARM Cortex-M3/M4的海底多模式測控系統(tǒng)研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016，42(7)：64-67.
英文引用格式： Yu Haibin,，Yuan Jiuyi,，Li Guanbao，et al. The design of a submarine multi-mode measurement and control system based on ARM Cortex-M3/M4[J].Application of Electronic Technique,，2016,，42(7)：64-67.
The design of a submarine multi-mode measurement and control system based on ARM Cortex-M3/M4
Yu Haibin1，Yuan Jiuyi1,，Li Guanbao2,，Yan Haiyu1
1.Electronic Information College，Hangzhou Dianzi University,，Hangzhou 310018,，China； 2.First Institute of Oceanography,，State Oceanic Administration,，Qingdao 266061，China
Abstract： The acoustic characteristics of seabed sediments are of great significance in seabed resource exploration, military affairs, geophysical research and other fields. Considering the problems of current in-situ acoustic sediment probe device including single working mode and a great limitation in use, this article designed and achieved an in-situ acoustic measurement and control system, which synchronously has real-time monitoring mode, touch-ground self-contained model and delayed self-contained model. With STM32 processor as the core, this system provided multiple functions,，such as electric machine control, acquisition and transmission of acoustic signals and sensor signals, underwater video monitoring and job log storage. Test results demonstrated that this system was characterized by stable and reliable performance and its ability met the design requirements under different working modes.
Key words : multi-mode,；STM32；data acquisition,；video supervision

0 引言

    海底沉積物中的聲速,、聲衰減系數(shù)等聲學(xué)特性及其空間分布規(guī)律無論對于軍事角度還是地球物理科學(xué)研究都具有極其重要的意義。國際上比較有代表性的測量系統(tǒng)分別是Acoustic Lance(由美國海軍資助)[1],、美國海軍實驗室研制的ISSAMS(In Situ Sediment Acoustic Measurement System)[2]和英國的SAPPA(Sediment Acoustic and Physical Properties Apparatus)[3],。這些系統(tǒng)大多靠自身的重力將聲學(xué)換能器快速地插入沉積物中，這會對沉積物造成很大的擾動,。同時上述測量設(shè)備只能工作于有通信電纜的工作模式或自容工作模式,，使用局限性較大。

    為了克服上述系統(tǒng)的技術(shù)缺陷,，本文研制了一種多模式深海沉積物聲學(xué)原位測控系統(tǒng),。系統(tǒng)將采用液壓驅(qū)動貫入的方式，可將4根長1.4 m的聲學(xué)探桿貫入到海底沉積物中,。與上述系統(tǒng)相比,，液壓驅(qū)動的操作相比重力貫入的操作大大減小了對沉積物的擾動。并且使用者可根據(jù)測量船的實際裝備情況選擇使用自容工作模式或?qū)崟r監(jiān)測模式,，從而大大提高了設(shè)備的通用性,。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 整體設(shè)計需求

    整個系統(tǒng)包括甲板操作終端,、水下控制系統(tǒng)、水下數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng),、聲學(xué)探桿驅(qū)動及波束采集系統(tǒng)四部分,。本文將主要對測控系統(tǒng)部分進行介紹。根據(jù)系統(tǒng)功能的設(shè)計需要主要解決以下4個問題[4]：

    (1)整個系統(tǒng)將被設(shè)計成可以適應(yīng)不同的科考船,，兼容有通信電纜連接的實時監(jiān)控模式和無通信電纜連接的自容工作模式,。

    (2)在有通信電纜連接的工作情況下，本系統(tǒng)增加了視頻監(jiān)控功能,。

    (3)在有通信電纜連接工作的過程中可以實時地根據(jù)海底沉積物情況調(diào)整聲學(xué)換能器的工作參數(shù),，如增益、電壓等,。采集到的聲波信號可通過通信線纜傳回甲板操作平臺,。

    (4)工作于自容模式時，系統(tǒng)可根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)在海底自動完成相關(guān)測量工作,，測量數(shù)據(jù)將被存儲于水下測控系統(tǒng),。

1.2 整體系統(tǒng)框架

    海底多模式測控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要由電機及其驅(qū)動部分,、視頻監(jiān)控及測控部分,、聲學(xué)發(fā)射及接收采集部分組成。其中視頻監(jiān)控及測控部分包括儀器搭載框架,、水下電池艙,、水下測控艙、水下攝像機,、水下高度計,、水下燈以及必要的水密接插件等。系統(tǒng)各部分連接關(guān)系如圖1所示,。

