專利名稱：深海數據采集控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于控制技術領域，涉及以數據自動采集、自動存儲與遠程控 制為主要功能特征的深海數據采集控制裝置，是一種用于深海資源調查裝 備的多類型深海設備實時采集與控制裝置。 技術背景從上世紀20年代興起的海洋圈地運動開始，全球興起了一股開發海 洋資源的熱潮。我國的深海資源調查起步較晚，在調查手段的多個技術領 域缺乏有效的方法與經驗。大量的包括水下傳感器和水下執行部件在內的 深海設備均從國外引進。隨著這些深海設備類型的增加，如何利用單一模 塊同時實現多種深海設備數據端口類型的有效采集、存儲和多種控制類型 水下執行部件的實時控制，已在許多項目中體現出其技術需求性。傳統的 深海數據采集控制方法采用點對點通信方式或自容存儲方式。點對點通信 方式同時只能連接一個深海設備，并且水下通訊模塊的連接受到所用深海 設備接口類型的限制。自容存儲方式無法對深海設備進行實時監測和實時控制，不同類型深海設備的不同格式數據還需要人工進行甄別、轉換和分 發明內容本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種用于深海資源調查領 域的采集控制裝置，以滿足深海作業過程中甲板平臺同時與多種深海設備 的實時通信。本發明的深海數據采集控制裝置主要包括單片機、電源電路、遠程通信接口電路、RTC電路、PWM輸出接口電路、數字輸出接口電路、數 字輸入接口電路、模擬輸入接口電路、串口擴展電路、SD卡接口電路。 單片機采用C柳51F020單片機；電源電路主要是采用LM1117-3.3芯片進 行穩壓的穩壓電路；RTC電路使用FM3130芯片為系統提供日期時間；PWM輸出接口電路使用單片機內部的PWM模塊產生，輸出方式為集電 極開路輸出;,數字輸出接口電路使用繼電器輸出；數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 (模擬數字轉換器)；串口 擴展電路使用兩片SC16C654擴展8個RS232串口；遠程通信接口電路使 用單片機集成的1號串口，外加電平轉換電路;SD卡接口電路使用SPI 總線方式進行訪問，支持FAT32文件系統。電源電路與單片機的電源輸入端連接，RTC電路的FM3130芯片的 SDA、 SCL線分別與單片機的P0.6、 P0.7腳連接；單片機的Pl.O、 Pl.l、 PL2、 PL3和P1.4與PWM輸出接口電路連接；單片機的8路P2 口作為 數字輸出與數字輸出接口電路連接；單片機的8路P3 口與數字輸入接口 電路連接；單片機的8路AIN 口與模擬輸入接口電路連接；單片機的 P4、 P5、 P6和P7 口與串口擴展電路連接；遠程通信接口電路與單片機的 PO.O禾n PO.l腳連接；SD卡接口電路與單片機的P0.2、 P0.3、 P0.4禾口P0.5 腳連接。系統各組成電路的主要參數如下遠程通信接口電路RS-232/48總線，波特率為11.52ksps; 串口擴展電路RS-232總線、波特率為U.52ksps; 數字輸入接口電路DC3.3 5V，l 5mA; 數字輸出接口電路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。本發明與背景技術相比具有的有益的效果是能夠在深海環境下同時 實現多種深海設備的不同數據類型的自動采集、自動存儲與遠程控制。目前深海設備的接口各異，但基本離不開RS-232串口、數字/模擬輸入輸 出、PWM控制等方式，所以本發明的深海數據采集控制裝置能夠與多種 深海傳感設備、深海控制設備進行便捷地銜接，能夠高效地、 一體化地實 現對多種深海設備的數據自動采集存儲與遠程控制。深海數據采集控制裝置是集數據采集、數據存儲和控制功能于一體的 高性能控制器。通過該數據采集控制裝置可以有效地同時利用多個深海設 備實現數據傳感、自容存儲、遠程控制，并提供長距離通信接口，實現甲 板操作臺對水下設備的實時狀態監視和實時控制。隨著深海探測研究技術 的不斷發展，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是本發明深海數據采集控制裝置的結構原理圖； 圖2是本發明深海數據采集控制裝置的使用原理圖； 圖3是本發明深海數據采集控制裝置的連接示意圖； 圖4是本發明深海數據采集控制裝置的工作流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，整個系統包括單片機1、電源電路2、遠程通信接口電路9、 RTC電路3、 PWM輸出接口電路4、數字輸出接口電路5、數字 輸入接口電路6、模擬輸入接口電路7、串口擴展電路8、 SD卡接口電路 10。