《海洋双频激电仪水下主控与数据采集系统的制作方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海洋双频激电仪水下主控与数据采集系统的制作方法（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、海洋双频激电仪水下主控与数据采集系统的制作方法专利名称：海洋双频激电仪水下主控与数据采集系统的制作方法技术领域：本发明涉及数据采集系统领域，具体涉及海洋双频激电仪水下主控与数据采集系统。背景技术：目前陆上资源勘探与开采已经越来越困难，世界各国都将目光瞄准了海洋这一广阔又富饶的领域。电法探测，是各地球物理探测方法中种类最多，使用范围最广，适用性最强的一门分支学科。电法中的双频激电法是激发极化法的一种，由中南大学何继善教授提出。是地球物理领域唯一由中国人通过大量的理论研究与实践，从基本原理的提出、测量仪器的发明到方法技术的完善的有效物探方法。自20世纪70年代后期双频激电法问世以来， 一直得到了广
2、大的物探工作者和地质工作者的关注，并在全国寻找金属矿产资源(金、银、 铜、铅、锌、钥、锡、锰、硫等)、地震监测、地下水勘查和工程地质勘查等方面得到了广一泛的应用。基于双频激电法的双频激电仪器已在陆地上发展较为成熟，但是在海洋领域内国内的研究基本还是一片空白。在国家863计划项目的支持下，本申请所涉及的海洋双频激电仪研制成功，为国内首创。作为该双频激电仪中的最重要的部分，水下控制与数据采集系统采用单片机为主控模块，工控机搭配信号采集电路为数据采集模块。系统的采集精度高、 可实现多通道与大容量的数据采集工作。在工作的同时，能与水面系统保持良好的通讯并实时监测水底环境信息，保存大容量的测量信息。发明
3、内容本发明所要解决的技术问题是在基本一片空白的海洋双频激电仪的探索研究中，提供一种新型的水下控制与数据采集系统，并成功的应用到水下测量中。本发明解决其技术问题采用的技术方案是系统包括电源管理单元、单片机主控制单元、数据采集单元、实时监控单元和通讯单元。其中单片机主控单元是整个水下系统的核心，它通过电源管理单元来控制各模块和设备的电源供给，继而控制每一个设备开始工作的时序；在单片机主控单元支配下，数据采集单元采集双频激电信号、实时监控单元采集水下环境信息，得到的数据通过通讯单元传给水面甲板机；通信单元负责各单元间数据和命令的传递。所述电源管理单元包括电压转换部分和上电控制部分，其中电压转换部分采
4、用多种型号DC/DC的隔离型电压转换模块，其对24V电池电压进行12V和5V转换，供给水下各模块独立的电源；上电控制部分是指单片机管理包括各数据采集、通讯、监测模块的电源， 单片机数字I/O 口通过控制各电源上电开关的导通与截止，来控制各设备的电源导通与切断，进而控制各个设备的有序工作。上述电源上电开关包括各DC-DC的电源输入开关；数据采集工控机电源开关；数据采集卡电源开关；信号调理电路电源开关；各状态监控单元电源开关，主要是温度传感器、压力传感器、高度传感器和三维罗盘的电源开关；通讯单元电源开关，包括485通讯单元电源开关和声学通讯单元电源开关。所述单片机主控单元采用低功耗MSP430F1
5、69单片机为控制核心，主要控制以下模块工作串口模块，日历时钟模块，外部flash和SD卡存储模块，看门狗模块，多路开关驱动及指示模块。所述主控单元串口模块有两个串口，一个与水面甲板机通讯，执行包括开机自检、 状态检测信息、启动与结束工作、参数设置、控制各个模块的供电与启动相应的操作；另一个通过串口分时复用，分别与数据采集单元、实时监控单元通讯。所述数据采集单元采用嵌入式工控机PCM-9361为数据采集控制器，控制OT数据采集卡USB6289对多通道信号进行模数转换；工控机以LabVIEW为平台，在单片机主控系统的串口命令下，LabVIEW程序控制数据采集卡采集双频激电信号，同时通过USB数据线
