于海濱，盛旭鋒，余小非

（1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

時間序列沉積物捕獲器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

于海濱1，2，盛旭鋒1，余小非1

（1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

針對海洋沉積物在海洋多領(lǐng)域研究中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種時間序列沉積物捕獲器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430處理器為核心，結(jié)合時鐘芯片、步進(jìn)電機(jī)及各種傳感器，實(shí)現(xiàn)了捕獲器在海底一年自動定時收集沉積物，并記錄運(yùn)行狀況信息的要求。經(jīng)測試，該設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，滿足了設(shè)計(jì)要求。

沉積物捕獲器；MSP430；低功耗；自動化控制

0 引言

海洋顆粒物質(zhì)在其形成、變化和沉降過程中記錄了許多生物活動以及物理、化學(xué)作用的信息，因此它對顆粒物質(zhì)通量研究、海洋沉積學(xué)研究、全球變化研究及海洋環(huán)境檢測研究都具有重要意義[1]。最早的沉積物捕獲器只能采樣單一時間內(nèi)的沉降顆粒，若想獲得具有時間分辨率的樣品，需要多次投放，耗時耗力。而時間序列沉積物捕獲器是一種沉放在水中一定深度，按照預(yù)先設(shè)置的工作程序自動定時收集水中沉降顆粒物質(zhì)[2]的采樣設(shè)備，其收集到的樣品既有準(zhǔn)確的時間，又有準(zhǔn)確的數(shù)量，還有很高的時間分辨率，所以成為了海洋沉降顆粒收集的重要手段。由于該設(shè)備最長需要在水下工作一年，所以低功耗控制和設(shè)備冗余性設(shè)計(jì)是研究難點(diǎn)。

1 系統(tǒng)工作原理

捕獲器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)通過RS232串口與控制倉通信，設(shè)定工作周期、投放位置（經(jīng)緯度）、投放時間、工作站位號。入水后設(shè)備自動工作，收集瓶保存漏斗收集到的海底沉降顆粒物質(zhì)，經(jīng)過預(yù)設(shè)的工作周期后，控制倉通過步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一定角度，完成收集瓶的切換，磁性開關(guān)檢測收集瓶位置是否旋轉(zhuǎn)到位。假如旋轉(zhuǎn)到位，控制倉控制溫度、傾角傳感器工作并保存接收到的檢測信息，之后進(jìn)入休眠模式。反之，控制倉控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動。設(shè)備工作結(jié)束回收后，上位機(jī)再次和控制倉通信，導(dǎo)出存儲的工作狀態(tài)信息。通過收集瓶切換這個過程，使不同的收集瓶保存著不同時間段內(nèi)收集到的海底沉降顆粒，這種具有時間分辨率的樣品對海洋各領(lǐng)域的研究都有重大價值。

圖1 捕獲器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

（1）捕獲器可以在水下采樣數(shù)天到數(shù)周，最長工作時間為一年。

（2）設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，收集瓶按照預(yù)設(shè)時間自動切換，工作狀態(tài)信息記錄完整。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包含主控模塊、傳感器模塊、時鐘模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和電源。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖

由于本系統(tǒng)對功耗控制有嚴(yán)格要求，所以選擇了美國德州儀器公司的 16 bit超低功耗單片機(jī) MSP430F149作為主控模塊處理器[3]。它的工作電壓為 1.8 V~3.6 V，正常工作模式下電流為280 μA，還具有五級節(jié)電模式，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。從待機(jī)模式下恢復(fù)工作，只需要不到6 μs時間。另外它還有豐富的片上外圍模塊，有精密硬件乘法器、一個 14路的 12 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器、USART和SPI通信端口、2個16 bit定時器支持 PWM輸出等功能[3]，完全能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的資源及功耗要求。

沉積物捕獲器在海流或波浪的影響下發(fā)生傾斜，在一定程度上將會導(dǎo)致高估或低估實(shí)際沉降通量。因此，需要根據(jù)儀器的傾斜參數(shù)進(jìn)行校正[4]：

式中，F(xiàn)為校正后的沉降通量，F(xiàn)T為實(shí)際沉降通量，θ為傾斜角度，ΔT為采樣間隔。

傾角傳感器采用的是MPU6050模塊，該模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)，精度達(dá)0.01°。采用高精度陀螺加速度計(jì) MPU6050，通過處理器讀取MPU6050的測量輸出，通過串口輸出。因此，通過串口可以直接讀取到所需的X、Y方向的傾角值。溫度傳感器選用 DS18B20，具有體積小、硬件開銷小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器MSP430的雙向通信。