單片機1采用C8051F020單片機；電源電路2主要利用LM1117-3.3 穩壓芯片將直流電源穩壓成3.3V的VCC; RTC電路3使用FM3130芯片 為系統提供日期時間；PWM輸出接口電路4使用單片機內部的PWM模 塊產生，可以設置為8位或16位，輸出方式為集電極開路輸出，使用時 需要外加驅動電路；數字輸出接口電路5使用繼電器輸出方式，有隔離電 路，驅動能力為250VAC 5A;數字輸入接口電路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；串口擴展電路8使用 兩片SC16C654擴展8個RS232串口 ，每個串口具有64字節的輸入、64 字節的輸出RFO，每路串口的波特率都可以單獨設置，最高可達 1Mbps;遠程通信接口電路9使用單片機集成的1號串口，外加電平轉換 電路后連至本地的視頻服務器，然后通過調試解調后連至甲板機；SD卡接口電路姆使用SPI總線方式進行訪問，支持FAT32文件系統。深海數據采集控制裝置的使用原理如圖2所示。深海數據采集控制裝 置11通過遠程通信接口與遠程通信模塊12相連，并接入萬米同軸纜 13，與甲板控制平臺14實現全雙工通信，深海數據采集控制裝置通過多 種類型的接口直接與多種深海設備15連接，采集傳感數據，實時存儲傳 感數據，并實時控制深海設備15。深海數據采集控制裝置與深海設備的連接示意如圖3所示，深海數據 采集控制裝置11密封在一個高壓倉內，通過深水電纜與各種深海設備15 連接，可連接的深海設備主要包括高度計15-1、 CTD15-2、濁度計15-3、 磁力計15-4等各種深海傳感設備，以及深海液壓系統15-5、深海電機15-6等深海執行設備，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。系統的軟件流程如圖4所示，程序開始運行后首先判斷看門狗是否復 位，若己復位，讀取設置參數、配置相關模塊，并輸出控制量，然后進入 數據采集處理歩驟；若未復位，初始化單片機、配置各功能模塊，并關閉 所有控制量，然后進入數據采集處理步驟。數據采集處理步驟執行完畢后 發送上行數據，然后判斷是否收到下行指令，若收到，指令校驗、譯碼、 執行，然后單片機進入低功耗待機模式；若未收到，直接使單片機進入低 功耗待機模式。單片機進入低功耗待機模式后，只有依靠中斷來喚醒系 統，并進入到數據采集處理歩驟進行循環。軟件在調試過程中使用了 JTAG接口。數據采集和控制使用了 RS-232通信方式，RS-232通信的數據包協議包含幀起始標志、幀標識符、數 據長度、數據、CRC校驗、幀結束標志。由于C8051單片機的有64kB的 程序空間，所以在CRC程序實現時使用了査表的方式，以提高運算速深海數據采集控制裝置中，對系統多串口的擴展是較重要的部分，由 于中央處理器單片機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，而標準的RS-232串行通信邏輯電平為 土12V，所以必須使用信號電平轉換芯片來實現串行通信，深海數據采集 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 電平轉換和驅動芯片。對8個擴展串口的片選通過74ACT573地址鎖存器 和MM74HCT138M 3-8譯碼器，74ACT573地址鎖存器的Q5， Q6， Q7三 位進行片選，MM74HCT138M的八路輸出與串行數據通信四通道UART 芯片SC16C554的使能端口 CSA、 CSB 、 CSC、 CSD、 CSE、 CSF 、 CSG、 CSH相連，SC16C554的數據總線(D0—D7)與74ACT573地址鎖 存器的數據總線(D1—D8)相連，即8個串口的數據操作都采用相同的 接口，采用輪詢的方式進行串口的讀寫。C8051F020單片機通過I2C與FM3130連接。