海洋占地球表面的71%,是各國分別占有和世界共有的。世界海洋中有2.5億平方千米公海和海底區(qū)域,其中有豐富的共有海洋資源。海洋是富饒而未充分開發(fā)的資源寶庫。隨著陸地戰(zhàn)略資源的日益短缺,沿海各國不斷加大向海洋索取資源的力度和強度。因此,開發(fā)一種可采集深海環(huán)境信息的設備,對深入開發(fā)海洋資源,具有極其重要的作用。已有的深海環(huán)境信息采集系統(tǒng)有采樣精度低、功耗大等缺點,無法長期在水下工作,不適于深海勘探。本文提出的
深海環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于4000m深海環(huán)境,不僅能對溫度、壓力、鹽度等信息進行采集,還可以自動存儲到Flash中,并上傳到上位機進行顯示、分析。該系統(tǒng)具有精度高、功耗低等優(yōu)點,一次充電可工作一年左右,非常適合深海探測。
1、硬件電路設計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由主控制器、存儲器、時鐘信號模塊、A/D轉換模塊和傳感器模塊組成。主控制器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心,控制系統(tǒng)同時對3路傳感器信號進行采樣,將采集到的大量數(shù)據(jù)(2M)存儲到Flash中,掉電數(shù)據(jù)不丟失。完成一個工作周期后,系統(tǒng)自動進入睡眠狀態(tài)。在設備出水后,工作人員可以通過人機界面對采集到的每路數(shù)據(jù)進行讀取,并進行動態(tài)曲線顯示,讀取后的數(shù)據(jù)自動存入上位機。同時,還可以通過人機界面設定下次工作時的系統(tǒng)睡眠時間和采樣時間間隔。系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示。
1.1主控制器
NSP430是TI公司近幾年推出的16位系列單片機,采用了低功耗技術。NSP430F169工作在1.8~3.6V電壓下,有正常工作模式(AM)和4種低功耗工作模式(LPN1、LPM2、LPM3、LPM4),并可在各種工作模式之間切換。此外,MSP430F169單片機集成了多通道12bit的A/D轉換、片內精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、斜邊A/D轉換、片內USART、看門狗定時器、片內數(shù)控振蕩器(DCO)、大量的I/O端口以及大容量的片內存儲器,可以滿足絕大多數(shù)的應用需要。
1.2存儲器
存儲器選用基于SPI通信模式的SST25VF020芯片,它是SST25VF系列產品中的一員,有以下特點:總容量為2M;單電源讀和寫操作,工作電壓為2.7~3.3V;低功耗,工作電流為7mA,等待電流為3μA;時鐘頻率高達33MHz,快速編程、快速擦除、快速讀?。恍⌒鸵恢麻W區(qū)尺寸4kB;數(shù)據(jù)保存100年;CMOSI/O兼容等。芯片引腳功能如表1所示。
1.3時鐘信號模塊
DS1302是Dallas公司推出的一款高性能、低功耗的實時時鐘芯片,附加31Bytes靜態(tài)RAM,采用SPI三線接口與CPU進行同步通信,并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年,一個月小于31天時可以自動調整,且具有閏年補償功能,時鐘操作可通過AM/PM指示決定。采用24或12h格式。工作電壓寬達2.5~5.5V。采用雙電源供電(主電源和備用電源),可設置備用電源充電方式,提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。DS1302與單片機之間能采用同步串行的方式進行通信僅需用到3個口線,1)RES復位;2)I/O數(shù)據(jù)線;3)SCLK串行時鐘。RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以1Bvte或多達31Byte的字符組方式通信,DS1302工作時功耗很低,保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄,特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上,能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄,因此廣泛應用于測量系統(tǒng)中。芯片引腳功能如表2所示,電路原理圖如圖2所示。
1.4A/D轉換模塊
A/D轉換模塊選用ADS1100,它是采用2.7~5.5V單電源供電的連續(xù)自校準模/數(shù)(A/D)轉換器。它具有高分辨率、接口簡單、比例放大、功耗低、體積小等優(yōu)點。ADS1100電源電壓為基準電壓,可按比例進行A/D轉換,同時帶有差分輸入且具有高達16bit的分辨率。
ADS1100每秒可采樣8、16、32或128次以進行A/D轉換,并提供I2C端口與外部通信。片內可編程增益放大器(PGA)能提供高達8倍的增益,允許對小信號進行測量。ADS1100有2種工作方式:單周期轉換方式和連續(xù)周期轉換方式。在單周期轉換方式中,ADS1100進行一次A/D轉換后將自動掉電以減少電流消耗。芯片引腳功能如表3所示,電路原理如圖3所示。
2、系統(tǒng)軟件設計
上電后,首*行系統(tǒng)初始化,如果沒有到達設定工作時間,直接進入睡眠狀態(tài),否則,啟動一次A/D轉換,對當前深海環(huán)境信息進行采集,并讀取采樣時刻,將采集得到的數(shù)據(jù)和采樣時刻一起存儲到Flash中,直到完成設定的采樣次數(shù),然后進入睡眠狀態(tài),等待下一次工作時間的到來。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。
系統(tǒng)關鍵源程序如下:
3、人機界面設計
人機界面如圖5所示。
下水前,點擊電路板復位按鈕,啟動下位機程序,同時,打開界面,連接串口;點擊擦除Flash按鈕,清空Flash中的原有數(shù)據(jù),為下次存儲做準備;點擊發(fā)送按鈕,對系統(tǒng)工作模式進行設置(如設定好,此步驟可省略);點擊地址復位按鈕,使地址指針指向地址開端;點擊Fl-ash初始化按鈕。設置Flash工作模式,并初始化為寫狀態(tài);點擊確定或者取消按鈕,退出界面,設備下水。
出水后,首先,打開界面,連接串口;點擊地址復位按鈕,再點擊1路按鈕,讀取壓力數(shù)據(jù),存儲后點擊擦除按鈕擦除:點擊地址復位按鈕,再點擊2路按鈕,讀取濁度數(shù)據(jù),存儲后點擊擦除按鈕擦除;點擊地址復位按鈕,再點擊3路按鈕,讀取溫度數(shù)據(jù),存儲后點擊擦除按鈕擦除;點擊確定或者取消按鈕,退出界面。
4、結論
本文在已有的相關系統(tǒng)基礎上,設計并完成了一種基于MSP430F169的深海環(huán)境信息采集系統(tǒng),克服采樣精度低和系統(tǒng)功耗過高等缺點,滿足深海探測的需要。但系統(tǒng)仍然存在一些不足,如采樣通道不足,采樣點分布不均等,在以后的工作中需要進一步改善。