周　磊，孫海瑋，匡　石，梁　峭

(沈陽儀表科學(xué)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(yīng)用于科研和水下裝備領(lǐng)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(zhì)。在以往的產(chǎn)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(yīng)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(lǐng)域。

信息的數(shù)字式傳輸與交換可以很好地彌補(bǔ)模擬信號的缺陷。數(shù)字信號在傳輸之前可以先進(jìn)行加密處理再進(jìn)行傳輸，最后在接收端進(jìn)行解密，完成信息的傳輸與交換，這樣就增強(qiáng)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(gòu)成的門限電壓(稱為閾值)去衡量輸入的信號電壓，只有達(dá)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(dá)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(chǎn)生誤碼。而為了防止誤碼，在電路中可以設(shè)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(jī)進(jìn)行信號傳輸與交換。與RS232接口標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，這些都為最終產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。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(shè)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(yīng)原理，利用半導(dǎo)體平面工藝，將構(gòu)成惠斯登電橋的4個擴(kuò)散硅電阻對稱設(shè)計在硅體敏感膜片的正負(fù)應(yīng)力區(qū)上，當(dāng)受到壓力作用時，膜片發(fā)生形變，導(dǎo)致擴(kuò)散硅電阻阻值因電阻率隨被測介質(zhì)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(nèi)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(jīng)過放大和限幅處理后輸入到單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸入端口。A/D轉(zhuǎn)換電路部分采用了基于PIC18F66K80型單片機(jī)的設(shè)計，該單片機(jī)自身配備了12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，足以滿足產(chǎn)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(chǎn)品的功耗，設(shè)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(chǎn)品整體的小型化設(shè)計[2]。

該水深測量組件采用了一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，即將壓力敏感芯體焊接在壓力接口內(nèi)后，把電路板直接安裝在壓力敏感組件后端，整個產(chǎn)品封裝在同一腔體內(nèi)部，這種一體化的設(shè)計使整個產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計也使產(chǎn)品可以更好地抵抗外界各種惡劣環(huán)境的影響。整體產(chǎn)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(jié)構(gòu)部分設(shè)計

該產(chǎn)品采用一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，整體機(jī)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(nèi)后，直接與電路板進(jìn)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(qiáng)安裝強(qiáng)度，但本產(chǎn)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(chǎn)品最終采用了使用上下限位塊的方式對電路板進(jìn)行固定，這種安裝方式比較靈活，更便于對電路的調(diào)試，但對機(jī)加件的加工精度提出了更高的要求，因為如果機(jī)加件尺寸誤差過大，就會使整機(jī)產(chǎn)品裝配后各組件之間存在縫隙，最終導(dǎo)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(qiáng)了抵抗高強(qiáng)度沖擊震動環(huán)境的能力。

圖2　產(chǎn)品機(jī)械裝配圖

3　電路部分設(shè)計

3．1硬件設(shè)計

該產(chǎn)品采用24 V DC電源供電，該電源可以直接為信號調(diào)制模塊進(jìn)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(jìn)行轉(zhuǎn)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(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊對輸入電壓的要求，因此需要對該信號進(jìn)行放大和限幅，綜合考慮壓力敏感芯體在全溫區(qū)范圍內(nèi)的輸出變化，應(yīng)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(nèi)，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(jī)A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行限幅處理[3]，信號調(diào)制模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3　信號調(diào)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(jī)的設(shè)計，該單片機(jī)自帶12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，假設(shè)壓力敏感芯體的輸出信號經(jīng)過調(diào)制模塊處理后，零點輸出為1 V，滿量程輸出為3 V，那么經(jīng)計算，在0～6 m測量范圍內(nèi)分辨率可以達(dá)到0.003 m；0～50 m測量范圍分辨率可以達(dá)到0.025 m，足以滿足產(chǎn)品測試分辨率(0.125 m)的要求，另外，該單片機(jī)自身可以為A/D轉(zhuǎn)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(jìn)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(chǎn)品的小型化設(shè)計。

數(shù)字電路的接口部分采用MAX485接口芯片，通過適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐吩O(shè)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(chǎn)生的信號反射。數(shù)字電路部分原理圖如圖4。

3．2軟件設(shè)計

該產(chǎn)品的軟件部分設(shè)計比較簡單，只是將A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號直接通過RS485芯片與上位機(jī)進(jìn)行通訊，與上位機(jī)的通訊采用應(yīng)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(biāo)志字節(jié)。當(dāng)接收深度查詢報文有錯誤時，回傳一個特性標(biāo)志字節(jié)AAH，當(dāng)上位機(jī)收到該特性標(biāo)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(dāng)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(jié)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(guān)常規(guī)環(huán)境試驗，產(chǎn)品工作狀態(tài)良好。

目前，該產(chǎn)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(chǎn)品的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化。另外，結(jié)合未來水下裝備對深水區(qū)域工作的要求，還需要對產(chǎn)品進(jìn)行量程擴(kuò)展，使其能夠應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐淑霞，孫海瑋，梁峭，等．新型小型化水深測控組件研制．儀表技術(shù)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(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2013(12)：155-160．