周　磊，孫?，|，匡　石，梁　峭

(沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧沈陽　110043)

0　引言

長久以來，水下探測系統(tǒng)廣泛應用于科研和水下裝備領域，而水深測量組件作為水下探測系統(tǒng)的重要組成部分，在整個系統(tǒng)中處于核心地位。水深測量組件性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的品質。在以往的產品中，水深測量組件通常以模擬信號作為輸出信號，但模擬信號本身存在著抗干擾能力弱的缺點，這很大程度上限制了它的應用范圍，尤其是在抵抗惡劣環(huán)境能力有著較高要求的裝備領域。

信息的數(shù)字式傳輸與交換可以很好地彌補模擬信號的缺陷。數(shù)字信號在傳輸之前可以先進行加密處理再進行傳輸，最后在接收端進行解密，完成信息的傳輸與交換，這樣就增強了通訊的保密性；另外，數(shù)字信號在傳輸過程中可以利用電子電路構成的門限電壓(稱為閾值)去衡量輸入的信號電壓，只有達到某一電壓幅度，電路才會有輸出值，并自動生成一組整齊的脈沖(稱為整形或再生)。在這種情況下，較小雜音電壓到達時，由于它低于閾值而被過濾掉，不會引起電路動作，除非干擾信號大于原信號才會產生誤碼。而為了防止誤碼，在電路中可以設置檢驗錯誤和糾正錯誤的方法，即在出現(xiàn)誤碼時，可以利用后向信號使對方重發(fā)。通過上述處理，可以大大提升信號的抗干擾能力。

文中介紹的新型水深測量組件采用RS485串口通信方式直接與上位機進行信號傳輸與交換。與RS232接口標準相比，RS485的接口信號電平更低，不易損壞接口電路芯片，并且RS485傳輸速率更快，傳輸距離更長，抗噪聲干擾的能力也更強，這些都為最終產品的優(yōu)化設計打下了良好的基礎。另外，該水深測量組件還具備了分辨率高、可承受多倍量程過載能力等特點。

1　總體方案設計

該水深測量組件采用小型壓力敏感芯體作為核心的壓力敏感元件，該芯體采用硅壓阻效應原理，利用半導體平面工藝，將構成惠斯登電橋的4個擴散硅電阻對稱設計在硅體敏感膜片的正負應力區(qū)上，當受到壓力作用時，膜片發(fā)生形變，導致擴散硅電阻阻值因電阻率隨被測介質的壓力增加而增加或減小，造成惠斯登電橋不平衡，最終使芯體隨被測壓力輸出線性的電壓信號[1]。

該水深測量組件選用250 kPa壓力敏感芯體，這樣既可以同時滿足0～6 m測量范圍和0～50 m測量范圍內的測量精度要求(不大于0.2%)和分辨率要求(不低于0.125 m)，又可以承受100 m深度測試的過載壓力。壓力敏感芯體輸出的是mV級的模擬電壓信號，該信號經過放大和限幅處理后輸入到單片機A/D轉換輸入端口。A/D轉換電路部分采用了基于PIC18F66K80型單片機的設計，該單片機自身配備了12位A/D轉換模塊，足以滿足產品的性能要求，另外通過選擇不同功耗管理模式，有效降低了產品的功耗，設計選用了28腳SSOP封裝形式，芯片引腳數(shù)量少，外形尺寸也相對較小，這樣有助于產品整體的小型化設計[2]。

該水深測量組件采用了一體化的結構設計方案，即將壓力敏感芯體焊接在壓力接口內后，把電路板直接安裝在壓力敏感組件后端，整個產品封裝在同一腔體內部，這種一體化的設計使整個產品更加小巧，從而更易于安裝在水下探測系統(tǒng)中，同時這種全封閉的結構設計也使產品可以更好地抵抗外界各種惡劣環(huán)境的影響。整體產品的功能框圖如圖1所示。

