便携式读数装置的研发

庞丽丽 董翰川 史 云 冯建华

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

地下水是人类生存和发展的重要资源，但是对地下水的不合理开发导致了许多不良后果。为了保护地下水资源，进行地下水动态监测成为目前的主要任务。地下水动态远程监测系统是专门用于地下水监测管理的设备，对地下水的水位和水温的动态变化进行长期自动监测，实现地下水动态数据的自动采集、存储、传输和远程管理。测量数据自动保存在仪器内部的存储单元内，可定期通过GSM公共服务网，将监测数据传入终端管理平台并完成监测数据和监测设备的动态管理，极大地方便了监测部门进行远程监控。

地下水远程监测系统包括监测数据无线通信主机(以下简称通信主机)、水位计(或传感器)和配套软件。便携式读数装置是地下水动态远程监测系统的配套系统，完成野外数据的现场读取和对系统参数的配置。整个装置采用模块化设计，主要有串口转换模块、低电压指示模块和电源转换模块。数据采集系统可以采集模拟量和数字量数据，并根据通信协议将数据混合编帧，然后依次输入存储器保存。当需要读取数据时，与PC机连接在其控制下从存储器读取，然后通过USB通信总线传到PC机，此种工作模式适合于对实时性要求不高的场合[1～5]。对于实时性要求高的场合，需要上位机及时处理数据，因此开发一种现场读数装置直接与PC机相连，对于数据的实时采集与存储有非常重要的意义。

读数装置的硬件主要由3部分构成，如图1所示。串口转换模块用于实现计算机设备的串口扩充，完成工业现场数据的采集，笔者采用芯片MAX3232和SN65hvd08完成其转换功能；低电压指示模块用来监测供电电压，当供电电压小于额定值时指示灯亮；电源转换模块将3.6V干电池电压升到需要的工作电压，其输出电压可调。

图1 读数装置硬件结构框图

2 硬件电路

便携式读数装置硬件电路部分由串口转换电路、欠压指示电路和电源转换电路组成。

串口转换电路采用MAX3232和SN65hvd08芯片完成转换功能，MAX3232收发器用双电荷泵在3.0～5.5V电源供电时实现RS-232性能，器件仅需4个0.1μF外部小尺寸电荷泵电容，封装采用节省空间的TSSOP。SN65hvd08的工作电压在3～5V，休眠耗电小于90mV，与标准ANSI TIA/EIA-485兼容，用于与主机连接的远程数据和多条数据总线独立传输以及工业过程控制网。

电源转换电路采用LM2731芯片，其工作电压2.7～14.0V，输出电压5～17V，最高达20V；输出电流1.8A，功耗很低，静态电流1～2mA。内置斜率补偿电路，有节能控制功能，在待机状态整个变换器的耗电电流1μA，因而可以延长电池的使用寿命。低功耗对于整个装置的研发具有重要意义，同时支持先进的电流模式控制，在宽电压输入范围内具有良好的负载调整率，可消除音频和电子噪声。带有过热、过流和欠压保护功能，热关闭门限150℃，工作温度-40～125℃。野外工作环境恶劣，对于仪器芯片的选择具有较多的要求，该种电源芯片适用于野外环境。

欠压指示电路部分采用MAX1674芯片，当电压小于额定值时，指示灯闪烁。升压式DC-DC电源转换器常态下的工作效率为94%，输入电压范围较宽(0.7～5.5V)，输出电压可设定为5.0V，允许的输出电流达到500mA。

装置硬件设计的难点在于RS-232与RS-485通信接口转换电路和欠压监控指示电路。欠压监控指示电路如图2所示，在本次设计中，通过选择配比电阻，当MAX1674的LBI输入端低于2.5V时LBO端输出低电平，发光二极管点亮。可以通过更改R3与R5的电阻比值调节低电压，2.5V电压值作为临界值，根据输入电压值Vin反算出R3和R5电阻值，本电路电阻值采用250kΩ。

图2 欠压监控指示电路

野外现场采集设备为RS-485，因此需要RS-232和RS-485转换电路实现读取功能，通信接口转换电路如图3所示，SN65hvd08的A和B连接采集器，MAX3232通过DB9与计算机连接完成读数[6,7]。

图3 串口转换电路

此模块的设计对于野外现场数据的采集有重要作用，通过低压监测保证数据读取完整，防止数据因供电不足而丢失。串口转换部分的DB9接口可以与计算机直接进行通信，将设备存储的数据直接读取至计算机。图3中的通信线缆和电路板采用防水装置进行保护，防止水汽和沙尘损失仪表。

实验室通过调试助手进行读数装置的调试，输入字符串01 11 C0 2C返回测试的结果如图4所示，其中输入命令01代表COM1口，11代表所用传感器的固有信息，C0 2C代表CRC16位校验。从图4的返回命令可以看到数据传输稳定而有效。

图4 In-Situ水位传感器调试结果

3 结束语

便携式读数装置成功应用于黑河流域重点地区水文地质调查项目，现场实时读取数据，直接与计算机相连；同时在南水北调工程沿线地下水远程动态自动监测中也发挥了很好的作用，研制的便携式读数装置，对于野外工作数据实时读取提供了一种新的方法；欠压指示为野外数据读取提供了保障，很好地解决了因供电不足导致的数据丢失，保证监测数据的完整性。读数装置的外观进行了防水防尘设计，能更好地适用于野外环境恶劣地区。

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