王　臣，鄭　羽，陽(yáng)志杰，王金海

(天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津　300387)

0　引言

一般水工學(xué)者對(duì)波浪的研究是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室水槽中利用造波機(jī)來(lái)模擬自然環(huán)境下的波浪，并利用波高傳感器對(duì)試驗(yàn)水槽中多點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的波高數(shù)據(jù)采集并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而為水工實(shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確可靠的波浪參數(shù)[1]。傳統(tǒng)的波高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接將采集的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行處理，無(wú)法脫離上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且由于水工實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，當(dāng)市電接入不方便時(shí)，采集系統(tǒng)無(wú)法工作。因此研究一款能夠在水工實(shí)驗(yàn)環(huán)境下實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)波高數(shù)據(jù)的便攜式波高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常必要。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，整個(gè)采集系統(tǒng)由波高傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)控制芯片、溫度傳感器、LCD液晶、FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電源模塊以及與上位機(jī)通信模塊等組成。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

波高傳感器主要用于將波浪的高度值轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大和濾波后輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)波高的檢測(cè)；A/D轉(zhuǎn)換器用來(lái)實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)(采集的電壓信號(hào))轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便控制器的進(jìn)一步處理；系統(tǒng)控制芯片主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)的基本指令，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)序的控制，它是整個(gè)采集系統(tǒng)中最重要的一部分；顯示與存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)；BS18B20負(fù)責(zé)水溫的采集；電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力；通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)與上位機(jī)信息交互的渠道。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2．1波高傳感器

傳感器采用電容式波高傳感器，該傳感器主要是將波高值轉(zhuǎn)化為電壓值并輸出，其檢測(cè)誤差小于0.5％ F·S，輸出電壓范圍為-5～+5 V，測(cè)量長(zhǎng)度為60 cm，滿足水工實(shí)驗(yàn)中對(duì)波高數(shù)據(jù)采集的需要。傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　波高傳感器結(jié)構(gòu)圖

它的正極由聚乙烯絕緣材料所包裹的金屬線構(gòu)成，負(fù)極為裸露的金屬桿，由正極和負(fù)極構(gòu)成的電容器的容值取決于傳感器入水長(zhǎng)度、金屬線半徑、金屬線包裹層厚度及包裹層的介電常數(shù)，影響因素中除了傳感器深入水中的長(zhǎng)度不斷變化外，其余因素為固定常數(shù)，因此電容值與傳感器放入水中的長(zhǎng)度正相關(guān)，檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)電容器的電容值便可得出水位的高度。因在測(cè)量的過(guò)程中由于水溫的變化會(huì)對(duì)絕緣材料的介電常數(shù)有影響，從而影響測(cè)量的精度，所以需要通過(guò)溫度補(bǔ)償來(lái)減小測(cè)量值的誤差。該傳感器的數(shù)學(xué)模型如下：

H=(0.014 840 435-0.000 131 39T)U-

0.001 421T2+0.237 141T-7.230 89

(1)

式中：T為水溫值；U為傳感器輸出電壓值；H為對(duì)應(yīng)的水位值。

系統(tǒng)采用不銹鋼封裝的防水型DS18B20溫度探頭來(lái)指示水溫，它可通過(guò)單線與單片機(jī)進(jìn)行通信。編程時(shí)，通過(guò)DS18B20測(cè)出的水溫值和傳感器輸出的電壓值與傳感器數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，便可以求出所測(cè)水位值。

2．2微處理器

考慮到系統(tǒng)成本和低功耗的要求，采用C8051F023單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。它的供電電壓為2.7～3.6 V，具有豐富的數(shù)字外設(shè)接口，可同時(shí)使用的硬件接口包括SMBus、SPI及2個(gè)UART串口，其70％的指令執(zhí)行時(shí)間僅為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，明顯提高了指令執(zhí)行效率[2]。主控芯片硬件連接圖如圖3所示。