FM3130是內嵌64Kb鐵 電存儲器的處理器外圍芯片，結合了非易失性鐵電存儲器FRAM和實時 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 前時間對內部寄存器進行校準；使用過程中，定時讀取年月日、星期、時 分秒對應的寄存器獲取當前的日期時間，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行鎖 定，防止讀的過程中計數發生變化。為了防止深海設備對C8051單片機的干擾，在輸出控制電路中加了光 耦隔離器TLP521。由于C8051單片機無法提供光耦導通時需要的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 出三極管一起構成了達林頓管形式驅動繼電器。為了防止繼電器開關動作 時可能會產生電火花，在繼電器的電源輸入端加入了扼流電感。在使用深海數據采集控制裝置時，深海數據采集控制裝置與深海傳感 器或執行單元之間通過標準的RS-232串行通信協議進行數據通信，深海 設備之間距離比較近，在距離較遠的情況下可以配備RS-232延長器。串口通信數據主要有數據包頭(起始符、傳遞方向、數據包長度和校驗 碼)、報文內容和數據包尾(結束符)組成。串口通信的數據報文格式如 下:起始符為簡單的"@@"字符，傳遞方向為甲板平臺與深海串口控制器 之間的方向(DOWN或者UP)，甲板平臺對深海控制器的指令為DOWN方向，深海數據采集控制裝置向甲板平臺的數據為UP方向。數據 包長度指的是報頭總長度，包括數據包頭、報文內容和數據包尾的長度之 和。校驗碼采用了 MD5校驗方式，只對命令類型和數據內容進行校驗。 命令類型為傳感數據或控制指令的類型，數據內容為傳感數據的數值或控 制指令的參數。結束符為簡單的"##"字符。
權利要求
1、深海數據采集控制裝置，包括單片機、電源電路、遠程通信接口電路、RTC電路、PWM輸出接口電路、數字輸出接口電路、數字輸入接口電路、模擬輸入接口電路、串口擴展電路、SD卡接口電路，其特征在于電源電路與單片機的電源輸入端連接，RTC電路的FM3130芯片的SDA、SCL線分別與單片機的P0.6、P0.7腳連接；單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4與PWM輸出接口電路連接；單片機的8路P2口作為數字輸出與數字輸出接口電路連接；單片機的8路P3口與數字輸入接口電路連接；單片機的8路AIN口與模擬輸入接口電路連接；單片機的P4、P5、P6和P7口與串口擴展電路連接；遠程通信接口電路與單片機的P0.0和P0.1腳連接；SD卡接口電路與單片機的P0.2、P0.3、P0.4和P0.5腳連接；其中單片機采用C8051F020單片機；電源電路采用LM1117-3.3芯片進行穩壓的穩壓電路；RTC電路使用FM3130芯片為系統提供日期時間；PWM輸出接口電路使用單片機內部的PWM模塊產生，輸出方式為集電極開路輸出；數字輸出接口電路使用繼電器輸出；數字輸入接口電路為光耦隔離輸入；模擬輸入接口電路為12位模擬數字轉換器；串口擴展電路使用兩片SC16C654擴展8個RS232串口；遠程通信接口電路使用單片機集成的1號串口，外加電平轉換電路；SD卡接口電路使用SPI總線方式進行訪問，支持FAT32文件系統；主要接口參數如下遠程通信接口電路采用RS-232/485總線、波特率為11.52ksps；串口擴展電路采用RS-232總線、波特率為11.52ksps；數字輸入接口電路輸入電壓為DC3.3～5V，1～5mA；數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
本發明涉及一種用于深海資源調查裝備的多類型深海設備實時采集與控制裝置。傳統的深海數據采集控制方法采用點對點通信方式或自容存儲方式，只能連接一個深海設備，使用受到限制。本發明的深海數據采集控制裝置主要包括單片機、電源電路、遠程通信接口電路、RTC電路、PWM輸出接口電路、數字輸出接口電路、數字輸入接口電路、模擬輸入接口電路、串口擴展電路、SD卡接口電路。本發明能夠在深海環境下同時實現多種深海設備的不同數據類型的自動采集、自動存儲與遠程控制，能夠高效地、一體化地實現對多種深海設備的數據自動采集存儲，同時實現遠程控制。
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 優先權日2008年4月22日
發明者劉敬彪, 劉純虎, 周巧娣, 章雪挺, 蔡文郁 申請人:杭州電子科技大學