一种海洋监测数据采集器设计

一种海洋监测数据采集器设计 摘要：为了有效地解决海洋监测领域传感器搭载集成以及扩展问题，设计了一种海洋监测数据采集器。独立的CAN与电控模块将传感器电源管理与数据采集控制集成在一起，采用独立模块化管理，在可扩展性、稳定可靠性等方面具有一定的技术优势。同时，与目前海洋监测领域常用的传感器相比较，该数据采集器可灵活搭载常见标准接口的传感器，對传感器接口兼容性更好，并且传感器搭载不再受数量限制，可广泛应用于滨海观测站、浮标监测系统、海底观测平台、海底观测链等系统建设中。关键词：数据采集器；海洋监测；扩展集成；传感器接口中图分类号：TN710?34文献标识码：A文章编号：1004?373X202101?0061?usedinthemarinemonitoringfield，thedatacollectorcancarrythesensorwithcommonstandardinterface，hasgoodcompatibilitywithsensorinterface，isnolongerlimitedbythecarryquantityofsensors，andcanbewidelyusedinthesystemconstructionofcoastalobservationstation，buoymonitoringsystem，seafloorobservationplatformandseafloorobservationchain.Keywords：datacollector；marinemonitoring；expansionandintegration；sensorinterface0引言21世纪，对海洋资源的探测与开发利用已经成为产业革命的前沿领域，是国家平安、环境保护、资源开发和灾害预警不可缺少的根底技术和信息获取手段，为国家的开展提供了新的背景，越来越多的国家将其列为重要课题1?2。随着当前海洋研究的深入和研究范围的扩大，海洋探测技术也在不断的开展与改进，从传统的调查船舶到如今先进的卫星遥感、水下自主导航、海底原位观测等。基于以上背景，本文设计实现的海洋监测数据采集器，相比传统数据采集器，系统整体集成度更高、独立性更强、配置更加灵活方便。1整体设计海洋监测数据采集器集传感器供电与管理于一体，兼容数字量、模拟量、开关量、脉冲量、频率量等接口传感器，可以广泛地应用在各种海洋监测平台系统建设中，能够满足在线观测与自容监测的设计需要【3】。在扩展集成时，仅需增加或裁减相应的CAN与电控模块和进行简单的应用软件配置即可完成，方便灵活。采集器的整体框图如图1所示。海洋监测数据采集器主要由供电模块、控制模块、CAN与电控模块三局部组成。供电模块负责为控制模块与CAN模块提供电源；控制模块与CAN模块通过现场CAN总线通信，负责CAN模块管理和控制；CAN与电控模块兼容不同接口标准类型的传感器，负责传感器数据传输与电源管理。2供电模块设计根据实际的需求，当应用在线观测系统时，海洋监测数据采集器主要通过外接海底电缆进行中高压能源供给；当应用在自容监测系统时，主要通过外接电池组进行低压能源供给。其中涉及到中高压局部的电压转换，选择通用外部电压输入48V。供电模块主要负责为控制模块、CAN与电控模块提供能源。通常外部电压输入为48V，可采用48V/5VDC/DC转换器、48V/24VDC/DC转换器为控制模块供电；采用并联48V输出为CAN与电控模块供电。3CAN与电控模块CAN与电控模块是该设计的关键局部，主要负责传感器电源管理与数据传输【4】。CAN模块作为模块化传感器搭载平台，能够兼容不同接口类型的传感器，实际上是通过单片机软硬件共同完成接口协议转换，将不同接口转换成CAN接口，比方RS232转CAN，RS485转CAN，模拟信号转CAN，开关信号转CAN，脉冲信号转CAN等。单片机外围硬件电路负责接收处理搭载传感器的数字信号、模拟信号、开关信号等；单片机软件应用层解析组装CAN数据包转发至控制模块。在进行传感器扩展集成时，仅需根据接口类型完成硬件物理连线，并配套相应的数据采集软件即可。如图2所示，针对搭载仪器独立设计的CAN与电控模块，通过CAN总线与控制模块通信，通过信号线与动力线等兼容接口与挂载传感器通信。硬件电路主要包括CAN协议转换与电源控制两局部，由可以扩展的CAN总线协议转换器和适应于不同传感器供电电压的DC/DC转换器设计实现，如图3所示。软件程序负责将RS232，RS485等接口数据转化成CAN数据转发。相比于主控模块，CAN与电控模块主要承担CAN协议转换与电源管理，资源消耗少，任务简单，采用8位单片机即可。这里选用高性能、低功耗的AVR8位微處理器AT90CAN128，内置128KB的可重编程FLASH，4KB的E2PROM，4KB的内部SRAM，完全能够满足设计需要5?8。4控制模块控制模块通过现场CAN总线和CAN与电控模块通信，负责传感器数据采集控制与电源管理控制。承担传感器数据解析处理是整个数据采集器的控制核心局部，也是系统稳定运行的关键。为了保证稳定可靠性，主要由双冗余的主控制模块与从控制模块组成。在硬件设计上，采用核心板加底板方案：核心板选用QY?9263K，搭载处理器ATMELAT91SAM9263，其主频高达200MHz，系统资源SDRAM64MB，NandFLASH512MB8，完全满足设计需要；而底板那么根据应用进行适当裁剪设计，保存必要接口电路，比方RS232接口、以太网接口、SD卡接口、CAN控制器接口等，从而减小电路板面积。5结语该设计主要应用于海洋监测领域，可以根据不同监测任务的需要，灵活搭载多数量多类型传感器，防止重复开展类似研发工作。采用模块化处理方式，设计独立的CAN与电控模块，并将各模块集供电管理与数据采集于一体，不需要额外处理传感器电源管理，使得系统稳定性、可靠性均得到提高。参考文献【1】张颖颖，张颖，马然，等.一种海洋监测通用数据采集与处理系统的设计J.海洋技术，20214：9?11.【2】张洪磊.基于CAN总线网络的海洋环境监测平台的研究D.青岛：中国海洋大学，2021：12?39.【3】卜志国.海洋生态环境监测系统数据集成与应用研究J.青岛：中国海洋大学，2021.【4】武东生，张齐.海洋站数据采集器的设计要点J.海洋技术，2021，201：59?61.【5】李肇庆.串行端口技术M.北京：国防工业出版社，2021：45?的CAN总线驱动程序设计J.微计算机信息，202110：29?31.【7】王幸之.单片机应用系统抗干扰技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2000.8郝寿朋.基于AT91SAM9263的CEMS数据采集与分析系统的研究与开发D.青岛：中国海洋大学，2021：7?20.9时旭，付成伟.基于FPGA的CAN总线通信系统的设计J.现代电子技术，2021，3822：59?61.10张严.基于MEMS海洋湍流传感器实验研究J.现代电子技术，2021，391：137?139.