圖3　C851F023硬件連接圖

2．3A/D轉(zhuǎn)換

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD7888，它是一款高速低功耗12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作電壓為2.7～5.25 V，最大采樣速率為125 kSPS，正常工作時(shí)功率為2 mW，掉電狀態(tài)下功率為3 μW，制作工藝采用CMOS，降低了功率消耗。它包含8路模擬輸入，并可通過(guò)SPI串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)中，AD7888的選通信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的I/O端口P1．2來(lái)提供。

因AD7888是高分辨率的ADC，電源的耦合電路尤為重要，在對(duì)電路設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)所有模擬電源的輸入加一級(jí)去耦電路，在制作PCB板時(shí)，為了使去耦效果更好，并且消除因連接線路太長(zhǎng)帶來(lái)的干擾，去耦電容應(yīng)靠近芯片的電源引腳。

2．4顯示模塊

采用帶字庫(kù)的HS12864-LYH點(diǎn)陣圖形液晶作為系統(tǒng)的顯示模塊，該模塊工作電壓為3.5～5.5 V，內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。模塊接口方式靈活簡(jiǎn)單、指令操作方便，編碼時(shí)可以方便地構(gòu)成全中文人機(jī)交互界面。該液晶模塊顯示屏尺寸為66.52 mm×33.24 mm，顯示分辨率為128×64，可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示，通過(guò)該顯示模塊用戶可以清楚地看到采集的數(shù)字信號(hào)及采集的信號(hào)波形。

2．5存儲(chǔ)模塊

圖4　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

2．6電源模塊

為了使儀器使用方便，采用輸出電壓為12 V的可充電鋰電池給系統(tǒng)供電，考慮到電池在使用的過(guò)程中會(huì)隨著自身電量減少，導(dǎo)致供電電壓不足，需采用穩(wěn)壓電源模塊給系統(tǒng)提供相對(duì)穩(wěn)定的電壓。

系統(tǒng)需要+5 V電源給液晶供電，考慮到能耗和電源轉(zhuǎn)換效率，采用AS1117-5芯片將電池輸出的+12 V電壓轉(zhuǎn)化為+5 V電壓，該芯片輸入電壓范圍為7.5～12 V，這保證了隨著電路的耗能而使蓄電池輸出電壓降低時(shí)，AS1117-5芯片仍可輸出+5 V電壓，使系統(tǒng)繼續(xù)正常工作；另外系統(tǒng)還需要+3.3 V的電壓，經(jīng)過(guò)篩選，采用78LC33模塊將+5 V電壓轉(zhuǎn)化為+3.3 V．系統(tǒng)電源模塊電路圖如圖5所示。

圖5　電源電路

為了節(jié)約能源使系統(tǒng)能夠較長(zhǎng)時(shí)間的工作，電路中的器件盡量都采用節(jié)電的CMOS器件，并且盡量都采用低功耗的SOP封裝形式，這樣可以將系統(tǒng)的功耗大幅度降低[3]。

2．7通信模塊

采用MAX3221E芯片作為該通信模塊的主控芯片，作為雙向驅(qū)動(dòng)接收器，它可以將單片機(jī)I/O口的邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)變成RS-232電平信號(hào)，也可以RS-232電平信號(hào)轉(zhuǎn)變成單片機(jī)I/O口所需的邏輯電平信號(hào)。通信模塊連接圖如圖6所示，系統(tǒng)可以通過(guò)該模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信功能，將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)軟件。

圖6　數(shù)據(jù)通信

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)各功能模塊的程序設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)2個(gè)部分。系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)初始化時(shí)，通過(guò)配置交叉開(kāi)關(guān)為UART0 、SPI0分配端口引腳，按 UART0EN=1、SPI0EN=1設(shè)置XBR0=0X06，XBR1=0X00，XBR2=0X40。當(dāng)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器3，使其定時(shí)0.5 s進(jìn)入中斷處理程序，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并且進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)。下面重點(diǎn)介紹A/D轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程。

