剖析水下拖曳體多源信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要： 基于海洋電法探測(cè)系統(tǒng)中水下拖曳體對(duì)多源信息實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖曳體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境信息的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可與水面監(jiān)控器保持命令與數(shù)據(jù)溝通，并在監(jiān)控器的指令下啟動(dòng)水下電法儀執(zhí)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集等操作。經(jīng)系統(tǒng)樣機(jī)的海上測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，能夠在其他水下信息采集作業(yè)中得到推廣應(yīng)用。

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程建設(shè)、資源勘探等方面的開(kāi)發(fā)和研究正蓬勃發(fā)展［1］。諸多海上作業(yè)均離不開(kāi)水下探測(cè)，而水下拖曳體作為一種比較直接的探測(cè)工具載體，使用非常廣泛［2］。水下拖曳體平臺(tái)在工作時(shí)，需要實(shí)時(shí)采集自身的姿態(tài)信息、監(jiān)聽(tīng)和處理各種外部通信信息等［3］。

因此，完善的拖曳體平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具有較強(qiáng)的多源信息監(jiān)控與處理能力。本文基于國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“海底熱液多金屬硫化物電阻率法探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)”和國(guó)際合作項(xiàng)目“深海高密度電法探測(cè)系統(tǒng)研制”對(duì)水下拖曳體平臺(tái)監(jiān)控多源信息的需求設(shè)計(jì)了一套技術(shù)方案，并研制出了系統(tǒng)樣機(jī)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1系統(tǒng)組成與工作原理

水下拖曳體是水下測(cè)量設(shè)備和多種傳感器的載體［4］，內(nèi)部集成多源信息監(jiān)控系統(tǒng)，是多種類型信息匯集與傳遞的中心。系統(tǒng)從傳感器組實(shí)時(shí)采集拖曳體的狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)信息（拖曳體內(nèi)外溫度、剩余電量、姿態(tài)、深度與高程、距周邊障礙物距離等），采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通信電纜或水聲通信器傳輸給水面監(jiān)控PC上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖曳體姿態(tài)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)系統(tǒng)接收PC上位機(jī)的通信命令，對(duì)拖曳體上搭載的電法測(cè)量?jī)x器執(zhí)行參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)測(cè)量等操作。

1.2 系統(tǒng)外部搭載設(shè)備

系統(tǒng)外部搭載的設(shè)備包括運(yùn)動(dòng)信息監(jiān)測(cè)的傳感器組、水聲通信器及電法測(cè)量?jī)x等，如圖1所示。其中拖曳體內(nèi)部溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)內(nèi)部發(fā)熱量較大的功率器件等位置的表面溫度，外部溫度傳感器測(cè)量周邊水體的溫度；

深度傳感器通過(guò)測(cè)量拖曳體所處位置的水壓力，計(jì)算得到拖曳體距離海面的深度;高度傳感器通過(guò)聲波探測(cè)拖曳體距離水底的高度;避碰聲吶安裝在拖曳體側(cè)面，用于測(cè)量拖曳體距周邊障礙物的距離；

三維羅盤(pán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖曳體的姿態(tài)，并與重力加速度計(jì)搭配測(cè)量拖曳體的行進(jìn)方向、加速度等全方位姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)信息；

水聲通信器用于水下無(wú)線通信，使拖曳體平臺(tái)與水面上位機(jī)保持信息與命令的傳遞［5］；

電法測(cè)量?jī)x［6］在信息監(jiān)控系統(tǒng)的支配下執(zhí)行工作參數(shù)修改、電法測(cè)量等任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件包括單片機(jī)控制核心、設(shè)備電源管理、通信等模塊。單片機(jī)控制核心實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行、多源信息的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控；設(shè)備電源管理模塊為外部設(shè)備提供獨(dú)立的電源，并在單片機(jī)驅(qū)動(dòng)下控制各設(shè)備正常開(kāi)啟與關(guān)閉；通信管理模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)單片機(jī)控制核心與各搭載的設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信，并實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)PC上位機(jī)發(fā)送的信息。

2.1 單片機(jī)控制核心

系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的MSP430單片機(jī)［7］，它具備以下功能：（1）具有豐富的硬件資源，包括復(fù)位電路、看門(mén)狗、定時(shí)器等；（2）具備多個(gè)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的I/O口，對(duì)大量外部搭載設(shè)備進(jìn)行上電操作； （3）支持有纜通信（RS-232/485）和無(wú)纜通信（水聲通信），具有主動(dòng)開(kāi)啟工作（預(yù)設(shè)時(shí)間和預(yù)設(shè)水深觸發(fā)工作）、被動(dòng)開(kāi)啟工作（在PC上位機(jī)指令下啟動(dòng)工作）等功能。

