感应传输温盐深链水上低功耗控制系统设计*

梁津津，姜 飞，张孝薇，吴 晟，邓 云

(国家海洋技术中心，天津300112)

0 引 言

海水的温度、盐度和深度是最基本的海洋水文参数，是研究物理海洋学的基础［1］。国内外用于海水温度、盐度剖面测量的主要仪器是温盐深(conductivity temperature depth，CTD)海洋观测仪［2］，而CTD 链在一条链上挂载多台CTD 仪，可同时监测海洋中不同深度处温度、盐度变化。感应耦合数据传输CTD 链是一 种采用感应耦合数据传输技术［3］，利用浮标系统［4］中参与锚定系留的塑包钢缆完成数据实时传输的新型CTD 链，该种CTD 链具有拆装方便、配置灵活、成本低、可靠性高、易维护等特点［5］，在海洋观测领域中应用越来越广泛。

本文针对实际工作需要，设计了CTD 链的低功耗水上机控制系统。可以在由电池供电的情况下，灵活控制CTD链上多台水下机的数据采集工作、接收并存储水下机的数据、同时可以随时与浮标上位机通信，并具有良好的低功耗性能。

1 感应耦合数据传输CTD 链概述

感应耦合数据传输CTD 链由一台水上机、水上磁环、多台水下机、塑包钢缆四个部分组成［6］，如图1 所示。

图1 感应耦合数据传输CTD 链组成示意图Fig 1 Diagram of CTD chain using inductive coupling data transmission

水上机包括采集控制系统和调制解调模块，通过感应耦合的方式完成与水下机的通信，通过RS—232 接口实现与浮标上位机的通信，并具备数据存储功能。本文主要叙述该采集控制系统的设计。

水下机就是用于感应传输的CTD 传感器，包括CTD 传感器敏感元件、水下磁环、采集控制系统、信号转换调理模块、调制解调模块等，在采集控制系统中有实时时钟，可以定时采集水下机所在位置的温度、深度、电导率信息。

水上磁环、塑包钢缆和位于水下机尾部的水下磁环共同构成了感应耦合数据传输链路，完成水上机和水下机的感应传输通信。

系统对每一台水下机设定独立的ID 编号，并且水下机处于全被动的工作方式，水上控制系统协调每一台水下机的通信过程，每隔相同的周期，依次向水下机询问数据，水下机根据自身的ID 号码，回复相应数据。

2 感应耦合数据传输CTD 链低功耗水上控制系统

水上控制系统作为整个仪器的中枢，控制着仪器各个部分协调工作，起到任务分配、数据交换、通信控制、数据存储等功能。下面将从硬件设计、软件设计两个方面详细叙述该控制系统的设计过程。

2.1 水上低功耗控制系统的硬件设计

水上控制系统需要控制实现整个仪器的正常工作，为了适应水上控制系统长时间在海上工作的需要，还需着重考虑低功耗的设计。该系统选用TI 公司的集成度高、体积小、且具有超低功耗性能的MSP430F149 作主控芯片［7］，围绕该芯片搭载设计出相关外围硬件电路，结构框图如图2 所示。

图2 水上控制系统硬件构成框图Fig 2 Hardware composition block diagram of seawater control system

为了实现系统的低功耗性能，对各功能模块的电源设计了灵活的控制电路，使用低功耗的芯片，同时设计高效的任务调度方法，采集过程、数据传输过程都采用硬件中断的方式，使得系统在绝大部分的时间内处于休眠状态，只有极短的时间醒来并处理工作。这样就保证系统长期处于低功耗状态，有效地降低电量消耗。

2.2 水上低功耗控制系统的软件设计

在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，大大提高了开发调试的工作效率，也便于今后系统软件的维护和升级。

利用MSP430 的低功耗特性，可以使系统长期处于休眠状态(此时系统消耗电流约为8 μA)，只在需要的时候由外部中断事件(如，接收到上位机命令、实时时钟到闹钟时间等)将其唤醒，执行数据传输、存储等工作，有效地降低系统的整体功耗，提高系统的运行时间。

程序流程图如图3 所示。上电后，系统首先完成初始化，根据上次断电前的工作状态仍进入相同的工作模式。水上机共有两种工作模式，分别为调试模式和采集模式，当其处于调试模式时，可以设置系统参数(如，设置系统当前时间、采集周期、重发次数等)和回放TF 卡数据。当其处于采集模式时，会在设定的闹钟时间被唤醒，依次向水下机询问数据，接收并存储水下机的采集数据，完成所有水下机的数据采集工作后系统又自动进入休眠状态，等待下一个工作周期。