位置檢測由SMC磁性開關(guān)D-Y7PW完成，它是利用磁場信號來控制的一種開關(guān)元件。如圖3所示，當(dāng)樣品瓶旋轉(zhuǎn)到位（狀態(tài)A），磁性開關(guān)和樣品瓶的距離小于觸發(fā)距離，磁性開關(guān)發(fā)送電信號給MSP430。若沒有旋轉(zhuǎn)到位（狀態(tài) B），兩者距離大于觸發(fā)距離，MSP430無法檢測到磁性開關(guān)的電信號，一段時間后，MSP430控制電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到檢測到到位信息。

圖3 位置檢測示意圖

時鐘模塊選用的是PHILIPS公司的PCF8563多功能時鐘/日歷芯片，具有寬電壓和低功耗的特點(diǎn)。它采用I2C串行總線，最大傳輸速度為 400 kb/s，提供一個可編程時鐘輸出和一個中斷輸出。后者用來喚醒處于待機(jī)狀態(tài)的MSP430。

電機(jī)驅(qū)動采用減速步進(jìn)電機(jī)齒輪傳動方式，驅(qū)動器型號SD366。SD366三相混合式步進(jìn)驅(qū)動器采用伺服原理工作，輸入電壓18 V~60 V DC，最大驅(qū)動相電流 6.0 A，采用脈沖“+”方向以及雙脈沖信號對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，具有性能穩(wěn)定可靠、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。

捕獲器電由艙內(nèi)鋰錳電池組提供，單節(jié)電壓為3.0 V。在水下工作過程中供電機(jī)驅(qū)動由7節(jié)電池串聯(lián)后得到21 V電源提供。微處理器和各傳感器所需3.3 V電源可由電池組經(jīng)降壓后提供。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主控程序、電機(jī)驅(qū)動程序和傳感器數(shù)據(jù)采集3個部分。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

3.1 主控程序

（1）系統(tǒng)初始化

包括關(guān)閉看門狗定時器，以及系統(tǒng)時鐘、I/O口、ADC、中斷、時鐘芯片初始化和串口配置。

（2）設(shè)定工作模式

MSP430接收到串口中斷后，提取上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容，將當(dāng)前時間通過 I2C總線寫入 PCF8563內(nèi)存地址 02H~08H時鐘計(jì)數(shù)器中。將工作周期寫入內(nèi)存地址0FH的計(jì)數(shù)器和0EH的控制寄存器，8位計(jì)數(shù)器中存放的是定時器倒計(jì)數(shù)數(shù)值，控制寄存器用于設(shè)定定時器時鐘源（4 096 Hz、64 Hz、1 Hz或1/60 Hz）。

（3）低功耗模式

在完成工作模式設(shè)定后，處理器需要進(jìn)入低功耗模式，直到時鐘芯片或串口發(fā)送中斷喚醒。MSP430一共有LPM0~LPM4 5種低功耗模式。由于串口時鐘需要用到ACLK時鐘，所以選擇僅 ACLK時鐘處于工作狀態(tài)的LPM3模式。

3.2 電機(jī)驅(qū)動

SD366驅(qū)動器的脈沖時序圖如圖5所示。T1取值要大于5 μs，表示方向信號要先與脈沖信號建立，滯后于脈沖信號消失；T2表示有效電平寬度，要大于 2 μs；T3表示無效電平寬度，要大于 2 μs；T4表示電機(jī)轉(zhuǎn)動前，從釋放狀態(tài)進(jìn)入鎖軸狀態(tài)所需要的時間，大于20 μs。根據(jù)這個時序圖，MSP430通過I/O口先發(fā)送一個低電平使能信號，延遲T4時間后發(fā)送方向信號,再通過 PWM波的脈沖個數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，每1 200個脈沖轉(zhuǎn)動1.8°。

3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

溫度傳感器數(shù)據(jù)獲取包括 DS18B20初始化、復(fù)位和溫度轉(zhuǎn)換。而傾角傳感器數(shù)據(jù)可直接由串口2得到。MSP430將溫度、傾角和位置檢測的數(shù)據(jù)打包通過SPI總線存儲到Flash中。

圖5 脈沖時序圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行一個星期的測試，供電電壓為27 V，設(shè)置樣品瓶個數(shù)為 7個。經(jīng)過試驗(yàn)，每天中午 12點(diǎn)電機(jī)準(zhǔn)時轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為18°，采樣數(shù)據(jù)記錄完整。測得整個系統(tǒng)在睡眠模式下的電流為0.87 mA，電機(jī)轉(zhuǎn)動時電流為429.5 mA左右。若工作一年，睡眠模式時間近似為一年，功耗為7.62 Ah，電機(jī)轉(zhuǎn)動時間為 4 min，功耗為 0.03 Ah，總功耗為 7.65 Ah。電池組容量為 10.5 Ah，滿足了該系統(tǒng)低功耗的要求。

本文通過軟硬件低功耗設(shè)計(jì)和錯誤處理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了捕獲器控制系統(tǒng)低功耗及可靠性的要求[5]。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時還保留了一些傳感器接口，以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展升級。

[1]WAKEHAM S G.Sampling and experimental challenges for the next decade in marine organic chemistry——a prospec-tus[J].Marine Chemistry，1992，39(s1-3)：239-242.