6、高速读取采集卡里转换的多通道双频激电信号数据，得到的数据存储在60G固态硬盘里。所述通讯单元包括232串口通讯、带光电隔离的485通讯、声通讯，其中主控系统与水面甲板机通讯使用232串口，或使用光隔离的485通讯，或使用声学通讯；主控系统与数据采集单元通讯使用232或者485通讯。通讯子模块通过232串口直接通讯或转为485 通讯、声学通讯。通讯内容主要包括单片机与甲板机通讯、单片机与数据采集单元通讯、单片机与监测单元各外设通讯，包括数据和指令的传输，串口的分时复用，命令的识别，数据的接收和校验，通讯故障识别和处理；实时监测工作子模块包括测量水压，通过串口通讯读取姿态传感器，通过串口通讯测量舱
7、体距海底高度，单总线读取温度传感器的值、读取和设定日历时钟的基准时间和设置闹钟时间，以及包括监测数据的报警判断和打包上发水面甲板系统。所述实时监控单元由单片机通过串口分时复用方式获得信息，再对实时信息报警判断并上传水面甲板系统；该单元包括电压监测、水压监测、密封舱的温度监测、密封舱姿态监测、声学高度计测量距离海底高度和避碰声纳监测模块，各模块分别安装在仓体内合适位置，以便能够监测整个仓体自身信息和所处环境信息；通过各模块的综合信息判断出水下数据采集仓体的空间信息，其包括距水面高度、距海底高度、下潜时的姿态、方向、仓体内的温度；该单元还监控主控单元的电池电压和采集单元的电池电压。本发明与以往技术
8、相比，具有以下优点及突出性进步其一.本系统在克服高压、低温、暗流等恶劣的海洋环境下实现水下信息采集与测量， 成功的将双频激电仪应用于海洋探测，在国内属于首创。其二.本系统对设备的管理思路新颖实用。核心单片机通过电源管理单元来控制整个系统的正常工作。电源管理单元一方面将电池电压(MV)通过DC-DC转换成各个设备需要的电压(12V和5V);另一方面各DC-DC模块是隔离型模块，故经转换后给各设备提供的电源相互之间是隔离的，这样可以避免不同单元之间相互干扰(如功率器件影响精密测量电路的精度)。电源管理单元对于单片机就相当于很多开关，每一个开关控制着一个对应的设备或器件的电源。单片机通过控制这些开关
9、就可以方便的控制每一个设备的工作(电源管理电路将在后文详细介绍)。其三.系统具备一定的智能控制。水下系统的核心单片机具有两种工作模式受水面主控单元操控模式和自容式模式。正常情况下，水下系统通过接收水面主控单元的命令执行开机自检、状态检测信息、启动与结束工作、参数设置、数据存储与上传等任务。当与水面主控单元的通讯意外中断或者有意设定时，水下控制系统能及时判断故障，自动接管整个水下系统的工作时序，完成预设的任务。如进入水下环境监测状态时与水面主控单元失去通讯时，水下控制单元能定时读取监测信息，包括水压、水深等，当仓体下潜到预设水深(通过深度计读出)或预设定的时刻到达时(日历时钟产生中断)，将自动启
10、动测量工作； 到预设定结束时刻时能自动停止工作。除了能进行正常的通讯和数据采集外，系统还具有完善的故障判别、自处理功能， 监测信息警报功能(包括舱体内各点温度、动力电池电压、舱体高度和姿态、声纳避碰等)， 工作状态自动记忆，意外掉电后恢复工作状态等功能。其四.系统功能强大。由于系统采用特殊的电源管理思路、可实现最大32通道，数据量最大60G，采集精度超过uV的精密数据采集；附加大量外设(如水压计、声学高度计、三维罗盘、避碰声纳、姿态传感器、温度传感器等)，可同时监测和上传多个环境信息； 软件系统强大，具备一定的智能控制；动力强劲，采用大容量轻便型电池组，可在发送电流 20A的情况下持续工作10
11、小时以上。故只需要选择搭配不同的耐压仓体、激励电池组件、配套软件，可应用于各种海洋地质结构的探索、洋底矿产资源的勘探、大洋科考与环境监测、 水底摄像以及诸多水底信息采集领域。图1为本发明系统的方框示意图。图2为本发明系统中电源管理单元原理图。图3为主控单元程序流程图。图4为数据采集单元程序流程图。具体实施方式本发明提供的海洋双频激电仪水下主控与数据采集系统，其具备完善的功能多种通讯方式保障、完整的水下舱体环境信息监测、多通道高精度的信息采集、高度自容式设计和强大的故障处理能力。系统结构包括电源管理单元、单片机主控制单元(下文简称主控单元)、数据采集单元、实时监控单元和通讯单元。其中单片机主控单
