用于海洋浮标的多串口数据采集系统设计

李超

（第七一五研究所，浙江杭州，310023）

0 引言

随着陆地资源的过度开发，各个国家纷纷开始加大对海洋资源的开发投入。通过海洋水文气象的观测能够帮助人们更好的分析了解海洋环境的变化规律，为海洋资源开发、预防海洋灾害等方面提供科学依据。

海洋浮标是一种能够实现实时、自动、全天候海洋观测的设备平台，是海洋观测中最重要、最可靠、最稳定的手段之一[1]。随着我国“数字海洋”建设不断推进，海洋观测已进入到对海洋动力、大气、环境、突发事件等实行全天候立体观测阶段，海洋浮标从单一的气象浮标或水文浮标，发展到综合多参数浮标[2]。海洋浮标所搭载的传感器数量也由几个增加到十几个。为适应海洋浮标发展的需求，设计了一种用于海洋浮标的多串口数据采集系统。

1 多串口数据采集系统整体设计

多串口数据采集系统包括供电模块、数据采集模块和无线传输模块组成。供电模块用于各传感器的电源管理，当传感器不工作时关断传感器电源减少电量消耗。数据采集模块是浮标的控制中心，用于采集各个传感器的输出数据、监控浮标的状态信息。无线传输模块用于发送浮标采集的各个传感器的数据，实时发送到网站接收平台，实现浮标的实时采集观测。如图1所示。

图1 多串口数据采集系统结构框图

2 供电模块设计

浮标大多采用蓄电池加太阳能充电板的供电方式，当白天阳光充足时，太阳能充电板给浮标系统提供电量的同时将多余的电量冲入蓄电池，当夜晚无阳光时，使用蓄电池的电量给浮标供电，这种供电方式决定对系统的整体功耗要求比较高，所以供电模块采用低功耗设计。

供电模块主要包括电压转换电路和开关控制电路两部分。电压转化电路将蓄电池输出的标称为12V的电压转化为5V和24V输出，满足不同传感器的供电需求。选用的电压转化电源具有高转化效率、宽电压输入、输出短路保护、高可靠性等功能，能够满足海上恶劣的使用环境和低功耗的要求。开关控制电路主要由三极管和MOS管组成，数据采集模块通过IO端口控制12V和24V输出电压的通断，当IO端口为高电平时输出电压打开，当IO端口为低电平时输出电压关闭。数据采集模块根据内部逻辑控制传感器加电断电，达到降低功耗的要求。如图2所示。

图2 开关控制电路原理图

3 数据采集模块设计

数据采集模块是整个海洋浮标的控制中心。数据采集模块通过模拟或者数字接口采集不同种类的传感器的数据，处理打包之后通过无线传输模块发送到岸站接收平台。同时通过供电模块对传感器进行电源管理，降低系统功耗。目前数据采集模块的核心芯片一般采用单片机，但是单片机的数字外设接口有限，已经无法满足海洋浮标多样化和集成化的发展要求。本文提出了一种串口扩展的设计方法，将串口数量扩展到20个以上，能够满足大多数海洋浮标的使用要求。

3.1 数据采集模块硬件设计

数据采集模块的核心控制芯片采用的是STM32F429芯片。其芯片特性如下：1.71V-3.6V宽电压供电；主频高达180MHz；具有睡眠、停机和待机等多种低功耗模式；支持最多24通道的12位高精度模数转换器；4个USART模块和4个UART模块；高达6个SPI模块；具有外部和内部看门狗检测。

时钟芯片采用的是DS3234芯片。该芯片是一款低成本、超高精度、低功耗、采用SPI总线的实时时钟(RTC)，并且集成了温度补偿晶体振荡器(TCXO)和晶体。DS3234芯片还集成了256字节SRAM，通过外部纽扣电池供电实现掉电存储。RTC可以计数秒、分、时、星期、日期、月份和年份信息。该芯片为数据采集模块提供了精准的系统时钟。

串口扩展电路采用的是一转多路模拟开关的模式，通过单片机的IO端口控制不同的通道打开，达到串口扩展的目的。模拟开关选用CD4051芯片。CD4051芯片是单端8通道多路开关，输入的数字信号范围是3-20V，具有导通延时短、阻抗小等优点，它有3个通道选择输入端A、B、C，通道选择输入端用来选择打开的通道号。

STM32F429芯片输出的串口引脚TX和RX分别接到两片CD4051的公共输入输出端，然后CD4051的0-7通道输入输出端分别接到不同串口转换芯片的输入输出端口。串口扩展电路原理图如图3所示。通过两片CD4051模拟开关芯片，实现了一个串口扩展成8个串口。本设计一共采用了四片模拟开关芯片，对两个串口分别进行了扩展，扩展之后串口总数达到了22个。

图3 串口扩展电路原理图

3.2 数据采集模块软件设计

数据采集模块软件程序主要包括四部分组成：初始化程序、时间校准程序、传感器采集处理程序和打包上传程序。系统上电后，首先进行初始化设置，包括初始化系统时钟、IO、SD卡、串口等。然后接收GPS时间数据，判断数据有效之后对系统时间进行校准，如果无效则不进行校准，使用系统自带时钟芯片的时间。然后判断是否到达传感器采样时间，通常传感器工作周期设置为0.25h、0.5h、1h、4h，即从零点开始，每隔固定时间采集一次传感器数据。当到达某一仪器的采集时间时，先判断该仪器对应的串口是否为扩展串口，如果是扩展串口，需要先通过IO设置切换到对应的通道，然后在进行传感器数据采集处理。最后到达数据上传时间后，将所采集的所有传感器数据进行打包，并通过无线传输模块将数据上传。如图4所示。

图4 数据采集模块软件设计流程

4 无线传输模块

无线传输模块可选用北斗通信终端或者GPRS无线数传模块。北斗通信终端的优点是传输数据保密性好，能够在远海使用，但是通信带宽较低。而GPRS无线数传模块则传输数据量大，但是只能在近海基站信号覆盖的地方使用，具有局限性。系统同时兼容两种传输模式，可根据使用环境和需求选用合适的传输方式。

5 结论

本文基于海洋浮标设计了多串口数据采集系统，该系统具有扩展性强、性价比高、开发便利等特点。基本能够满足用户不同水域、不同功能的水质监测要求，使得海洋浮标实现了海上连续、实时、长期、自动获取海洋水文气象的监测数据，相比传统的方法节约了大量的人力物力，并且能够及时了解布放水域中水质的变化，对了解海洋、开发海洋有十分重要的意义[3]。