梁津津，姜 飛，張孝薇，吳 晟，鄧 云

(國家海洋技術(shù)中心，天津300112)

0 引 言

海水的溫度、鹽度和深度是最基本的海洋水文參數(shù)，是研究物理海洋學(xué)的基礎(chǔ)［1］。國內(nèi)外用于海水溫度、鹽度剖面測量的主要儀器是溫鹽深(conductivity temperature depth，CTD)海洋觀測儀［2］，而CTD 鏈在一條鏈上掛載多臺CTD 儀，可同時監(jiān)測海洋中不同深度處溫度、鹽度變化。感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸CTD 鏈?zhǔn)且?種采用感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)［3］，利用浮標(biāo)系統(tǒng)［4］中參與錨定系留的塑包鋼纜完成數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男滦虲TD 鏈，該種CTD 鏈具有拆裝方便、配置靈活、成本低、可靠性高、易維護等特點［5］，在海洋觀測領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。

本文針對實際工作需要，設(shè)計了CTD 鏈的低功耗水上機控制系統(tǒng)?？梢栽谟呻姵毓╇姷那闆r下，靈活控制CTD鏈上多臺水下機的數(shù)據(jù)采集工作、接收并存儲水下機的數(shù)據(jù)、同時可以隨時與浮標(biāo)上位機通信，并具有良好的低功耗性能。

1 感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸CTD 鏈概述

感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸CTD 鏈由一臺水上機、水上磁環(huán)、多臺水下機、塑包鋼纜四個部分組成［6］，如圖1 所示。

圖1 感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸CTD 鏈組成示意圖Fig 1 Diagram of CTD chain using inductive coupling data transmission

水上機包括采集控制系統(tǒng)和調(diào)制解調(diào)模塊，通過感應(yīng)耦合的方式完成與水下機的通信，通過RS—232 接口實現(xiàn)與浮標(biāo)上位機的通信，并具備數(shù)據(jù)存儲功能。本文主要敘述該采集控制系統(tǒng)的設(shè)計。

水下機就是用于感應(yīng)傳輸?shù)腃TD 傳感器，包括CTD 傳感器敏感元件、水下磁環(huán)、采集控制系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換調(diào)理模塊、調(diào)制解調(diào)模塊等，在采集控制系統(tǒng)中有實時時鐘，可以定時采集水下機所在位置的溫度、深度、電導(dǎo)率信息。

水上磁環(huán)、塑包鋼纜和位于水下機尾部的水下磁環(huán)共同構(gòu)成了感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸鏈路，完成水上機和水下機的感應(yīng)傳輸通信。

系統(tǒng)對每一臺水下機設(shè)定獨立的ID 編號，并且水下機處于全被動的工作方式，水上控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)每一臺水下機的通信過程，每隔相同的周期，依次向水下機詢問數(shù)據(jù)，水下機根據(jù)自身的ID 號碼，回復(fù)相應(yīng)數(shù)據(jù)。

2 感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸CTD 鏈低功耗水上控制系統(tǒng)

水上控制系統(tǒng)作為整個儀器的中樞，控制著儀器各個部分協(xié)調(diào)工作，起到任務(wù)分配、數(shù)據(jù)交換、通信控制、數(shù)據(jù)存儲等功能。下面將從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計兩個方面詳細敘述該控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。

2.1 水上低功耗控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

水上控制系統(tǒng)需要控制實現(xiàn)整個儀器的正常工作，為了適應(yīng)水上控制系統(tǒng)長時間在海上工作的需要，還需著重考慮低功耗的設(shè)計。該系統(tǒng)選用TI 公司的集成度高、體積小、且具有超低功耗性能的MSP430F149 作主控芯片［7］，圍繞該芯片搭載設(shè)計出相關(guān)外圍硬件電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 水上控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖Fig 2 Hardware composition block diagram of seawater control system

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗性能，對各功能模塊的電源設(shè)計了靈活的控制電路，使用低功耗的芯片，同時設(shè)計高效的任務(wù)調(diào)度方法，采集過程、數(shù)據(jù)傳輸過程都采用硬件中斷的方式，使得系統(tǒng)在絕大部分的時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，只有極短的時間醒來并處理工作。這樣就保證系統(tǒng)長期處于低功耗狀態(tài)，有效地降低電量消耗。

2.2 水上低功耗控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計方法，大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率，也便于今后系統(tǒng)軟件的維護和升級。

利用MSP430 的低功耗特性，可以使系統(tǒng)長期處于休眠狀態(tài)(此時系統(tǒng)消耗電流約為8 μA)，只在需要的時候由外部中斷事件(如，接收到上位機命令、實時時鐘到鬧鐘時間等)將其喚醒，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸、存儲等工作，有效地降低系統(tǒng)的整體功耗，提高系統(tǒng)的運行時間。

程序流程圖如圖3 所示。上電后，系統(tǒng)首先完成初始化，根據(jù)上次斷電前的工作狀態(tài)仍進入相同的工作模式。水上機共有兩種工作模式，分別為調(diào)試模式和采集模式，當(dāng)其處于調(diào)試模式時，可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)(如，設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)前時間、采集周期、重發(fā)次數(shù)等)和回放TF 卡數(shù)據(jù)。當(dāng)其處于采集模式時，會在設(shè)定的鬧鐘時間被喚醒，依次向水下機詢問數(shù)據(jù)，接收并存儲水下機的采集數(shù)據(jù)，完成所有水下機的數(shù)據(jù)采集工作后系統(tǒng)又自動進入休眠狀態(tài)，等待下一個工作周期。