[2]朱光文.海洋環(huán)境觀測取樣技術(shù)[J].氣象水文海洋儀器，1996(1)：1-4.

[3]張毅，孫思萍，齊爾麥，等.海床基自動監(jiān)測系統(tǒng)中央控制單元設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].海洋技術(shù)學(xué)報，2007，26(4)：1-3.

[4]BONNIN J，RAAPHORST W V，BRUMMER G J，et al. Intense mid-slope resuspension of particulate matter in the Faeroe–Shetland Channel：short-term deployment of nearbottom sediment traps[J].Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers，2002，49(8)：1485-1505.

[5]姜興杰，楊峰輝.軟件可靠性分析與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(7)：135-137.

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

表1 CPU處理和加速器處理性能對比

4 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了引導(dǎo)濾波的軟硬件協(xié)同加速器，并利用開發(fā)環(huán)境 SDSoC所提供的優(yōu)化指令對硬件進(jìn)行了性能優(yōu)化。與CUDA實(shí)現(xiàn)的引導(dǎo)濾波相比，性能雖有所不及，但加速效果明顯，并在低功耗及開發(fā)周期上優(yōu)勢大于CUDA。本文提出的軟硬件協(xié)同加速器可直接用于內(nèi)置CPU和FPGA的嵌入式系統(tǒng)中，縮短了嵌入式工程師開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)整體性能。

參考文獻(xiàn)

[1]HE K M，SUN J，TANG X O.Guided image filtering[C]. Proceddings of the 11th European Conference on Computer Vision.Heraklion，Crete，Greece：Lecture Notes in computer Science，2010：1-14.

[2]鄭賢輝.單幅圖像去雨雪的算法研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2014.

[3]楊燕，白海平，王帆.基于引導(dǎo)濾波的單幅圖像自適應(yīng)去霧算法[J].計(jì)算機(jī)工程，2016，42(1)：265-271.

[4]漆琳智，張超，吳向陽.引導(dǎo)濾波的單幅圖像前景精確提取[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2013，33(5).

[5]王新磊，何凱，王曉文.引導(dǎo)濾波算法的 CUDA加速實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2016，34(1).

[6]Xilinx.Zynq architecture[Z].2016.

[7]Xilinx.SDSoC development environment[Z].2016.

[8]Xilinx.SDSoC environment user guide[Z].2016.

[9]CHATI H D，MUHLBAUER F，BRAUN T，et al.Hardward/ software co-design of a key point detector on FPGA[C]. IEEE Computer Society，2007：355-356.

[10]Xilinx.Vivado design suite user guide：High-level synthesis[EB/OL].[2016-02].http:www.xilinx.com.

（收稿日期：2016-06-07）

作者簡介：

劉聲(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理，E-mail：870244722@qq.com。

韓俊剛(1943-)，男，教授，主要研究方向：軟件和硬件的形式化驗(yàn)證、圖形處理器和新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

韓帥（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：模式識別和人工智能。

The development of time series sediment trap control system

Yu Haibin1，2，Sheng Xufeng1，Yu Xiaofei1
(1.School of Electronic&Information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China；2.School of Communication Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)

According to the application of sediments in the research of deep sea,this paper designed a kind of time series sediment trap control system.This system used MSP430 microprocessor,combined with the clock chip,stepper motor and sensors,realized the equipment working under water for a year,and recorded the running status information simultaneously.The test result shows that the system runs steadily,and meets the design requirement.

sediment trap；MSP430；low power consumption；automation

TP273

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.011

于海濱，盛旭鋒，余小非.時間序列沉積物捕獲器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(11)：46-48，55.

英文引用格式：Yu Haibin，Sheng Xufeng，Yu Xiaofei.The development of time series sediment trap control system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：46-48，55.

2016-05-10)

于海濱（1979-），通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺、嵌入式信號處理以及電子系統(tǒng)集成，E-mail：shoreyhb@hdu.edu.cn。

盛旭鋒（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：海洋技術(shù)裝備系統(tǒng)集成等。

中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會資助項(xiàng)目(DY125-11-T-01)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)（2011AA090401）