專利名稱：深海數(shù)據(jù)采集控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及以數(shù)據(jù)自動采集、自動存儲與遠(yuǎn)程控 制為主要功能特征的深海數(shù)據(jù)采集控制裝置，是一種用于深海資源調(diào)查裝 備的多類型深海設(shè)備實(shí)時采集與控制裝置。 技術(shù)背景從上世紀(jì)20年代興起的海洋圈地運(yùn)動開始，全球興起了一股開發(fā)海 洋資源的熱潮。我國的深海資源調(diào)查起步較晚，在調(diào)查手段的多個技術(shù)領(lǐng) 域缺乏有效的方法與經(jīng)驗(yàn)。大量的包括水下傳感器和水下執(zhí)行部件在內(nèi)的 深海設(shè)備均從國外引進(jìn)。隨著這些深海設(shè)備類型的增加，如何利用單一模 塊同時實(shí)現(xiàn)多種深海設(shè)備數(shù)據(jù)端口類型的有效采集、存儲和多種控制類型 水下執(zhí)行部件的實(shí)時控制，已在許多項(xiàng)目中體現(xiàn)出其技術(shù)需求性。傳統(tǒng)的 深海數(shù)據(jù)采集控制方法采用點(diǎn)對點(diǎn)通信方式或自容存儲方式。點(diǎn)對點(diǎn)通信 方式同時只能連接一個深海設(shè)備，并且水下通訊模塊的連接受到所用深海 設(shè)備接口類型的限制。自容存儲方式無法對深海設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時控制，不同類型深海設(shè)備的不同格式數(shù)據(jù)還需要人工進(jìn)行甄別、轉(zhuǎn)換和分 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于深海資源調(diào)查領(lǐng) 域的采集控制裝置，以滿足深海作業(yè)過程中甲板平臺同時與多種深海設(shè)備 的實(shí)時通信。本發(fā)明的深海數(shù)據(jù)采集控制裝置主要包括單片機(jī)、電源電路、遠(yuǎn)程通信接口電路、RTC電路、PWM輸出接口電路、數(shù)字輸出接口電路、數(shù) 字輸入接口電路、模擬輸入接口電路、串口擴(kuò)展電路、SD卡接口電路。 單片機(jī)采用C柳51F020單片機(jī)；電源電路主要是采用LM1117-3.3芯片進(jìn) 行穩(wěn)壓的穩(wěn)壓電路；RTC電路使用FM3130芯片為系統(tǒng)提供日期時間；PWM輸出接口電路使用單片機(jī)內(nèi)部的PWM模塊產(chǎn)生，輸出方式為集電 極開路輸出;,數(shù)字輸出接口電路使用繼電器輸出；數(shù)字輸入接口電路為光 耩陽離輸入；模擬輸入接口電路為12位ADC (模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)；串口 擴(kuò)展電路使用兩片SC16C654擴(kuò)展8個RS232串口；遠(yuǎn)程通信接口電路使 用單片機(jī)集成的1號串口，外加電平轉(zhuǎn)換電路;SD卡接口電路使用SPI 總線方式進(jìn)行訪問，支持FAT32文件系統(tǒng)。電源電路與單片機(jī)的電源輸入端連接，RTC電路的FM3130芯片的 SDA、 SCL線分別與單片機(jī)的P0.6、 P0.7腳連接；單片機(jī)的Pl.O、 Pl.l、 PL2、 PL3和P1.4與PWM輸出接口電路連接；單片機(jī)的8路P2 口作為 數(shù)字輸出與數(shù)字輸出接口電路連接；單片機(jī)的8路P3 口與數(shù)字輸入接口 電路連接；單片機(jī)的8路AIN 口與模擬輸入接口電路連接；單片機(jī)的 P4、 P5、 P6和P7 口與串口擴(kuò)展電路連接；遠(yuǎn)程通信接口電路與單片機(jī)的 PO.O禾n PO.l腳連接；SD卡接口電路與單片機(jī)的P0.2、 P0.3、 P0.4禾口P0.5 腳連接。系統(tǒng)各組成電路的主要參數(shù)如下遠(yuǎn)程通信接口電路RS-232/48總線，波特率為11.52ksps; 串口擴(kuò)展電路RS-232總線、波特率為U.52ksps; 數(shù)字輸入接口電路DC3.3 5V，l 5mA; 數(shù)字輸出接口電路AC250V，2A;DC24V，2A; PWM輸出接口電路0.3456kHz@16Bit; 86.4kHz@16Bit;模擬輸入接口電路0~5V。本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益的效果是能夠在深海環(huán)境下同時 實(shí)現(xiàn)多種深海設(shè)備的不同數(shù)據(jù)類型的自動采集、自動存儲與遠(yuǎn)程控制。