3．1A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

圖8　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖

3．2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

圖9　AT45DB161D功能框圖

當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)，可以先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)(512字節(jié))，當(dāng)緩沖區(qū)寫(xiě)滿后，再將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到主存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)的指令格式為：操作碼(緩沖區(qū)1操作碼84H 緩沖區(qū)2 操作碼87H)+3字節(jié)地址+要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，3字節(jié)地址由15個(gè)無(wú)關(guān)位和9位緩沖區(qū)地址組成。數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)寫(xiě)入主存儲(chǔ)器的指令格式為：操作碼(緩沖區(qū)1 操作碼83H 緩沖區(qū)2 操作碼86H)+3字節(jié)地址，3字節(jié)地址由3個(gè)無(wú)關(guān)位、12位地址位以及9個(gè)無(wú)關(guān)位組成。

當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，可以一次對(duì)1個(gè)頁(yè)(512字節(jié))進(jìn)行連續(xù)的讀取，讀取數(shù)據(jù)指令格式為：操作碼(E8H)+3字節(jié)地址+4無(wú)關(guān)字節(jié)，3字節(jié)地址由3個(gè)無(wú)關(guān)位、12位頁(yè)地址以及9位頁(yè)內(nèi)地址組成。當(dāng)讀到一個(gè)頁(yè)的結(jié)尾時(shí)，會(huì)從下一頁(yè)開(kāi)頭繼續(xù)讀取。存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)流程圖如圖10所示。

圖10　數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)流程圖

3．3系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

采用C#語(yǔ)言在Visual Studio 2010．NET 編程環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，通過(guò)上位機(jī)軟件讀取Flash存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)并將讀取的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，讀取結(jié)束后可以對(duì)讀取的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。應(yīng)用程序流程圖如圖11所示。

圖11　應(yīng)用程序流程圖

系統(tǒng)主要使用．NET類庫(kù)中的SerialPort類來(lái)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，并且為了提高系統(tǒng)的并發(fā)能力，采用多線程的編程思想實(shí)現(xiàn)在主線程中利用Thread類創(chuàng)建通信線程和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程，通信線程主要完成將接收的數(shù)據(jù)放入接收緩存隊(duì)列中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程負(fù)責(zé)將緩存隊(duì)列中接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)處理主要包括對(duì)采集的波高值進(jìn)行波浪統(tǒng)計(jì)和功率譜分析，由于原始數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理的依據(jù)，不可隨意修改其內(nèi)容，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行了加密處理。上位機(jī)采集界面如圖12所示，當(dāng)下位機(jī)收到上位機(jī)發(fā)送的十六進(jìn)制數(shù)0A 0B 0C 0D時(shí)，下位機(jī)將FLASH存數(shù)器中的數(shù)據(jù)依次傳給上位機(jī)。

圖12　采集界面

4　結(jié)束語(yǔ)

文中詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)流程，并對(duì)系統(tǒng)一些主要模塊從硬件方面和軟件方面做了具體的闡述。另外，在系統(tǒng)機(jī)體外殼設(shè)計(jì)上，為了滿足便攜的要求，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)外殼長(zhǎng)×寬×高=200 mm×100 mm×80 mm，經(jīng)測(cè)試，在可充電鋰電池充滿電后系統(tǒng)可正常工作10 h左右。與現(xiàn)有波高采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)高效并且可以脫離市電正常工作，滿足水工實(shí)驗(yàn)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李宏偉．?dāng)?shù)值水池造波方法研究：[學(xué)位論文]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009．

[2]潘琢金．C8051F020 /1 /2 /3混合信號(hào)ISP FLASH 微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)．沈陽(yáng)：新華龍電子公司，2005：7-11．

[3]姚東偉，王培先，張江波．便攜式傾角傳感器的研究設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2012(11)：25-27．

[4]馬立國(guó)．AD7888與AT89C51單片機(jī)接口應(yīng)用技術(shù)．集成電路通訊，2007，25(2)：32-36．

[5]張俊謨．SOC 單片機(jī)原理與應(yīng)用——基于C8051F 系列．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：35-48．