基于ADS1258的多通道温深监测装置应用研究∗

晁大海 范业明

（海军驻大连地区军事代表室 大连 116013）

1 引言

随着人类对深海环境不断探索，水下探测设备携带高性能的探测装置用于发现更多未知信息起到了非常重要的作用［1］。而探测装置采集信号的精确性决定于采集芯片自身的采集精度和采集芯片外围电路设计［2］。本系统则针对探测装置水下采集温深信号实时性要求不高，而对采集精度要求较高实际情况，选取STM32F103处理器和ADS1258模数转换芯片联合工作进行温深数据采集，通过平均处理方法将均值处理之后的数据上传到海面趸船计算机中，经过电压信号转换为物理量信息处理从而实现水下设备位置信息的精确获取［3］。

2 技术方案

如图1所示，本次深海探测系统以采集温深数据为例，主要分为四个部分，具体内容如下：

1）数据采集单元：主要完成温深模拟量数据采集，并转换成对应的数字信号。

2）STM32处理器。该装置主要通过STM32F103处理器，控制数据采集单元并接收该单元传输的温深数据，经过数据处理后通过485控制器传输到海面趸船的计算机中［4］。

3）数据收发单元。利用485控制芯片，实现水下温深探测装置与趸船监测中心的数据通信［5］。

4）趸船监测中心。利用水面趸船监测中心对水下探测装置发送来的数据进行接收、解析、显示处理［6］。

系统工作中，温深传感器是集成到水下探测装置上的，数据采集单元输出端与STM32处理器连接，采集的数据在经过STM32处理器处理后，通过485控制器传输至水面趸船的计算机中进行处理和显示［7］。图1为系统工作示意图。

图1 系统工作示意图

系统工作过程中，由于温深传感器为4mA～20mA电流信号输出形式，所以信号采集需要通过串行接入100Ω电阻，转换为电压形式输出［8］。通过数据采集单元和STM32处理器，读取100Ω电阻两端的电压值并转换为对应的温度、深度物理量［9］。另外，考虑到实际应用需求，水下探测装置与水面趸船监测中心进行数据通信主要采用了485通信机制，使其能够进行长距离的数据传输，保证数据传输的精确性和稳定性［10～12］。

3 硬件设计

本次系统硬件设计如图2所示，主要介绍了STM32F103处理器、AD1258芯片电路之间的组成部分。AD1258芯片设计采用两个通道（AIN10，AIN11）分别采集温深传感器输出在100Ω上的电压值。AIN10采集的是温度值，AIN11采集的是深度值，如图2所示。

图2 硬件设计方案

由于ADS1258通信方式属于串行数据输出工作模式，即所谓的SPI通信模式，基于此，我们根据STM32F103芯片通信接口设置和实际电路板布局需求，选用STM32F103的SPI2口作为与ADS1258进行通信接口，完成命令下达和多通道温深数据的采集传输功能。

4 软件设计

本次系统软件设计的整体流程图如图3所示。首先，系统上电初始化，实现STM32F103芯片引脚、通信引脚定义初始化，设置ADS1258芯片工作模式、采样率等参数，如表1所示。之后，进行喂狗操作，实时保证系统程序设计的可靠性。接着，等待ADS1258芯片发出数据准备好中断。如果没有中断，返回上一步急需喂狗，如果发生中断，则立即读取通道AIN10，AIN11数据，将采集后的数据分别进行个数和数据值累加。

本次系统对AD1258具体参数设置如下所示：

参数DRATE=00，即ADS1258芯片采样率1831Hz；参 数 DLY=111，延 迟 后 采 样 率 变 为1075Hz；参数CHOP=1，即采样率减半设置；MUXSG1=0x0C，即AIN10，AIN11 2通道采集数据，所以每通道1秒采集点数=1075/2/2Hz，约等于268Hz，即系统每1秒钟采集268个采样点数据。基于此，可以得到系统每采集200个采样点需要时间小于800ms，便可以进行平均处理（＜10μs），之后进行均值数据发送（＜10μs），使得整个采集、平均处理和发送一次有效时间小于1s，符合系统多通道温深监测设计要求。另外，由于ADS1258采样精度为24位，所以在每次每个采样点存储时，需要三个8位无符号数据单元进行存储。如果采集点个数达到200个点时，需要定义600个无符号8位数组进行存储。当满足200个采集点时，可进行一次平均处理并将计算的结果发送到上位机进行电压转物理量处理。

图3 系统软件整体设计流程

表1 ADS1258采集芯片设置参数

系统采集温深数据后，通过485控制器向水面趸船上计算机发送。系统使用了平均处理后上传平均值的方法，替代了传统的即采即发数据传输模式。然后即采即发传输模式可能会由于整个传输通道数据吞吐量增加且STM32控制器采集数据速度高于传输通道数据传输速度，导致监测装置数据传输可能会出现数据覆盖、数据丢失或者错误的结果。而本文根据实际应用需求，对采集频率要求不是很高的多通道温深数据，采取降低采样率、采集数据后求平均的方法以保证每个通道的高采样精度。具体平均处理流程图如4所示。

5 实验室系统验证

在实验室中，将信号源与稳压电源信号通过线缆连接温深监测装置输入端，输出端通过485转USB调试线连接计算机［13～15］。通过上位机软件对温深监测装置发送来的数据进行电压转物理量换算，并对每个通道采集所对应的物理量进行显示。具体系统验证中监测参数为数据采集点数和数据精确度（有效位）。

图5 数据传输通信验证

如图5所示为多通道温深监测装置监测软件设计界面。首先，设置稳压电源输出电压为1.500DCV，信号源输出信号为正弦波信号40Hz、电压范围0～2DCV。测试结果发现前部分稳压电源输出电压值在1.500VDC～1.505VDC之间范围波动，通过采集的电压有效值与对应通道温度、深度之间的物理换算，得到温度值误差＜0.5°，深度值误差＜0.5m，满足实际温深监测装置应用需求。测试结果后部分显示的正弦波与信号源输出信号波形相符合，功率谱显示40Hz信号，说明采样点基本不丢失，满足实际应用需求。

6 结语

本文详细介绍了基于ADS1258的多通道温深监测装置构成、多通道高精度数据采集软硬件、实验室验证过程和结果。其中，根据监测装置实际应用需求，对采集周期要求不高的数据在监测装置中累加求平均、传输，以保证每个通道的高采样精度。在不影响整个系统的控制功能前提下，减少了传输通道数据吞吐量，保证了数据传输的精确性，使得数据传输的可靠性、稳定性都有了很大的提高。