文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.011
中文引用格式: 于海濱,盛旭鋒,,余小非. 時(shí)間序列沉積物捕獲器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,42(11):46-48,,55.
英文引用格式: Yu Haibin,,Sheng Xufeng,Yu Xiaofei. The development of time series sediment trap control system[J].Application of Electronic Technique,,2016,,42(11):46-48,55.
0 引言
海洋顆粒物質(zhì)在其形成,、變化和沉降過程中記錄了許多生物活動(dòng)以及物理、化學(xué)作用的信息,,因此它對(duì)顆粒物質(zhì)通量研究,、海洋沉積學(xué)研究、全球變化研究及海洋環(huán)境檢測(cè)研究都具有重要意義[1],。最早的沉積物捕獲器只能采樣單一時(shí)間內(nèi)的沉降顆粒,,若想獲得具有時(shí)間分辨率的樣品,,需要多次投放,耗時(shí)耗力,。而時(shí)間序列沉積物捕獲器是一種沉放在水中一定深度,按照預(yù)先設(shè)置的工作程序自動(dòng)定時(shí)收集水中沉降顆粒物質(zhì)[2]的采樣設(shè)備,,其收集到的樣品既有準(zhǔn)確的時(shí)間,,又有準(zhǔn)確的數(shù)量,還有很高的時(shí)間分辨率,,所以成為了海洋沉降顆粒收集的重要手段,。由于該設(shè)備最長(zhǎng)需要在水下工作一年,所以低功耗控制和設(shè)備冗余性設(shè)計(jì)是研究難點(diǎn),。
1 系統(tǒng)工作原理
捕獲器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。上位機(jī)通過RS232串口與控制倉通信,設(shè)定工作周期,、投放位置(經(jīng)緯度),、投放時(shí)間、工作站位號(hào),。入水后設(shè)備自動(dòng)工作,,收集瓶保存漏斗收集到的海底沉降顆粒物質(zhì),經(jīng)過預(yù)設(shè)的工作周期后,,控制倉通過步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,,完成收集瓶的切換,磁性開關(guān)檢測(cè)收集瓶位置是否旋轉(zhuǎn)到位,。假如旋轉(zhuǎn)到位,,控制倉控制溫度、傾角傳感器工作并保存接收到的檢測(cè)信息,,之后進(jìn)入休眠模式,。反之,控制倉控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),。設(shè)備工作結(jié)束回收后,,上位機(jī)再次和控制倉通信,導(dǎo)出存儲(chǔ)的工作狀態(tài)信息,。通過收集瓶切換這個(gè)過程,,使不同的收集瓶保存著不同時(shí)間段內(nèi)收集到的海底沉降顆粒,這種具有時(shí)間分辨率的樣品對(duì)海洋各領(lǐng)域的研究都有重大價(jià)值,。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下:
(1)捕獲器可以在水下采樣數(shù)天到數(shù)周,,最長(zhǎng)工作時(shí)間為一年。
(2)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,,收集瓶按照預(yù)設(shè)時(shí)間自動(dòng)切換,,工作狀態(tài)信息記錄完整,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示,主要包含主控模塊,、傳感器模塊,、時(shí)鐘模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源,。
由于本系統(tǒng)對(duì)功耗控制有嚴(yán)格要求,,所以選擇了美國(guó)德州儀器公司的16 bit超低功耗單片機(jī)MSP430F149作為主控模塊處理器[3]。它的工作電壓為1.8 V~3.6 V,,正常工作模式下電流為280 μA,,還具有五級(jí)節(jié)電模式,RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA,。從待機(jī)模式下恢復(fù)工作,,只需要不到6 μs時(shí)間。另外它還有豐富的片上外圍模塊,,有精密硬件乘法器,、一個(gè)14路的12 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器、USART和SPI通信端口,、2個(gè)16 bit定時(shí)器支持PWM輸出等功能[3],,完全能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的資源及功耗要求。
沉積物捕獲器在海流或波浪的影響下發(fā)生傾斜,,在一定程度上將會(huì)導(dǎo)致高估或低估實(shí)際沉降通量,。因此,需要根據(jù)儀器的傾斜參數(shù)進(jìn)行校正[4]:
式中,,F(xiàn)為校正后的沉降通量,,F(xiàn)T為實(shí)際沉降通量,θ為傾斜角度,,ΔT為采樣間隔,。
傾角傳感器采用的是MPU6050模塊,該模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器,,配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法,,能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài),精度達(dá)0.01°,。采用高精度陀螺加速度計(jì)MPU6050,,通過處理器讀取MPU6050的測(cè)量輸出,通過串口輸出,。因此,,通過串口可以直接讀取到所需的X、Y方向的傾角值。溫度傳感器選用DS18B20,,具有體積小,、硬件開銷小、抗干擾能力強(qiáng),、精度高的特點(diǎn),,僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器MSP430的雙向通信。
位置檢測(cè)由SMC磁性開關(guān)D-Y7PW完成,,它是利用磁場(chǎng)信號(hào)來控制的一種開關(guān)元件,。如圖3所示,當(dāng)樣品瓶旋轉(zhuǎn)到位(狀態(tài)A),,磁性開關(guān)和樣品瓶的距離小于觸發(fā)距離,磁性開關(guān)發(fā)送電信號(hào)給MSP430,。若沒有旋轉(zhuǎn)到位(狀態(tài)B),,兩者距離大于觸發(fā)距離,MSP430無法檢測(cè)到磁性開關(guān)的電信號(hào),,一段時(shí)間后,,MSP430控制電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn),直到檢測(cè)到到位信息,。
