李恒文 ,霍恩廣

（山東科技大學(xué)　機械電子工程學(xué)院，山東　青島　266590）

基于msp430水下姿態(tài)記錄儀的研究

李恒文 ,霍恩廣

（山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

摘要：針對水下潛標系統(tǒng)在監(jiān)測海洋環(huán)境中易受海洋環(huán)境因素的影響，設(shè)計了一款水下姿態(tài)記錄儀。該設(shè)計以msp430單片機作為控制核心，三維數(shù)字羅盤HMR3000以及水壓傳感器GB-3000G等組成外圍電路，完成對水下儀器的水下工作深度以及姿態(tài)等信息的記錄。

關(guān)鍵詞：潛標系統(tǒng)；數(shù)字羅盤；水壓傳感器；姿態(tài)記錄

0　引言

水下潛標系統(tǒng)是對海洋環(huán)境監(jiān)測的重要技術(shù)裝備，可在惡劣的海洋環(huán)境下，無人值守的進行長期、連續(xù)、定點、自動的對海洋水文、氣象諸要素進行全面綜合的監(jiān)測。潛標在海洋環(huán)境中布放工作，必然受到諸如海流、潮汐、風(fēng)浪等海洋環(huán)境的影響，使?jié)摌水a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、俯仰、傾斜等姿態(tài)變化，由于搭載潛標上的儀器設(shè)備大都需要潛標姿態(tài)穩(wěn)定，因此，使?jié)摌吮３址€(wěn)定狀態(tài)是設(shè)計和布放需要研究解決的問題。本文介紹的姿態(tài)記錄儀就是記錄潛標在布放和水下工作期間的姿態(tài)變化情況，使研究人員能夠結(jié)合當時的布放過程和海況等影響因素，研究分析潛標姿態(tài)變化的原因以及規(guī)律和提出相應(yīng)的改進措施。

圖1　姿態(tài)記錄儀結(jié)構(gòu)圖

1　系統(tǒng)組成

姿態(tài)記錄儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于姿態(tài)記錄儀要長時間在水中進行工作，只能靠蓄電池來提供電源，所以微處理器選用的是具有超低功耗的msp430單片機，姿態(tài)傳感器選用的是三維數(shù)字羅盤HMR3000來采集潛標三維姿態(tài)變化信息，該傳感器與其他傳感器相比具有以下優(yōu)點：帶有電子常平架即使傾達40°，也能給出精確的航向；內(nèi)部全部使用表面貼裝元件，不含任何的移動元件，非?？煽亢蛨怨?；低功耗、小體積的裝置帶有非鐵磁性金屬外殼，便于安裝固定；另外用戶可根據(jù)自己需要設(shè)置采樣頻率。水壓傳感器選用的是GB-3000G對水壓進行實時采集，利用單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊實施數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，以得到潛標所處水下深度。微處理器將采集到的水下深度以及姿態(tài)信息送入外擴的存儲器SD卡中進行存儲，以便對數(shù)據(jù)進行研究分析。

水壓傳感器的作用。此設(shè)計選取水壓傳感器主要有三處作用：一是獲得所處水下的深度；二是由于設(shè)備在被剛放入水中和快浮出水面時水體會產(chǎn)生明顯晃動，因此在進入一定深度之前工作深度、姿態(tài)的信息沒有參考意義，為了降低功耗，在這兩個階段羅盤是不工作的，即輸出的電壓值只有大于某一設(shè)定值，羅盤才工作，否則是不工作的；三是根據(jù)壓力傳感器的輸出來判斷設(shè)備是否出水，若輸出電壓值小于某一數(shù)值，則判斷為出水，發(fā)出報警信號，工作人員前去打撈。

2　工作原理

數(shù)字羅盤以及水壓傳感器測量水下載體運動的實時姿態(tài)以及工作深度，微處理器對姿態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，并將采集的數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，以便讀取分析，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)上位機數(shù)據(jù)分析處理軟件，可以實現(xiàn)水下載體運動姿態(tài)的復(fù)現(xiàn)。