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    測控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心,，是海底沉積物聲學(xué)原位探測系統(tǒng)高效、長期,、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵,。本測控系統(tǒng)主要分為兩種工作模式：自容工作模式和實時監(jiān)控模式。自容工作模式無需通信電纜連接,，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)備下放前設(shè)定的工作參數(shù)在設(shè)備坐底后自動完成工作,。這里自容工作模式又具體分為延時工作模式和入水觸底工作模式。實時監(jiān)控模式需通信電纜連接,，系統(tǒng)工作時可由上位機實時監(jiān)控設(shè)備在水下的運行狀態(tài),，坐底后可以設(shè)定聲學(xué)探桿的貫入深度及控制聲學(xué)測量系統(tǒng)工作狀態(tài)。采集到的沉積物的聲波特性將被存儲并經(jīng)測控系統(tǒng)中的MODEM進行ASK調(diào)制后通過通信電纜將波形數(shù)據(jù)傳回甲板通信終端,，使用相應(yīng)上位機軟件解析數(shù)據(jù)[5],。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 測控系統(tǒng)電路設(shè)計

    測控系統(tǒng)電路主要包括5個開關(guān)控制量,、6路12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、3路數(shù)字電平檢測口,、3路串口以及1路以太網(wǎng)接口,，如圖2所示。這5個開關(guān)控制量又分為兩種：一種開關(guān)閉合時將向外輸出24 V電壓,，用來控制水下攝像頭和水下照明燈,，為其提供電源；另一種作為開關(guān)接觸器,，用來控制聲學(xué)換能器探桿的電機,，分別可實現(xiàn)上提和下插的功能。12 bit的A/D采集電路可采集0 V~3 V的電壓信號和4 mA~20 mA的電流信號,，可用來采集聲學(xué)換能器探桿的位移信號,、液壓油缸的壓力信號以及其他水下傳感器信號。水下動力電電池組的電壓范圍為0 V~120 V,，由于直接采用電阻分壓的方式采集電壓不穩(wěn)定也不安全,，這里采用的是WBV342D01電壓互感器，可對電網(wǎng)或電路中的直流電壓進行實時測量,，將其變換為標準的直流電壓0 V~5 V輸出,，交給A/D電路采集。系統(tǒng)提供了3路USART通信接口,，1路為RS485,，用來接收水下高度計發(fā)送的信息。其余2路為RS232,，1路用來與換能器驅(qū)動及與波束采集系統(tǒng)通過Modbus協(xié)議進行通信,，1路用來向數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)發(fā)送工作于自容模式的日志數(shù)據(jù)。同時系統(tǒng)還提供3路數(shù)字電平檢測口,，用于檢測入水傳感器,、觸底傳感器和電機故障檢測傳感器。系統(tǒng)工作于實時監(jiān)控模式時,，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)幀和水下視頻信號將通過網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過MODEM或光端機將信號調(diào)制成DSL信號或光信號,，通過通信電纜傳輸?shù)剿霞装?sup>[6]?？紤]到上述設(shè)計資源需求,，這里采用ST公司基于Cortox-M3的STM32F107VCT6處理器作為控制核心。

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2.2 數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)電路設(shè)計

    為了能盡可能地采集水下各環(huán)境參數(shù),，同時考慮到大多數(shù)水下傳感器的數(shù)據(jù)接口為RS232,，而主控系統(tǒng)串口資源不足，故需單獨設(shè)計數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用來與多種水下傳感器進行連接,，如：CTD(鹽度,、溫度、深度),、DO(溶解氧)等,。

    本文中數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)使用以Cortox-M4 為核心的32 bit處理器STM32F407VET6。本數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)包括5路USART,、2路12 bit A/D轉(zhuǎn)換電路和microSD卡,，如圖3所示。USART1和主測控系統(tǒng)相連,，用來接收主測控系統(tǒng)的運行狀態(tài),。工作狀態(tài)下主測控系統(tǒng)會以每隔1 s的時間間隔發(fā)送1幀狀態(tài)幀。USART2則用來與PC進行通信,，可用于系統(tǒng)下水操作前系統(tǒng)時間的校準以及設(shè)備測量完成后的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)出(設(shè)備工作于自容模式),。其他3路USART可用來接收其他水下傳感器數(shù)據(jù)，每個傳感器數(shù)據(jù)將會單獨存放在以時間和串口號命名的文件中,。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 實時監(jiān)控模式軟件設(shè)計