為了保證感應(yīng)傳輸?shù)目煽啃?，引入了重發(fā)機制，即在設(shè)定的時間內(nèi)，若是水上機沒有收到正確的水下機數(shù)據(jù)，則會向該臺水下機重發(fā)若干次要數(shù)指令。需要注意的是，調(diào)制解調(diào)模塊采用的是半雙工通信模式，要由單片機控制其發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的切換。

圖3 水上控制系統(tǒng)程序流程圖Fig 3 Program flow chart of water control system

3 功耗分析與性能測試

3.1 水上低功耗控制系統(tǒng)的功耗分析

由于對系統(tǒng)中各功能模塊的電源設(shè)計了靈活的控制電路和相應(yīng)的管理程序，并且各功能模塊在工作時的耗電量也各有差異，使得系統(tǒng)處于不同狀態(tài)時消耗的電流并不相同。為了測試系統(tǒng)的低功耗特性，需要對其不同工作狀態(tài)下的電流分別進行測試與分析，系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)處于不同狀態(tài)的時間分布如圖4 所示。

圖4 一個工作周期時間分布Fig 4 Time distribution chart in one working period

其中，tcycle為一個周期的工作時間，tstby為在該周期內(nèi)系統(tǒng)休眠的時間，系統(tǒng)絕大部分時間處于休眠的狀態(tài)，twork為在該周期內(nèi)系統(tǒng)工作的時間，其中包括調(diào)制解調(diào)模塊處于發(fā)送模式的時間tt，調(diào)制解調(diào)模塊處于接收模式的時間tr。

工作周期的時間、掛載水下機數(shù)量的多少、重發(fā)次數(shù)的多少、超時時間的長短、感應(yīng)傳輸通信的質(zhì)量等都會對系統(tǒng)的耗電量產(chǎn)生影響。在此設(shè)工作周期為1 h，CTD 鏈上掛10 臺水下機，重發(fā)次數(shù)為3 次，超時時間為1 s，在該狀態(tài)下由數(shù)字萬用表測試不同時間段的電流，共測量5 次，計算平均值如表1 所示。

表1 系統(tǒng)在一個工作周期處于不同狀態(tài)的時間和電流Tab 1 Time and current of system under different state in one period

由表1 計算出系統(tǒng)一個工作周期耗電量約為

可以看到應(yīng)用低功耗設(shè)計后，在休眠時間(占系統(tǒng)工作周期中的絕大部分)的電流保持在了很小的μA 級，有效地降低了系統(tǒng)的整體功耗。根據(jù)實際應(yīng)用中可能掛載更多的水下傳感器和可能出現(xiàn)的更多的重發(fā)次數(shù)等，在此選擇了具有更大容量19 Ah 的電池，保證該系統(tǒng)在以1 h 為周期的情況下工作1 年的需求。

3.2 水上低功耗控制系統(tǒng)的性能測試

用該系統(tǒng)與2 臺水下機和水上磁環(huán)搭建出完整的調(diào)試儀器，在實驗室環(huán)境下進行了1 個月的拷機測試，可以實時地從上位機中讀取當(dāng)前采集的CTD 數(shù)據(jù)，并在TF 卡中得到了該段時間的全部測試數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了既定功能。從TF 卡中截取了某一天下午的測試數(shù)據(jù)，如表2 所示，可以看到水上控制系統(tǒng)完整地獲得了兩臺水下傳感器當(dāng)天下午的CTD 數(shù)據(jù)，并存儲到了TF 卡中。

4 結(jié) 論

本文對感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸溫鹽深鏈作了整體介紹，并設(shè)計了以MSP430 為核心的低功耗水上控制系統(tǒng)，特別針對水上系統(tǒng)的長時間海上工作的實際應(yīng)用情況，通過靈活的電源控制電路和高效的管理程序進行了低功耗設(shè)計。在實驗室環(huán)境下測試分析結(jié)果表明:該系統(tǒng)運行平穩(wěn)，并在降低功耗方面有較好的性能，大大提升了感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸溫鹽深鏈的使用時間。經(jīng)過簡單移植，它也可以應(yīng)用于很多其它自容式儀器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)墓δ堋?/p>

表2 一部分拷機數(shù)據(jù)Tab 2 Part of test data

［1］ 劉雪堂.海水鹽度測量技術(shù)［M］.北京:海洋出版社，1991:1－12.

［2］ 蘭 卉，林玉池，賈文娟，等.感應(yīng)式低電導(dǎo)率傳感器設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(10):78－80.

［3］ 鄧 云，王 欣.新型感應(yīng)耦合傳輸式溫鹽深鏈［J］.氣象水文海洋儀器，2008，9(3):1－4.

［4］ 李紅志，鄧 云.海洋專用CTD 單芯電纜傳輸技術(shù)研究［J］.海洋技術(shù)，2005，24(3):30－35.

［5］ 邵 毅，李建國，李家順，等.輕型感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸溫鹽鏈系統(tǒng)［J］.海洋技術(shù)，2009，9(3):36－39.

［6］ 鄧 云.感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及其在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用研究［D］.天津:天津大學(xué)，2009.

［7］ 沈建華，楊艷琴.MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:1－32.