12、元是整个水下系统的核心，它通过电源管理单元来控制各模块和设备的电源供给，继而可以控制每一个设备开始工作的时序；在主控单元支配下，数据采集单元和实时监控单元采集双频激电信号和水下环境信息(包括拖曳体内部和外部各信息、电池电压信息等)，得到的数据通过通讯单元传给水面甲板机；通信单元还负责各单元间数据和命令的传递。本发明提供的海洋双频激电仪水下主控与数据采集系统，其系统结构很实用，设计思路先进。系统从功能角度来看分成两个层次主控层与数据层。主控层主要协调整个系统正常工作，包括与水面甲板机通讯，控制各水下单元正常采集数据，数据中转，处理和判断各种故障错误等；数据层主要采集各种信息，包括双频激电信号(双
13、频激电仪发送机发送)，水下舱体外部环境信息(水压、距海底高度等)，舱体内部信息(温度、电池电量等)。主控层由单片机构成，数据层由各监控模块、工控机、数据采集卡、固态硬盘构成(各模块将在后文中详细介绍)。其中，单片机+工控机+数据采集卡的组合用于多通道双频激电信号的采集是本发明的创新点。相对而言，单片机系统功耗小，容易控制，适合做控制核心。在单片机支配下，安装了 Windows XP系统的工控机，则具备独特的优势，可以运行NI公司大型图形化软件LabVIEW来驱动NI公司强大的数据采集卡来采集多通道的双频激电信号。这样，整套系统结构简便，功能强大，采集精度高。下面结合实例及附图对本发明作进一步说
14、明。本发明提供的海洋双频激电仪水下主控与数据采集系统如图1所示，主要包括 电源管理单元、单片机主控单元、数据采集单元、实时监控单元和通讯单元。1.电源管理单元本单元为本发明的特色之一，原理如图2所示，包括电压转换部分和上电控制部分。电压转换部分采用多个不同型号(MKW5000-24S5，MKW40-24S12, MKW2632, MIW1000, DFA12S12) DC/DC的电压转换模块，其对MV电池电压进行转换(12V和5V)，供给水下各模块独立的电源。DC-DC是隔离型，所以输出的各电源和地是相互隔离独立的，这样就避免了本系统不同模块之间的相互干扰(比如数字部分干扰模拟电路，大功率输出
15、部分干扰微小信号测量部分)。上电控制部分是单片机管理各数据采集、通讯、监测等模块的主要手段。单片机数字I/O 口通过控制电源开关一大功率光隔离MOSFET (PVG612AS)的导通与截止，来控制各设备的电源导通与切断，进而控制各个设备的有序工作。各电源开关包括各DC-DC的电源输入开关；数据采集工控机电源开关；数据采集卡电源开关；信号调理电路电源开关；各状态监控单元电源开关(主要是温度传感器，压力传感器，高度传感器，三维罗盘等)；通讯单元电源开关(485通讯单元电源开关、声学通讯单元电源开关)。2.单片机主控单元本单元采用低功耗单片机MSP430F169为控制核心，主要包括以下模块串口模块，
16、日历时钟模块，外部flash和SD卡存储模块，看门狗模块，多路开关驱动及指示模块。串口模块本系列单片机有两个串口，一个与水面甲板机通讯。另一个通过串口分时复用，分别与数据采集单元、监控单元通讯。日历时钟模块(芯片型号DS1306)主要有三个作用为测量数据的分析提高准确的时间信息；为系统定时启动或停止测量提供外部中断；可用作外部定时复位。外部flash (W25Q128)和SD卡存储模块用于防掉电存储相关状态与中转数据。看门狗模块(X5045)保证程序正常运行和按要求提供定时复位。多路开关驱动及指示模块用于驱动连通各单元电源的光耦，并点亮相应的LED 灯指示。本单元是整个水下系统的控制核心，主要功能是通过接收水面甲板机的通讯指令来执行相应的操作开机自检、状态检测信息、启动与结束工作、参数设置、控制各个模块的供电与启动。当与甲板机的通讯中断时，单片机能自动进入水下环境监测状态。当仓体下潜到预设水深(通过深度计读出)或预设定的时刻到
