劉慶鵬，付明陽，于雨，惠力，魯成杰

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266100)

海流計(jì)是測量海水流速流向的儀器，依測量原理不同，目前有機(jī)械海流計(jì)、電磁海流計(jì)和聲學(xué)多普勒海流計(jì)三種類型[1]。機(jī)械海流計(jì)雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡單，但是價(jià)格實(shí)惠，性能可靠且使用更為方便，現(xiàn)在仍被廣泛應(yīng)用在海洋觀測剖面浮標(biāo)(Argo浮標(biāo))[2]、錨定資料浮標(biāo)、潛標(biāo)、自動觀測站臺和調(diào)查船[3]等很多場合，使用量占海流計(jì)總量的一半以上。目前，國外的機(jī)械海流計(jì)已進(jìn)入了中國市場，如挪威的安德拉RCM系列海流計(jì)[4]等，雖然性能優(yōu)異，但價(jià)格昂貴。中國海洋大學(xué)研制的SLC9-2型機(jī)械海流計(jì)代表了當(dāng)前國內(nèi)機(jī)械海流計(jì)的發(fā)展水平，至今仍在我國廣泛使用，但是存在測流精度不高，無法測量低流速的問題。由于機(jī)械海流計(jì)不能測量三維流速，且測量數(shù)據(jù)單一，實(shí)用性大為下降，有必要開發(fā)可拓展的能夠測量不同海流層流速流向的機(jī)械海流計(jì)測控模塊，以提高其性能。本文利用高性能、高可靠性的控制局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)總線技術(shù)，以STM32F103RCT6芯片為核心設(shè)計(jì)了機(jī)械海流計(jì)測控模塊，使用幾個該模塊連接在不同的海流層，可以采集不同海流層的信號，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出控制與遠(yuǎn)程傳輸。

1 海流計(jì)總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械海流計(jì)總體設(shè)計(jì)

海流計(jì)的總體結(jié)構(gòu)由水上接收機(jī)和水下探測模塊節(jié)點(diǎn)組成，接收機(jī)通過CAN總線和水下探測節(jié)點(diǎn)模塊相連，需要時可以把接收到的數(shù)據(jù)通過接口電路傳給上位機(jī)進(jìn)行處理。機(jī)械海流計(jì)總體框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械海流計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 General design block diagram of mechanical current meter

1.2 水下探測模塊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

水下探測控制模塊以STM32F103RCT6芯片為控制核心，主要由最小系統(tǒng)電路、CAN總線接口電路、流速測量電路、流向測量電路等組成。該測控模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 水下探測模塊節(jié)點(diǎn)框圖Fig.2 Node block diagram of underwater detection module

測控模塊主要功能如下：

(1)具備流速測量功能和流向測量功能；

(2)具備CAN總線通信功能；

(3)具備遠(yuǎn)程設(shè)置模塊的CANID、波特率等參數(shù)的功能。

系統(tǒng)工作流程如下：上位機(jī)發(fā)出控制指令，測控模塊接收指令后產(chǎn)生中斷接收CAN總線數(shù)據(jù)幀，并按照數(shù)據(jù)幀的類型執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)模塊接收到參數(shù)設(shè)置幀時，模塊設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)并把參數(shù)值存入SD卡中；當(dāng)接收到傳輸數(shù)據(jù)幀的指令時，該測控模塊進(jìn)行流速與流向數(shù)據(jù)的采集工作，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN總線網(wǎng)絡(luò)上，最后傳給上位機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)電路

主控制器的核心控制芯片使用意法半導(dǎo)體(ST)公司的F103系列的低功耗高性能芯片STM32F103RCT6。該芯片是ST公司推出的32位ARM架構(gòu)微處理器，采用Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，還包含兩個集成電路總線(inter-integrated circuit，I2C)、三個串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)、一個安全數(shù)字輸入輸出卡(secure digital input and output，SDIO)和一個CAN，考慮系統(tǒng)成本和系統(tǒng)綜合性能，此芯片符合該測控模塊的具體要求[2]。

最小系統(tǒng)電路包括BootLoader啟動電路、供電電路、復(fù)位電路、時鐘晶振電路和SW調(diào)試電路。由外接的8 MHz的晶振構(gòu)成時鐘電路，為系統(tǒng)提供時鐘信號；供電電路采用低壓降穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3，將外部提供的5 V電壓轉(zhuǎn)為供給STM32核心芯片的3.3 V電壓；采用RC電路對芯片上電復(fù)位。最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)電路圖Fig.3 Circuit diagram of minimum system