進(jìn)入工作狀態(tài)后，水面PC上位機(jī)能對(duì)其執(zhí)行讀取測(cè)量結(jié)果、修改工作參數(shù)和工作模式等操作；（4）具有一定的穩(wěn)定性保障設(shè)計(jì)，可對(duì)各種故障與意外（通信故障、溫度過(guò)高、程序跑飛、電壓過(guò)低等）采取處理措施，并在與PC上位機(jī)意外斷開(kāi)通信時(shí)，可獨(dú)立智能地控制測(cè)量工作正常的進(jìn)行。

系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)，搭配外部Flash存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成控制核心的硬件。單片機(jī)自帶的電壓測(cè)量模塊用于電池電壓的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余電量的實(shí)時(shí)監(jiān)控；Flash存儲(chǔ)器用于保存采集的數(shù)據(jù)與參數(shù)變量；時(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供時(shí)間信息及預(yù)設(shè)時(shí)刻的采集觸發(fā)中斷；復(fù)位電路用于單片機(jī)在出現(xiàn)意外故障時(shí)重啟系統(tǒng)?？刂坪诵闹饕娐啡鐖D2所示。

2.2 設(shè)備電源管理模塊

多源信息監(jiān)控需搭載多個(gè)設(shè)備，在系統(tǒng)中單片機(jī)控制設(shè)備電源管理模塊負(fù)責(zé)各設(shè)備的電源供給，包括電壓轉(zhuǎn)換和電源控制，如圖3所示。

電壓轉(zhuǎn)換部分通過(guò)多個(gè)不同型號(hào)的隔離型DC-DC電壓變換器把+24 V電池電壓轉(zhuǎn)換為+24 V、+12 V或+5 V，分別給水下各設(shè)備獨(dú)立供電。采用隔離型DC-DC電壓變換器［8］，可以提高系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

電源控制部分采用光隔離型場(chǎng)效應(yīng)管作為多通道電子開(kāi)關(guān)，每個(gè)通道的開(kāi)關(guān)控制一路設(shè)備電源，單片機(jī)通過(guò)I/O口驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)啟/關(guān)閉設(shè)備的電源。

系統(tǒng)以設(shè)備電源管理模塊為硬件基礎(chǔ)，通過(guò)合理編寫(xiě)單片機(jī)軟件，軟件按照預(yù)定的順序逐個(gè)操作設(shè)備，讀取完測(cè)量數(shù)據(jù)后立刻關(guān)閉該設(shè)備，避免干擾和測(cè)量紊亂。

2.3 通信模塊

通信模塊在硬件上包括帶光電隔離的RS-485通信器、ADSL轉(zhuǎn)換器、水聲通信器以及多個(gè)上電控制開(kāi)關(guān)。控制核心與搭載設(shè)備、電法儀之間采用隔離型RS-485通信，使通信兩端電氣隔離，提高系統(tǒng)抗干擾性與穩(wěn)定性；控制核心與PC上位機(jī)根據(jù)距離選用不同的通信方式：拖曳體位于淺水區(qū)時(shí)采用RS-485或水聲通信， 位于深水區(qū)或拖曳距離較遠(yuǎn)時(shí)采用水聲通信或ADSL通信。

控制核心采用主從總線式通信結(jié)構(gòu)，通過(guò)RS-485總線與多個(gè)設(shè)備通信。當(dāng)需要與某個(gè)設(shè)備通信時(shí)，控制核心打開(kāi)該設(shè)備的串口電源與之通信，其他設(shè)備的串口無(wú)效。每次總線上只有一個(gè)設(shè)備與控制核心通信，最大限度地節(jié)省串口資源并保證了通信的靈活性［9］。

3 系統(tǒng)軟件編程

系統(tǒng)軟件包括PC上位機(jī)軟件和單片機(jī)主控核心軟件。系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

3.1 PC上位機(jī)軟件

PC上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控拖曳體信息，實(shí)現(xiàn)的主要功能有：（1）通過(guò)通信口與單片機(jī)控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)交流、發(fā)送指令；（2）設(shè)置控制核心的工作方式；（3）設(shè)置、啟動(dòng)電法儀進(jìn)入測(cè)量工作；（4）接收信息并處理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以曲線形式顯示給用戶；（5）對(duì)ATM88x型號(hào)水聲通信器進(jìn)行相關(guān)設(shè)置等。

