水下设备辅助量数据采集系统设计与实现*

王 浩

(大连测控技术研究所 大连 116013)



水下设备辅助量数据采集系统设计与实现*

王 浩

(大连测控技术研究所 大连 116013)

水下设备辅助信息的监测是保证系统正常工作和进行有效数据分析的重要环节。论文系统充分考虑各类传感器的输出形式,基于网络总线和CAN总线实现了各类辅助测量模块的网络连接。完成了辅助测量系统的网络结构设计、CAN总线的接口电路设计以及各类传感器的接入方式设计,实现并验证了可以监测重要辅助信息的水下设备辅助测量系统。

水下设备; 传感器; 监测; CAN总线

Class Number TB565+4

1 引言

近年来,由于国家对海洋开发的日益重视,各种水下设备得到了迅猛的发展,水下设备对测量水下辅助信息的需求逐渐增大[1]。随着水下设备的规模化、复杂化,单点的辅助信息测量已经无法满足系统的需求[2]。针对大尺度、分布式的水下设备,设计一套多通道水下辅助测量信息采集系统十分必要。

水下设备主要关心的辅助测量参数包括水下的温度、深度、水下设备的姿态以及过流、过热、过压和漏水报警信息。基于以上考虑,本文针对各类水下传感器输出信号形式多样的特点,设计了可以采集各类水下辅助测量信息的水下设备辅助测量系统。

2 辅助测量系统的网络结构

辅助测量系统通过网络与系统其它部分实现连接,实现对包括温深、姿态、漏水等状态监测模块在内的辅助测量模块的数据采集[3]。系统的网络逻辑结构如图1所示。

图1 辅助测量系统网络逻辑结构图

系统主要需要采集的数据包括水下测量电子舱的漏水监测数据、水下装置温深数据、水下装置姿态数据、各功放工作状态监测数据等。

由于水下载体与水上系统之间距离较远,选择使用光纤来实现信息的远距离传输,以减少电缆上的消耗[4]。使用LAN光端机和光纤将水上系统与水下载体进行连接,在水下载体内使用带有光纤接口的网络交换机恢复出TCP/IP协议的网络电信号。

由于水下拥有多个分段,且每个分段存在有多个需要采集的数据,采用常规的通信技术将存在大量的线缆,会增加整个系统的复杂程度。辅助测量系统采用CAN总线通信技术。CAN是一种多主对等的现场总线通信网络[5],它以总线为纽带,将现场设备连接起来成为一个能够相互交换信息的控制网络,是一种双向串行多节点数字通信的系统。CAN通过使用通信数据编码实现各个节点之间仅使用两条屏蔽双绞线就可以实现数据的发送和接收[6]。CAN总线的引入不仅大大减少了占用的水下线缆数量,而且在简化系统的同时提高了系统的可靠性。

为了利用CAN总线对水下设备的AI单元进行采集,对CAN总线接口电路进行了设计。CAN总线接口主要由微处理器(MCU)、CAN总线控制器和CAN总线收发器三部分组成[7]。微处理器负责对CAN控制器进行初始化,并控制其完成数据的收发等通信任务。CAN总线控制器采用了Philips公司生产的SJA1000,作为独立的CAN通信控制器,它用于完成CAN总线通信协议中的物理层和数据链路层的功能,为微处理器提供了总线的物理线路接口[8]。SJA1000在逻辑上完成了数据传输所需的编码和解码,但还需要在其与物理总线之间增加CAN总线收发器来增加系统的差动收发能力。CAN总线收发器使用了PCA82C250,它是全世界使用最广泛的CAN收发器。它可以产生CAN总线正常工作所需的差分电压,作为CAN协议控制器和物理总线之间的接口,为总线提供差动发送能力,为CAN控制器提供差动接收能力[9]。为了进一步增强CAN总线节点的抗干扰能力,在CAN总线控制器与收发器之间引入高速光耦器件6N137,使CAN总线上的各个节点实现电气隔离[10]。CAN总线接口的电路原理图如图2所示。

图2 CAN总线接口电路原理图

针对使用模拟量进行输出的传感器,采用CAN总线采集模块与CAN-LAN转换模块相结合的形式实现这类传感器的网络接入。基于ADS8401的AI单元挂接于CAN总线接口电路,通过CAN总线,对水下所有使用模拟量进行输出的传感器进行数据采集,并经过LAN-CAN转换器,上传给状态监控计算机。同时将监控计算机的控制指令经LAN-CAN转换器转换为CAN总线的形式,发送至各个水下采集单元,水下采集单元根据上位机的指令进行开始采集,结束采集,上传数据等基本操作。

针对以RS232形式进行数据输出的传感器,选择使用LAN-232转换器来实现这类传感器的网络接入。通过LAN-232转换器,将监控计算机的控制采集指令转换为RS232的形式,传感单元挂接于此RS232接口上,根据RS232接口传来的指令执行相应的动作,并将采集到的数据上传至状态监控计算机中。

针对使用TTL电平信号进行输出的传感器,辅助测量系统采用RS485总线挂接DI单元的处理方式。将DI单元挂接于RS485接口,需要采集的输出电平信号接入指定DI单元的指定通道。通过RS485总线,上位监控计算机通过读取各DI单元的输入端子状态即可完成对这些信号的监测。