为了保证感应传输的可靠性，引入了重发机制，即在设定的时间内，若是水上机没有收到正确的水下机数据，则会向该台水下机重发若干次要数指令。需要注意的是，调制解调模块采用的是半双工通信模式，要由单片机控制其发送状态和接收状态的切换。

图3 水上控制系统程序流程图Fig 3 Program flow chart of water control system

3 功耗分析与性能测试

3.1 水上低功耗控制系统的功耗分析

由于对系统中各功能模块的电源设计了灵活的控制电路和相应的管理程序，并且各功能模块在工作时的耗电量也各有差异，使得系统处于不同状态时消耗的电流并不相同。为了测试系统的低功耗特性，需要对其不同工作状态下的电流分别进行测试与分析，系统在一个工作周期内处于不同状态的时间分布如图4 所示。

图4 一个工作周期时间分布Fig 4 Time distribution chart in one working period

其中，tcycle为一个周期的工作时间，tstby为在该周期内系统休眠的时间，系统绝大部分时间处于休眠的状态，twork为在该周期内系统工作的时间，其中包括调制解调模块处于发送模式的时间tt，调制解调模块处于接收模式的时间tr。

工作周期的时间、挂载水下机数量的多少、重发次数的多少、超时时间的长短、感应传输通信的质量等都会对系统的耗电量产生影响。在此设工作周期为1 h，CTD 链上挂10 台水下机，重发次数为3 次，超时时间为1 s，在该状态下由数字万用表测试不同时间段的电流，共测量5 次，计算平均值如表1 所示。

表1 系统在一个工作周期处于不同状态的时间和电流Tab 1 Time and current of system under different state in one period

由表1 计算出系统一个工作周期耗电量约为

可以看到应用低功耗设计后，在休眠时间(占系统工作周期中的绝大部分)的电流保持在了很小的μA 级，有效地降低了系统的整体功耗。根据实际应用中可能挂载更多的水下传感器和可能出现的更多的重发次数等，在此选择了具有更大容量19 Ah 的电池，保证该系统在以1 h 为周期的情况下工作1 年的需求。

3.2 水上低功耗控制系统的性能测试

用该系统与2 台水下机和水上磁环搭建出完整的调试仪器，在实验室环境下进行了1 个月的拷机测试，可以实时地从上位机中读取当前采集的CTD 数据，并在TF 卡中得到了该段时间的全部测试数据，表现出较好的稳定性，实现了既定功能。从TF 卡中截取了某一天下午的测试数据，如表2 所示，可以看到水上控制系统完整地获得了两台水下传感器当天下午的CTD 数据，并存储到了TF 卡中。

4 结 论

本文对感应耦合数据传输温盐深链作了整体介绍，并设计了以MSP430 为核心的低功耗水上控制系统，特别针对水上系统的长时间海上工作的实际应用情况，通过灵活的电源控制电路和高效的管理程序进行了低功耗设计。在实验室环境下测试分析结果表明:该系统运行平稳，并在降低功耗方面有较好的性能，大大提升了感应耦合数据传输温盐深链的使用时间。经过简单移植，它也可以应用于很多其它自容式仪器，实现数据实时传输的功能。

表2 一部分拷机数据Tab 2 Part of test data

［1］ 刘雪堂.海水盐度测量技术［M］.北京:海洋出版社，1991:1－12.

［2］ 兰 卉，林玉池，贾文娟，等.感应式低电导率传感器设计［J］.传感器与微系统，2012，31(10):78－80.

［3］ 邓 云，王 欣.新型感应耦合传输式温盐深链［J］.气象水文海洋仪器，2008，9(3):1－4.

［4］ 李红志，邓 云.海洋专用CTD 单芯电缆传输技术研究［J］.海洋技术，2005，24(3):30－35.

［5］ 邵 毅，李建国，李家顺，等.轻型感应耦合数据传输温盐链系统［J］.海洋技术，2009，9(3):36－39.

［6］ 邓 云.感应耦合数据传输技术及其在海洋领域的应用研究［D］.天津:天津大学，2009.

［7］ 沈建华，杨艳琴.MSP430 系列16 位超低功耗单片机原理及应用［M］.北京:清华大学出版社，2004:1－32.