圖1　水深測量組件功能框圖

2　結構部分設計

該產品采用一體化的結構設計，整體機械裝配圖如圖2所示，圖中單位為mm．壓力敏感芯體焊接在壓力接口內后，直接與電路板進行連接，通常壓力變送器組件的電路板與壓力敏感芯體以平行的方式安裝，安裝后可以使用螺釘將電路板固定在壓力接口上，增強安裝強度，但本產品由于受到外形尺寸的限制，電路板只能以垂直方向安裝，在這種情況下，產品最終采用了使用上下限位塊的方式對電路板進行固定，這種安裝方式比較靈活，更便于對電路的調試，但對機加件的加工精度提出了更高的要求，因為如果機加件尺寸誤差過大，就會使整機產品裝配后各組件之間存在縫隙，最終導致電路板安裝不牢固，但只要保證了裝配精度，那么這種安裝方式可以使電路板有更大的自由度，從而增強了抵抗高強度沖擊震動環(huán)境的能力。

圖2　產品機械裝配圖

3　電路部分設計

3．1硬件設計

該產品采用24 V DC電源供電，該電源可以直接為信號調制模塊進行供電，但數(shù)字電路部分需要5 V DC電源，通過LM7805集成穩(wěn)壓芯片進行轉換后提供。由于壓力敏感芯體輸出的mV級電壓信號無法滿足單片機A/D轉換模塊對輸入電壓的要求，因此需要對該信號進行放大和限幅，綜合考慮壓力敏感芯體在全溫區(qū)范圍內的輸出變化，應在常溫狀態(tài)下，將放大后的零點和滿量程輸出信號控制在1～3 V范圍內，另外，壓力敏感芯體還需要承受100 m的過載壓力，這時信號輸出值會接近電源電壓的數(shù)值，而單片機A/D轉換模塊輸入端口不允許接入大于數(shù)字電源電壓的信號，因此還需要對放大后的信號進行限幅處理[3]，信號調制模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3　信號調制模塊電路原理圖

數(shù)字部分電路采用了基于PIC18F66K80型單片機的設計，該單片機自帶12位A/D轉換模塊，假設壓力敏感芯體的輸出信號經過調制模塊處理后，零點輸出為1 V，滿量程輸出為3 V，那么經計算，在0～6 m測量范圍內分辨率可以達到0.003 m；0～50 m測量范圍分辨率可以達到0.025 m，足以滿足產品測試分辨率(0.125 m)的要求，另外，該單片機自身可以為A/D轉換模塊提供參考電壓，參考電壓的數(shù)值通過指定的寄存器進行控制，因此不需要另外提供外接的參考電壓，這樣有助于整體產品的小型化設計。

數(shù)字電路的接口部分采用MAX485接口芯片，通過適當?shù)妮敵鲭娐吩O計，確?？偩€空閑時兩條線保持穩(wěn)定的高低電平，并消除由于阻抗不匹配在線路上產生的信號反射。數(shù)字電路部分原理圖如圖4。

3．2軟件設計

該產品的軟件部分設計比較簡單，只是將A/D轉換模塊轉換得到的數(shù)字信號直接通過RS485芯片與上位機進行通訊，與上位機的通訊采用應答方式，即收到深度查詢報文后立即回傳深度報文，深度查詢報文為:FFH 7EH 04H CEH，共4個字節(jié)，前兩個字節(jié)為報頭文(FFH 7EH)，第三字節(jié)為深度查詢報文的8位字節(jié)個數(shù)(04H)，第四個字節(jié)為深度查詢報文特征標志字節(jié)。當接收深度查詢報文有錯誤時，回傳一個特性標志字節(jié)AAH，當上位機收到該特性標志字節(jié)，重新發(fā)送深度查詢報文。

圖4　數(shù)字部分電路原理圖

當深度測量組件收到正確的深度查詢報文后，立即回傳深度報文，回傳深度報文格式見表1。

4　結束語

該水深測量組件已完成0～6 m和0～50 m兩種量程樣品，現(xiàn)已通過計量部門的性能測試，以及相關常規(guī)環(huán)境試驗，產品工作狀態(tài)良好。

目前，該產品處于初樣研制階段，為了使其更好地適用于實際的工作環(huán)境，在產品的性能指標和結構設計等方面還需要進一步優(yōu)化。另外，結合未來水下裝備對深水區(qū)域工作的要求，還需要對產品進行量程擴展，使其能夠應用到更廣泛的領域。

參考文獻：

[1]徐淑霞，孫?，|，梁峭，等．新型小型化水深測控組件研制．儀表技術與傳感器，2013(12)：153-154．

[2]PIC18F66K80數(shù)據(jù)手冊．

[3]匡石，周磊，梁峭，等．用于水下航行器水深測量組件的電路設計．儀表技術與傳感器，2013(12)：155-160．