3.2 單片機(jī)主控核心軟件

單片機(jī)主控核心軟件包括自檢、參數(shù)設(shè)置、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信等，系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后開(kāi)始運(yùn)行，初始化串口、定時(shí)器、I/O口、日歷時(shí)鐘等，進(jìn)入低功耗等待狀態(tài)，以減小電量消耗。當(dāng)定時(shí)器觸發(fā)信號(hào)或串口產(chǎn)生通信中斷時(shí)，系統(tǒng)退出低功耗模式，單片機(jī)對(duì)中斷信息進(jìn)行判別，選擇進(jìn)入系統(tǒng)自檢、開(kāi)啟測(cè)量、參數(shù)設(shè)置。

啟動(dòng)系統(tǒng)自檢程序后，主控核心測(cè)試拖曳體的所有硬件狀態(tài)，包括外部搭載設(shè)備的連接狀態(tài)、電池電量等。檢測(cè)完畢后，返回自檢的數(shù)據(jù)至PC上位機(jī)。

啟動(dòng)開(kāi)啟測(cè)量程序后，主控核心按預(yù)定順序開(kāi)啟、讀取、關(guān)閉設(shè)備，將測(cè)量數(shù)據(jù)保存至Flash存儲(chǔ)器，并將數(shù)據(jù)持續(xù)或固定時(shí)間間隔上傳至PC上位機(jī)。

在PC上位機(jī)進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)控或電法測(cè)量前先啟動(dòng)參數(shù)設(shè)置程序，包括啟動(dòng)/結(jié)束測(cè)量時(shí)刻、上傳時(shí)間間隔、預(yù)警值設(shè)定、時(shí)鐘校準(zhǔn)、休眠等待時(shí)間等。主控核心修改完自身運(yùn)行參數(shù)值后，將所有參數(shù)信息寫(xiě)入Flash存儲(chǔ)器，下次系統(tǒng)重新工作時(shí)，將按照本次保存的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行。完成以上任一任務(wù)后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗等待中斷狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在上述設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上研制了系統(tǒng)工作樣機(jī)，并在東營(yíng)近海進(jìn)行了功能性測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試。將拖曳體放入水中，通過(guò)船載電纜拖曳作業(yè)。在功能測(cè)試階段，PC上位機(jī)分別開(kāi)啟有纜和無(wú)纜通信方式，命令主控核心完成自檢、參數(shù)設(shè)置、姿態(tài)信息測(cè)量、開(kāi)啟電法儀工作、數(shù)據(jù)上傳等任務(wù)；在系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試階段，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)拖曳體的艙內(nèi)溫度和剩余電壓值等信息，同時(shí)保持電法儀的正常工作，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)定時(shí)上傳至水面PC上位機(jī)。

測(cè)試從16時(shí)開(kāi)始至17時(shí)20分結(jié)束，歷時(shí)80 min，在此期間兩次開(kāi)啟了電法測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖6（a）顯示多源信息監(jiān)控系統(tǒng)采集接收倉(cāng)的不同位置溫度的準(zhǔn)實(shí)時(shí)變化曲線。其中T1為DC-DC模塊處溫度，T2為6 V電池處溫度，T3為單片機(jī)處溫度， T4為24 V電池處溫度；圖6（b）圖為供電電池的電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線。圖6（c）為電法儀的測(cè)量數(shù)據(jù)曲線，系統(tǒng)在PC上位機(jī)的命令下開(kāi)啟電法儀測(cè)量后，定時(shí)返回系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)命令反應(yīng)及時(shí)、狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PC上位機(jī)、拖曳體、電法儀等多源信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，硬件與軟件在水下運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

水下拖曳體多源信息監(jiān)控系統(tǒng)是深海電法探測(cè)設(shè)備的重要組成部分，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)拖曳體的運(yùn)動(dòng)信息，并將信息及時(shí)發(fā)送到水面上位機(jī)；通過(guò)有纜或水聲無(wú)纜兩種通信方式，及時(shí)獲得PC上位機(jī)下傳的命令信息和拖曳體上傳的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；

可以對(duì)拖曳體上搭載的電法儀執(zhí)行參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)讀取等多種操作。海上試驗(yàn)測(cè)試表明系統(tǒng)可靠性高，能夠很好地滿足拖曳體對(duì)多源信息的處理需求。同時(shí)，系統(tǒng)可以選擇搭載水下攝像采集器［10］或其他傳感器，滿足不同的水下作業(yè)需求，可為海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)查、海洋工程開(kāi)發(fā)、水下考古、環(huán)境監(jiān)測(cè)等進(jìn)行信息采集服務(wù)，具有很強(qiáng)的拓展性。

作者：李先鋒 李志華 鄭彥鵬 吳 偉 曾 信

編輯：jq