目前深海設(shè)備的接口各異，但基本離不開RS-232串口、數(shù)字/模擬輸入輸 出、PWM控制等方式，所以本發(fā)明的深海數(shù)據(jù)采集控制裝置能夠與多種 深海傳感設(shè)備、深海控制設(shè)備進(jìn)行便捷地銜接，能夠高效地、 一體化地實(shí) 現(xiàn)對多種深海設(shè)備的數(shù)據(jù)自動采集存儲與遠(yuǎn)程控制。深海數(shù)據(jù)采集控制裝置是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和控制功能于一體的 高性能控制器。通過該數(shù)據(jù)采集控制裝置可以有效地同時利用多個深海設(shè) 備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳感、自容存儲、遠(yuǎn)程控制，并提供長距離通信接口，實(shí)現(xiàn)甲 板操作臺對水下設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)視和實(shí)時控制。隨著深海探測研究技術(shù) 的不斷發(fā)展，在深海探測活動中迫切需要這樣一種可靠高效的通用化采集 控制裝置。


圖1是本發(fā)明深海數(shù)據(jù)采集控制裝置的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖2是本發(fā)明深海數(shù)據(jù)采集控制裝置的使用原理圖； 圖3是本發(fā)明深海數(shù)據(jù)采集控制裝置的連接示意圖； 圖4是本發(fā)明深海數(shù)據(jù)采集控制裝置的工作流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，整個系統(tǒng)包括單片機(jī)1、電源電路2、遠(yuǎn)程通信接口電路9、 RTC電路3、 PWM輸出接口電路4、數(shù)字輸出接口電路5、數(shù)字 輸入接口電路6、模擬輸入接口電路7、串口擴(kuò)展電路8、 SD卡接口電路 10。單片機(jī)1采用C8051F020單片機(jī)；電源電路2主要利用LM1117-3.3 穩(wěn)壓芯片將直流電源穩(wěn)壓成3.3V的VCC; RTC電路3使用FM3130芯片 為系統(tǒng)提供日期時間；PWM輸出接口電路4使用單片機(jī)內(nèi)部的PWM模 塊產(chǎn)生，可以設(shè)置為8位或16位，輸出方式為集電極開路輸出，使用時 需要外加驅(qū)動電路；數(shù)字輸出接口電路5使用繼電器輸出方式，有隔離電 路，驅(qū)動能力為250VAC 5A;數(shù)字輸入接口電路6為光耦隔離輸入，需 要24V 7mA;模擬輸入接口電路7為12位ADC，電壓輸入范圍為0-5V (電流模式下為0-20mA)，采樣頻率80ksps/通道；串口擴(kuò)展電路8使用 兩片SC16C654擴(kuò)展8個RS232串口 ，每個串口具有64字節(jié)的輸入、64 字節(jié)的輸出RFO，每路串口的波特率都可以單獨(dú)設(shè)置，最高可達(dá) 1Mbps;遠(yuǎn)程通信接口電路9使用單片機(jī)集成的1號串口，外加電平轉(zhuǎn)換 電路后連至本地的視頻服務(wù)器，然后通過調(diào)試解調(diào)后連至甲板機(jī)；SD卡接口電路姆使用SPI總線方式進(jìn)行訪問，支持FAT32文件系統(tǒng)。深海數(shù)據(jù)采集控制裝置的使用原理如圖2所示。深海數(shù)據(jù)采集控制裝 置11通過遠(yuǎn)程通信接口與遠(yuǎn)程通信模塊12相連，并接入萬米同軸纜 13，與甲板控制平臺14實(shí)現(xiàn)全雙工通信，深海數(shù)據(jù)采集控制裝置通過多 種類型的接口直接與多種深海設(shè)備15連接，采集傳感數(shù)據(jù)，實(shí)時存儲傳 感數(shù)據(jù)，并實(shí)時控制深海設(shè)備15。深海數(shù)據(jù)采集控制裝置與深海設(shè)備的連接示意如圖3所示，深海數(shù)據(jù) 采集控制裝置11密封在一個高壓倉內(nèi)，通過深水電纜與各種深海設(shè)備15 連接，可連接的深海設(shè)備主要包括高度計15-1、 CTD15-2、濁度計15-3、 磁力計15-4等各種深海傳感設(shè)備，以及深海液壓系統(tǒng)15-5、深海電機(jī)15-6等深海執(zhí)行設(shè)備，深水電纜能夠承受深海60MPa的高壓，接頭處同樣具 有60MPa的密封性能。系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示，程序開始運(yùn)行后首先判斷看門狗是否復(fù) 位，若己復(fù)位，讀取設(shè)置參數(shù)、配置相關(guān)模塊，并輸出控制量，然后進(jìn)入 數(shù)據(jù)采集處理歩驟；若未復(fù)位，初始化單片機(jī)、配置各功能模塊，并關(guān)閉 所有控制量，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集處理步驟。