3 传感器的网络接入

3.1 温深采集模块

CYW-007型温深传感器采用扩散硅压敏元件和集成电路进行压力测量,采用铂电阻和集成电路实现温度的测量。壳体为全不锈钢水密结构,具有体积小、精度高、稳定性好等特点。适合作为水下设备的温深采集传感器。其深度测量范围可达100m,精度为0.5%;温度测量范围为0℃～50℃,精度为0.5℃。二者输出信号均为4mA～20mA的电流信号。实际使用时,经连接250Ω的取样电阻后,在取样电阻取样端可得到1V～5V的电压输出信号。

进行温深数据采集时,将取样后的电压信号接入AI单元,并将采集到的数据通过网络送往状态监控计算机。通过对这些状态的采集可及时了解水下载体的温深信息数据。温深采集单元的结构框图如图3所示。

图3 温深采集单元的结构框图

3.2 姿态采集模块

HMR3000型姿态传感器是Honeywell公司的数字罗经模块,它使用磁阻传感器和两轴倾斜传感器来提供航向信息[11]。具有价格相对低廉、方便购买等优点,但由于其只能采用RS232接口进行数据通信,无法使用模拟量进行输出,不便于接入CAN总线。只在距离岸基设备最近的首个水下电子舱安装该传感器。使用这种传感器进行姿态采集时,使用一个LAN-RS232转换器,其RS232端与HMR3000型姿态传感器连接,另一端与LAN局域网连接。通过这种连接方式,监控计算机可通过LAN网络实现对HMR3000型姿态传感器数据的采集。

其他水下载体内采用可以使用3DM-HD型姿态传感器进行姿态数据的采集。3DM-HD的输出为模拟量,针对这种形式,选择采用了LAN-CAN转换器实现3DM-HD的网络接入。将其传感信号接入水下密封电子舱内的AI单元上。通过LAN-CAN转换器,将监控计算机的控制采集指令转换为CAN总线的形式,模拟输入单元(AI)挂接于此CAN总线接口上,根据CAN总线接口传来的指令动作,将采集数据上传到状态监控计算机中。

3.3 漏水监测模块

漏水监测单元的传感部分的漏水感应线为两根并行的导线,包裹在吸水性绝缘材料中。正常状态下两根导线处于绝缘状态,二者之间的电阻很大。当发生漏水时,吸水性绝缘材料的电阻由于吸水而很快下降,导致两根导线之间的电阻下降。通过检测两根导线之间电阻的变化,可实现漏水检测。一旦检测到有水浸入,即会启动报警,并输出报警电平信号,以供上位机系统进行采集处理。

漏水检测模块的电路原理图如图4所示。

图4 漏水检测电路的电路原理图

漏水监测单元使用比较器LM2903来实现漏水的检测。LM2903是低偏置电压精密比较器,内含两个独立的比较器单元。芯片可在2V～36V宽电压供电范围内工作,其差分输入电压的范围可达到电源电压的大小,输出采用OC形式,可根据需要外接合适的输出端上拉电阻。为检测漏水感应线的电阻变化,使用了一个大电阻与漏水感应线构成分压电路,其分压后的电压接入比较器的(-)输入端。比较器的(+)输入端连接到分压网络。使用一个反馈电阻,构成一个小幅度的回滞电压。

在正常状态下,漏水感应线的电阻很大,使得其分压后的电压值很小,输出为高电平。当发生漏水时,漏水感应线的吸水绝缘包层由于吸入水分而使其电阻值迅速下降,其分压后的电压值变大,高于比较器(+)端的电压值,比较器输出低电平。该低电平被CAN总线的AI单元采集到后,辅助测量系统发出漏水报警信号。

3.4 过流、过热、过压报警模块

岸基设备具有过流、过热、过压三种状态的报警。报警信号的监测部分如图5所示。

图5 报警信号监测系统框图

这些设备输出的状态指示信号均为TTL电平信号,使用多个挂接于RS485接口的DI单元分别对这些信号进行采集,并将采集到的信息通过网络送往状态监控计算机。通过对这些状态的采集可及时了解设备当前的工作状态,确保其工作正常。

4 系统验证

图6 辅助测量信息显示界面

利用海上试验的机会,对水下设备辅助测量系统的性能进行了验证,整个试验过程中,辅助测量系统持续为状态监测计算机提供辅助测量数据,系统温深姿态数据稳定,各设备温度、深度基本保持一致,试验过程中无漏水、过流等报警现象,各水下设备工作稳定,系统辅助测量信息的显示界面如图6所示。

5 结语

文章根据不同传感器模块的输出形式,基于网络总线与CAN总线,设计了一套适用于水下设备的辅助测量系统,在水下资源有限的情况下实现了水下多个节点的温度、深度、姿态、漏水以及过流过热过压报警信息的实时采集与显示。并通过试验对其功能进行了验证。

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Design of the Auxiliary Measuring System in Underwater Equipment

WANG Hao

(Dalian Scientific Test & Control Technology Institute of CSIC, Dalian 116013)

Underwater equipment auxiliary monitoring is the important premise to ensure system work normally and effective data analysis. This system gives full consideration to the output form of all kinds of sensors and realizes the net access of different kinds of auxiliary measuring module by using network bus and CAN bus. This paper completes the structure design of the auxiliary measuring system, the circuit design of the CAN bus and the network access of all kinds of sensors, implements and validates the auxiliary measuring system in underwater equipment which can monitor the important auxiliary measurement information.

underwater equipment, sensor, monitoring, CAN bus

2015年6月10日,

2015年7月25日

王浩,男,工程师,研究方向:嵌入式系统,水声工程。

TB565+4

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.037