3.1.1 實時監(jiān)控模式下位機軟件設(shè)計

    實時監(jiān)控模式下位機軟件設(shè)計可以分為以下4個步驟：

    (1)系統(tǒng)初始化,，進入實時監(jiān)控模式。系統(tǒng)上電后,，對系統(tǒng)時鐘,、I/O口、USART,、A/D口進行初始化配置,。接收模式選擇指令,，工作于實時監(jiān)控模式,。

    (2)傳感器的狀態(tài)接收。系統(tǒng)在運行的過程中將會通過ADC采集電路,、USART串口等不停地采集水下傳感器的數(shù)據(jù),。

    (3)數(shù)據(jù)幀整合和發(fā)送。系統(tǒng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運行的狀態(tài)整合成一幀數(shù)據(jù)幀,。數(shù)據(jù)幀包含固定的幀頭,、幀尾和數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)幀內(nèi)每個傳感器狀態(tài)均以逗號間隔,。數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示,。

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    (4)接收上位機發(fā)送控制數(shù)據(jù)指令數(shù)據(jù)幀。水上甲板上位機軟件可向水下下位機發(fā)送工作指令,，下位機接收到指令后會立刻執(zhí)行,。

    實時模式下位機軟件設(shè)計流程如圖5所示。

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3.1.2 實時監(jiān)控模式上位機軟件設(shè)計

    實時監(jiān)控平臺包括視頻顯示區(qū)域、相關(guān)狀態(tài)顯示區(qū)域和指令操作區(qū),。視屏顯示區(qū)域?qū)⒂脕盹@示水下工作環(huán)境和相關(guān)機械動作的執(zhí)行情況,。狀態(tài)顯示區(qū)域用來顯示系統(tǒng)通信連接狀態(tài)、相關(guān)傳感器信息,。指令操作區(qū)主要用來完成水下燈,、攝像機的開啟關(guān)閉和聲學(xué)換能器探桿的相關(guān)操作，包括打開電機和探桿上提,、貫入的操作,。人機交互界面如圖6所示。

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3.2 自容模式軟件設(shè)計

3.2.1 自容模式下位機軟件設(shè)計

    自容模式下位機軟件設(shè)計可以分為以下3個步驟：

    (1)系統(tǒng)初始化,，進入自容模式,。系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)時鐘,、I/O口,、USART、A/D口進行初始化配置,。接收模式選擇指令,，工作于自容模式。

    (2)依次執(zhí)行相關(guān)操作,。自容模式又分為觸底自容模式和延時自容模式,。系統(tǒng)將依次執(zhí)行相關(guān)動作。

    (3)向數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)幀,。自容模式下的數(shù)據(jù)幀格式與圖4顯示的幀格式相同,。

    自容模式下位機軟件設(shè)計流程如圖7所示。

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3.2.2 數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)軟件設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的核心處理器內(nèi)移植了FatFs文件系統(tǒng),。FatFs文件系統(tǒng)具有較高的可配置性,，最小配置文件僅需1 KB的RAM空間，非常適用于嵌入式系統(tǒng),。數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的執(zhí)行過程如下：

    (1)系統(tǒng)初始化和RTC系統(tǒng)時鐘的配置,。

    (2)根據(jù)各個不同的端口(USART、ADC)分別命名文件,。

    (3)一旦USART ISR中斷被觸發(fā)同時數(shù)據(jù)幀格式無誤,，將會保存在文件中同時在各個數(shù)據(jù)幀尾加上<CR><LF>。

    (4)當(dāng)設(shè)備出水后,，可以使用數(shù)據(jù)提取處理軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PC上,，相關(guān)狀態(tài)可以形成數(shù)據(jù)曲線。

4 調(diào)試與總結(jié)

    為了驗證本測控系統(tǒng)的可靠性,，在實驗室工作車間進行了試驗驗證,。經(jīng)過反復(fù)試驗可知，系統(tǒng)能按照設(shè)計需求安全穩(wěn)定地運行并完成規(guī)定的測量工作。整個測控系統(tǒng)于黃海海試成功,，實時模式下,，甲板上位機軟件能正常顯示出系統(tǒng)各時間的工作狀態(tài)。自容模式下系統(tǒng)也能嚴格地按照預(yù)先設(shè)定的工作順序穩(wěn)定完成測量工作,。

參考文獻

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