數(shù)據(jù)采集處理步驟執(zhí)行完畢后 發(fā)送上行數(shù)據(jù)，然后判斷是否收到下行指令，若收到，指令校驗(yàn)、譯碼、 執(zhí)行，然后單片機(jī)進(jìn)入低功耗待機(jī)模式；若未收到，直接使單片機(jī)進(jìn)入低 功耗待機(jī)模式。單片機(jī)進(jìn)入低功耗待機(jī)模式后，只有依靠中斷來喚醒系 統(tǒng)，并進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集處理歩驟進(jìn)行循環(huán)。軟件在調(diào)試過程中使用了 JTAG接口。數(shù)據(jù)采集和控制使用了 RS-232通信方式，RS-232通信的數(shù)據(jù)包協(xié)議包含幀起始標(biāo)志、幀標(biāo)識符、數(shù) 據(jù)長度、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)、幀結(jié)束標(biāo)志。由于C8051單片機(jī)的有64kB的 程序空間，所以在CRC程序?qū)崿F(xiàn)時使用了査表的方式，以提高運(yùn)算速深海數(shù)據(jù)采集控制裝置中，對系統(tǒng)多串口的擴(kuò)展是較重要的部分，由 于中央處理器單片機(jī)C8051F020輸入電壓是3.3V，引腳的輸入/輸出電平均為3.3V的TTL邏輯電平，而標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行通信邏輯電平為 土12V，所以必須使用信號電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)串行通信，深海數(shù)據(jù)采集 控制裝置中采用了 SP3243和SPX3232作為中央處理器的串行通信接口的 電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動芯片。對8個擴(kuò)展串口的片選通過74ACT573地址鎖存器 和MM74HCT138M 3-8譯碼器，74ACT573地址鎖存器的Q5， Q6， Q7三 位進(jìn)行片選，MM74HCT138M的八路輸出與串行數(shù)據(jù)通信四通道UART 芯片SC16C554的使能端口 CSA、 CSB 、 CSC、 CSD、 CSE、 CSF 、 CSG、 CSH相連，SC16C554的數(shù)據(jù)總線(D0—D7)與74ACT573地址鎖 存器的數(shù)據(jù)總線(D1—D8)相連，即8個串口的數(shù)據(jù)操作都采用相同的 接口，采用輪詢的方式進(jìn)行串口的讀寫。C8051F020單片機(jī)通過I2C與FM3130連接。FM3130是內(nèi)嵌64Kb鐵 電存儲器的處理器外圍芯片，結(jié)合了非易失性鐵電存儲器FRAM和實(shí)時 時鐘RTC功能。FRAM存儲器可以替代SRAM，具有高速無延時寫入操 作能力；RTC集成了報警器和可編程頻率時鐘輸出，支持常用的12pF時 鐘晶體，可以記錄2099年之前的閏年。在開始使用FM3130時，按照當(dāng) 前時間對內(nèi)部寄存器進(jìn)行校準(zhǔn)；使用過程中，定時讀取年月日、星期、時 分秒對應(yīng)的寄存器獲取當(dāng)前的日期時間，分別位于02H至08H的寄存 器，日期時間格式用BCD碼表示，在程序操作時要對讀取時刻進(jìn)行鎖 定，防止讀的過程中計數(shù)發(fā)生變化。為了防止深海設(shè)備對C8051單片機(jī)的干擾，在輸出控制電路中加了光 耦隔離器TLP521。由于C8051單片機(jī)無法提供光耦導(dǎo)通時需要的20mA 電流，所以在光耦的輸出三極管處加了一個S8050 NPN管，與光耦的輸 出三極管一起構(gòu)成了達(dá)林頓管形式驅(qū)動繼電器。為了防止繼電器開關(guān)動作 時可能會產(chǎn)生電火花，在繼電器的電源輸入端加入了扼流電感。在使用深海數(shù)據(jù)采集控制裝置時，深海數(shù)據(jù)采集控制裝置與深海傳感 器或執(zhí)行單元之間通過標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，深海 設(shè)備之間距離比較近，在距離較遠(yuǎn)的情況下可以配備RS-232延長器。串口通信數(shù)據(jù)主要有數(shù)據(jù)包頭(起始符、傳遞方向、數(shù)據(jù)包長度和校驗(yàn) 碼)、報文內(nèi)容和數(shù)據(jù)包尾(結(jié)束符)組成。