時(shí)鐘模塊選用的是PHILIPS公司的PCF8563多功能時(shí)鐘/日歷芯片,,具有寬電壓和低功耗的特點(diǎn)。它采用I2C串行總線,,最大傳輸速度為400 kb/s,,提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出和一個(gè)中斷輸出。后者用來喚醒處于待機(jī)狀態(tài)的MSP430,。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用減速步進(jìn)電機(jī)齒輪傳動(dòng)方式,,驅(qū)動(dòng)器型號(hào)SD366。SD366三相混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器采用伺服原理工作,,輸入電壓18 V~60 V DC,,最大驅(qū)動(dòng)相電流6.0 A,采用脈沖“+”方向以及雙脈沖信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,,具有性能穩(wěn)定可靠,、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。
捕獲器電由艙內(nèi)鋰錳電池組提供,,單節(jié)電壓為3.0 V,。在水下工作過程中供電機(jī)驅(qū)動(dòng)由7節(jié)電池串聯(lián)后得到21 V電源提供。微處理器和各傳感器所需3.3 V電源可由電池組經(jīng)降壓后提供,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主控程序,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和傳感器數(shù)據(jù)采集3個(gè)部分。軟件流程圖如圖4所示。
3.1 主控程序
(1)系統(tǒng)初始化
包括關(guān)閉看門狗定時(shí)器,,以及系統(tǒng)時(shí)鐘,、I/O口、ADC,、中斷,、時(shí)鐘芯片初始化和串口配置。
(2)設(shè)定工作模式
MSP430接收到串口中斷后,,提取上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容,,將當(dāng)前時(shí)間通過I2C總線寫入PCF8563內(nèi)存地址02H~08H時(shí)鐘計(jì)數(shù)器中。將工作周期寫入內(nèi)存地址0FH的計(jì)數(shù)器和0EH的控制寄存器,,8位計(jì)數(shù)器中存放的是定時(shí)器倒計(jì)數(shù)數(shù)值,,控制寄存器用于設(shè)定定時(shí)器時(shí)鐘源(4 096 Hz、64 Hz,、1 Hz或1/60 Hz),。
(3)低功耗模式
在完成工作模式設(shè)定后,處理器需要進(jìn)入低功耗模式,,直到時(shí)鐘芯片或串口發(fā)送中斷喚醒,。MSP430一共有LPM0~LPM4 5種低功耗模式。由于串口時(shí)鐘需要用到ACLK時(shí)鐘,,所以選擇僅ACLK時(shí)鐘處于工作狀態(tài)的LPM3模式,。
3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
SD366驅(qū)動(dòng)器的脈沖時(shí)序圖如圖5所示。T1取值要大于5 μs,,表示方向信號(hào)要先與脈沖信號(hào)建立,,滯后于脈沖信號(hào)消失;T2表示有效電平寬度,,要大于2 μs,;T3表示無效電平寬度,要大于2 μs,;T4表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前,,從釋放狀態(tài)進(jìn)入鎖軸狀態(tài)所需要的時(shí)間,大于20 μs,。根據(jù)這個(gè)時(shí)序圖,,MSP430通過I/O口先發(fā)送一個(gè)低電平使能信號(hào),延遲T4時(shí)間后發(fā)送方向信號(hào),再通過PWM波的脈沖個(gè)數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,,每1 200個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)1.8 °,。
3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集
溫度傳感器數(shù)據(jù)獲取包括DS18B20初始化、復(fù)位和溫度轉(zhuǎn)換,。而傾角傳感器數(shù)據(jù)可直接由串口2得到,。MSP430將溫度、傾角和位置檢測(cè)的數(shù)據(jù)打包通過SPI總線存儲(chǔ)到Flash中。
4 系統(tǒng)調(diào)試
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行一個(gè)星期的測(cè)試,,供電電壓為27 V,,設(shè)置樣品瓶個(gè)數(shù)為7個(gè)。經(jīng)過試驗(yàn),,每天中午12點(diǎn)電機(jī)準(zhǔn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),,轉(zhuǎn)動(dòng)角度為18°,采樣數(shù)據(jù)記錄完整,。測(cè)得整個(gè)系統(tǒng)在睡眠模式下的電流為0.87 mA,,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電流為429.5 mA左右。若工作一年,,睡眠模式時(shí)間近似為一年,,功耗為7.62 Ah,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為4 min,,功耗為0.03 Ah,,總功耗為7.65 Ah。電池組容量為10.5 Ah,,滿足了該系統(tǒng)低功耗的要求。
本文通過軟硬件低功耗設(shè)計(jì)和錯(cuò)誤處理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了捕獲器控制系統(tǒng)低功耗及可靠性的要求[5],。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)還保留了一些傳感器接口,,以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)。
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