2.2 CAN總線接口電路

STM32F103RCT6內(nèi)嵌了CAN控制器，支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B。CAN收發(fā)器采用廣州金升陽公司的TD301MCAN模塊，采用3.3 V電源供電。CAN總線收發(fā)模塊不僅包含CAN收發(fā)器的收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，還具有電源隔離、信號隔離和總線保護(hù)功能。該模塊主要負(fù)責(zé)把CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)化CAN總線傳輸?shù)牟罘蛛妷?。為防止電源電壓不穩(wěn)造成瞬態(tài)電壓干擾，在電源和地之間接了一個瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)，同時為了防止靜電ESD干擾CAN總線數(shù)據(jù)傳輸，在CANH與CANL之間跨接了兩個瞬態(tài)電壓抑制二極管。為了實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的目的，在CAN 收發(fā)器接口的電源端加上了一個PMOS管，當(dāng)需要向接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，SWITCH口提供高電平，Q1導(dǎo)通，給收發(fā)器供電，以這種方式實(shí)現(xiàn)加電控制。CAN總線接口電路具體如圖4所示。

圖4 CAN總線接口電路Fig.4 CAN bus interface circuit

2.3 流速標(biāo)定及測量方案

流速測量方案中海流計(jì)機(jī)械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由低功耗、高穩(wěn)定度的霍爾器件A1104E進(jìn)行檢測，檢測轉(zhuǎn)速是在海流計(jì)機(jī)械轉(zhuǎn)子上貼上等距的4塊磁鋼[5]。根據(jù)霍爾效應(yīng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的磁鋼轉(zhuǎn)至霍爾元件的瞬間，會在霍爾元件的兩端產(chǎn)生一個電勢差，從而在其輸出端產(chǎn)生一個脈沖信號，再通過STM32的定時器及計(jì)數(shù)器記錄[6]設(shè)定時間t內(nèi)的脈沖個數(shù)N，由此可得單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)n。

(1)

海流計(jì)標(biāo)定時，在測量范圍0.02～6.50 m/s內(nèi)，每隔0.50 m/s測定一次流速與n的關(guān)系，這樣可得到標(biāo)定系數(shù)表，詳見表1。

表1 標(biāo)定系數(shù)表

由此可計(jì)算得到海流流速v與脈沖個數(shù)n之間的多項(xiàng)式擬合系數(shù)ai。

v=a0+a1n+a2n2+a3n3+…+aini。

(2)

實(shí)際使用中，系數(shù)取到三次方項(xiàng)，即使用下述公式(3)由STM32測得的n值計(jì)算流速v。

v=a0+a1n+a2n2+a3n3。

(3)

流速測量的流程圖如圖5所示。

圖5 流速測量流程圖Fig.5 Flowchart of current velocity measurement

2.3 流向測量電路

流向測量電路采用三軸磁阻傳感器HMC5883L測量三維磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)，其感應(yīng)到的X軸方向的磁場強(qiáng)度Hx與Y軸的磁場強(qiáng)度Hy的矢量和為地磁場水平分量HN。地磁場水平分量HN與X軸的夾角即為方位角[7]。采用三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀組件MPU6050測量三維加速度A和三維陀螺儀數(shù)據(jù)G，采用四元數(shù)法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后對三軸磁阻傳感器數(shù)據(jù)作傾角矯正，最后將方位角數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN總線網(wǎng)絡(luò)上同時記錄到SD卡中。姿態(tài)解算電路如圖6所示。

圖6 姿態(tài)解算電路圖Fig.6 Schematic of attitude solution

2.4 數(shù)據(jù)存儲電路

測控模塊采用Kingston公司生產(chǎn)的4G SD卡 作為存儲設(shè)備，SD卡通過SDIO接口與芯片連接。其接口電路見圖7。

圖7 SD卡接口電路Fig.7 SD card interface circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械海流計(jì)測控模塊的軟件分為水上接收機(jī)軟件、水下探測器數(shù)據(jù)采集模塊和CAN總線通信模塊[8]。水上接收機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲、顯示和人機(jī)交互，并在需要時通過接口電路將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)處理。水下探測器數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)流速和流向的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸?shù)紺AN總線網(wǎng)絡(luò)上。CAN控制器初始化函數(shù)、CAN幀發(fā)送函數(shù)和CAN幀接收函數(shù)一起構(gòu)成CAN總線通信模塊。

3.1 接收機(jī)程序設(shè)計(jì)

水上接收機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲、顯示和人機(jī)交互，并在需要時通過接口電路將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)處理。具體的軟件流程如圖8所示。

圖8 接收機(jī)軟件流程圖Fig.8 Software flowchart of receiver

3.2 數(shù)采模塊程序設(shè)計(jì)