串口通信的數(shù)據(jù)報文格式如 下:起始符為簡單的"@@"字符，傳遞方向?yàn)榧装迤脚_與深海串口控制器 之間的方向(DOWN或者UP)，甲板平臺對深?？刂破鞯闹噶顬镈OWN方向，深海數(shù)據(jù)采集控制裝置向甲板平臺的數(shù)據(jù)為UP方向。數(shù)據(jù) 包長度指的是報頭總長度，包括數(shù)據(jù)包頭、報文內(nèi)容和數(shù)據(jù)包尾的長度之 和。校驗(yàn)碼采用了 MD5校驗(yàn)方式，只對命令類型和數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)。 命令類型為傳感數(shù)據(jù)或控制指令的類型，數(shù)據(jù)內(nèi)容為傳感數(shù)據(jù)的數(shù)值或控 制指令的參數(shù)。結(jié)束符為簡單的"##"字符。
權(quán)利要求
1、深海數(shù)據(jù)采集控制裝置，包括單片機(jī)、電源電路、遠(yuǎn)程通信接口電路、RTC電路、PWM輸出接口電路、數(shù)字輸出接口電路、數(shù)字輸入接口電路、模擬輸入接口電路、串口擴(kuò)展電路、SD卡接口電路，其特征在于電源電路與單片機(jī)的電源輸入端連接，RTC電路的FM3130芯片的SDA、SCL線分別與單片機(jī)的P0.6、P0.7腳連接；單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4與PWM輸出接口電路連接；單片機(jī)的8路P2口作為數(shù)字輸出與數(shù)字輸出接口電路連接；單片機(jī)的8路P3口與數(shù)字輸入接口電路連接；單片機(jī)的8路AIN口與模擬輸入接口電路連接；單片機(jī)的P4、P5、P6和P7口與串口擴(kuò)展電路連接；遠(yuǎn)程通信接口電路與單片機(jī)的P0.0和P0.1腳連接；SD卡接口電路與單片機(jī)的P0.2、P0.3、P0.4和P0.5腳連接；其中單片機(jī)采用C8051F020單片機(jī)；電源電路采用LM1117-3.3芯片進(jìn)行穩(wěn)壓的穩(wěn)壓電路；RTC電路使用FM3130芯片為系統(tǒng)提供日期時間；PWM輸出接口電路使用單片機(jī)內(nèi)部的PWM模塊產(chǎn)生，輸出方式為集電極開路輸出；數(shù)字輸出接口電路使用繼電器輸出；數(shù)字輸入接口電路為光耦隔離輸入；模擬輸入接口電路為12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；串口擴(kuò)展電路使用兩片SC16C654擴(kuò)展8個RS232串口；遠(yuǎn)程通信接口電路使用單片機(jī)集成的1號串口，外加電平轉(zhuǎn)換電路；SD卡接口電路使用SPI總線方式進(jìn)行訪問，支持FAT32文件系統(tǒng)；主要接口參數(shù)如下遠(yuǎn)程通信接口電路采用RS-232/485總線、波特率為11.52ksps；串口擴(kuò)展電路采用RS-232總線、波特率為11.52ksps；數(shù)字輸入接口電路輸入電壓為DC3.3～5V，1～5mA；數(shù)字輸出接口電路的輸出電壓為AC250V，2A或DC24V，2A；PWM輸出接口電路的頻率在16Bit配置下為0.3456kHz，在8Bit配置下為86.4kHz；模擬輸入接口電路的輸入電壓為0～5V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于深海資源調(diào)查裝備的多類型深海設(shè)備實(shí)時采集與控制裝置。傳統(tǒng)的深海數(shù)據(jù)采集控制方法采用點(diǎn)對點(diǎn)通信方式或自容存儲方式，只能連接一個深海設(shè)備，使用受到限制。本發(fā)明的深海數(shù)據(jù)采集控制裝置主要包括單片機(jī)、電源電路、遠(yuǎn)程通信接口電路、RTC電路、PWM輸出接口電路、數(shù)字輸出接口電路、數(shù)字輸入接口電路、模擬輸入接口電路、串口擴(kuò)展電路、SD卡接口電路。本發(fā)明能夠在深海環(huán)境下同時實(shí)現(xiàn)多種深海設(shè)備的不同數(shù)據(jù)類型的自動采集、自動存儲與遠(yuǎn)程控制，能夠高效地、一體化地實(shí)現(xiàn)對多種深海設(shè)備的數(shù)據(jù)自動采集存儲，同時實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
文檔編號G05B19/04GK101266472SQ20081006061
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月22日
發(fā)明者劉敬彪, 劉純虎, 周巧娣, 章雪挺, 蔡文郁 申請人:杭州電子科技大學(xué)