2.1數(shù)據(jù)采集部分

圖2　單片機與羅盤接口

數(shù)據(jù)采集主要是對三維姿態(tài)信息以及工作深度信息的采集。單片機與羅盤接口如圖2所示，羅盤由三軸磁阻傳感器、兩軸傾斜傳感器、信號采集于處理系統(tǒng)、微控器、通訊系統(tǒng)、AD轉(zhuǎn)換模塊等部分組成。磁阻傳感器測量磁場的三個分量，傾斜傳感器測量傾斜角，通過坐標變換將三軸磁阻傳感器接收的運動坐標系下的地磁信號轉(zhuǎn)換成大地坐標系下的地磁信號，在大地坐標系下即可獲得其與地磁北的夾角從而實現(xiàn)其指向功能。單片機通過自身所帶串口模塊經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與羅盤進行通信，從而實現(xiàn)對羅盤的初始化和采集載體的三維姿態(tài)信息。利用軟件PC Demo實現(xiàn)羅盤與PC機之間的通信，通過RS232對羅盤進行工作方式以及輸出頻率的配置，設(shè)置其工作方式為連續(xù)模式，即在可組態(tài)的速率下輸出羅盤主動提供的NMEA標準信息，設(shè)置輸出速率為60，即羅盤按每分鐘60條句子的速率輸出航向、俯仰和橫滾數(shù)據(jù)，即采樣頻率設(shè)定為1HZ。

圖3　單片機與SD卡接口電路

三線制（VCC、GND、IN）電壓輸出型擴散硅壓力變送器GB-3000G是在單晶硅上擴散上一個惠斯通電橋，被測海水的壓力直接作用于傳感器的陶瓷擴散硅膜上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微小位移，電子線路檢測這一位移量后，即把這一位移量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于這一壓力的電壓信號，電壓信號通過引腳IN與單片機連接，經(jīng)過放大濾波后由430內(nèi)部AD進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，得到輸出的電壓值，根據(jù)傳感器的輸出規(guī)格 Range：0～100m , Output：0～5VDC 的線性關(guān)系計算出所處海水深度。單片機采用查詢方式對壓力信號進行采集，方式如下：用定時器方式每10秒查詢一次，檢測水深是否更新，若水深有更新，則對水壓傳感器進行上電，采集數(shù)據(jù)并進行處理，若無更新則直接存儲上次采集數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)存儲部分

微控制器對采集的姿態(tài)信息以及工作深度信息進行處理后，存儲在SD卡中，SD卡與單片機采用SPI的連接方式，接口電路如圖3所示，SD卡上電后的默認方式是SD模式，必須通過初始化命令進入串行外設(shè)協(xié)議（SPI）模式，SD卡向單片機返回0x01，進入idle_state模式，然后發(fā)送CMD1命令，發(fā)送成功，SD卡會返回0x00八位二進制數(shù)，通知主控器SD卡初始化完成。初始化完成后在SD卡上創(chuàng)建

FAT32文件系統(tǒng)，單片機對SD卡底層的讀寫，按照FAT32的格式對SD卡上數(shù)據(jù)進行操作，如創(chuàng)建文件、讀文件和刪除文件，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。

圖4　一定時間內(nèi)采集到的壓力傳感器的數(shù)據(jù)

3　記錄儀的安裝與試驗

由于羅盤與電池都是密封在防水罐里的，罐子體積有限，羅盤放置離電池較近時會對羅盤數(shù)據(jù)造成較大干擾，使數(shù)據(jù)失去參考價值，因此應(yīng)盡可能的把羅盤固定在離電池較遠位置或在電池和羅盤之間添加電磁屏蔽層。使用msp430內(nèi)部ADC采集水壓信息，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)采集到的壓力值會發(fā)生跳變，如圖4，當發(fā)生跳變時會對設(shè)備所處狀態(tài)（是否出水）進行錯誤判斷，給工作人員發(fā)出錯誤信息。因此必須對數(shù)據(jù)進行軟件濾波，采用的方法是算數(shù)平均濾波法即連續(xù)取N個采樣值進行算數(shù)平均運算。

4　結(jié)束語

記錄儀只對水下有參考意義的數(shù)據(jù)進行記錄，對剛下水以及出水后數(shù)據(jù)不記錄，并且在出水后能及時給工作人員發(fā)送報警信號，對安裝方式以及數(shù)據(jù)處理方法進行反復(fù)試驗，增加其可靠性。

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