流速流量采集模塊最主要的任務(wù)是采集機(jī)械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流速，采集測控模塊的三維姿態(tài)數(shù)據(jù)并通過四元數(shù)法矯正姿態(tài)得到流向。接收到上位機(jī)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)指令后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集流程：STM32核心芯片定時60 s，計(jì)數(shù)器開始累計(jì)脈沖數(shù)，60 s后可知脈沖采集數(shù)量并采集一次方位角信息；采集后的信息進(jìn)入單片機(jī)處理得出最終的流速和流向數(shù)據(jù)，加時間戳后發(fā)送到CAN總線網(wǎng)絡(luò)并存儲到SD卡中。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.9 Flowchart of data acquisition

3.3 CAN總線通信模塊

協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)使用的是具有11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀，其中高4位代表幀類型，低7位對模塊ID進(jìn)行標(biāo)識。CAN總線協(xié)議幀類型(FT)規(guī)定了4種類型的協(xié)議幀，占4位，00代表參數(shù)有參數(shù)設(shè)置幀，01代表讀取數(shù)據(jù)幀，10代表數(shù)據(jù)幀，11代表故障幀。幀類型后面是數(shù)據(jù)長度碼(DLC),占4位，表示數(shù)據(jù)長度字節(jié)數(shù)。具體協(xié)議格式如圖10所示。

圖10 CAN總線通信協(xié)議說明Fig.10 CAN bus communication protocol description

CAN總線初始化的目的主要是設(shè)置CAN總線工作時的參數(shù)，初始化的內(nèi)容包括CAN控制器硬件使能、CAN控制器復(fù)位、設(shè)置總線波特率、初始化中斷、選擇工作模式等。具體流程如圖11所示。

圖11 CAN總線初始化流程圖Fig.11 CAN bus initialization flowchart

CAN幀發(fā)送函數(shù)通過將已經(jīng)打包完畢的CAN幀發(fā)送到CAN總線上來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送[9]。CAN幀打包完畢后進(jìn)入發(fā)送函數(shù)流程：第一步，判斷是否有空閑的發(fā)送緩沖區(qū)，若沒有則返回失??；若有則進(jìn)一步選擇空閑的緩沖區(qū)，然后啟動發(fā)送命令，進(jìn)而返回成功，啟動發(fā)送將CAN幀發(fā)送到CAN總線網(wǎng)絡(luò)。CAN發(fā)送函數(shù)的程序流程如圖12所示。

圖12 CAN發(fā)送函數(shù)程序流程圖Fig.11 Flowchart of CAN sending function program

CAN幀接收函數(shù)以中斷方式調(diào)用以提高系統(tǒng)效率[10]。從CAN總線網(wǎng)絡(luò)收到CAN幀數(shù)據(jù)，觸發(fā)接收中斷，進(jìn)入讀取CAN接收緩沖區(qū)流程：首先判斷接收緩沖區(qū)中是否有需要接收的CAN幀數(shù)據(jù)，若沒有數(shù)據(jù)則標(biāo)志緩沖區(qū)沒有數(shù)據(jù)幀并返回；若判斷接收緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)則讀出該數(shù)據(jù)幀，并標(biāo)志數(shù)據(jù)有效，最后返回。見圖13。

圖13 CAN接收數(shù)據(jù)函數(shù)流程圖Fig.13 Flowchart of CAN receiving data function

4 主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過多次海上試驗(yàn)，得到本文設(shè)計(jì)測控模塊的性能參數(shù)，如表2所示。

表2 測控模塊主要性能參數(shù)

中國海洋大學(xué)研制的SLC9-2型機(jī)械海流計(jì)是目前國內(nèi)機(jī)械海流計(jì)領(lǐng)域的性能代表，本測控模塊與SLC9-2的對比表詳見表3。由表3 可以看出，設(shè)計(jì)的測控模塊具有流向測量精度高、流速測量范圍大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，并且采用電纜供電相比更換電池能測量更長的時間。經(jīng)測算，設(shè)計(jì)模塊的平均功率為290 mW，低于SLC9-2型機(jī)械海流計(jì)的300 mW。

表3 測控模塊與SLC9-2性能對比

5 結(jié)語

本文在分析當(dāng)前機(jī)械海流計(jì)的基礎(chǔ)上對其測控模塊進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和提升，選用低功耗的控制芯片和外圍器件，并對CAN收發(fā)器件進(jìn)行加電控制，降低了系統(tǒng)功耗。

通過與SLC9-2型海流計(jì)電路性能對比可知，本文設(shè)計(jì)的測控模塊具有流向測量精度高、流速測量范圍大、質(zhì)量小、功耗低、啟動流速低等優(yōu)點(diǎn)。并且該模塊實(shí)現(xiàn)方法簡單，節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展非常方便，通過CAN總線連接能夠完成對不同海流層流速和流向的測量，提高了測量的靈活性，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。由于沒有對海流計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，因此該設(shè)計(jì)還存在在淺水域工作不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。在之后的工作中，將對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的測量效果。