1 km以浅多参量混合编帧式数据采集系统设计

郑永秋，王 旋，刘亚兵，景俊民，张浩凌，管今哥，臧俊斌

(1.中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；2.华阳新材料科技集团有限公司装备管理部，山西阳泉 045008)

0 引言

海洋湍流混合是能量传输的重要源动力，是实现海洋透明化的有待解决的关键科学问题，海洋湍流的观测对气象观测、海洋动力研究等问题具有重要的意义。现有的海洋湍流观测仪研究范围主要集中在km以浅的海域，且湍流传感器以一维传感器为主，缺少矢量性、高分辨率的湍流传感器，不能满足6 km全海深的湍流探索，文献[1]提出了基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵式剖面观测仪的研究，该仪器以MEMS二维矢量湍流传感器为核心，采用剖面仪搭载4个子设备的结构，在500 m深度对子设备进行同步抛载，子设备继续下沉至深海6 km处进行湍流数据及其他数据的观测[1]。

基于上述情况，本文提出了基于FPGA的km以浅多参量混合编帧式数据采集系统设计，该系统能够采集存储温盐深仪(CTD)、姿态传感器、罗经传感器和MEMS湍流传感器数据，设计了释放开关进行子设备的抛载，采用光模块OCM3343进行数据的实时传输，具备了确保剖面仪在深度适宜、姿态平稳的情况下进行子设备抛载的条件[2]。

1 总体设计方案

本系统对温盐深仪(CTD)、姿态传感器、罗经传感器、MEMS湍流传感器数据进行采集存储，为确定子设备的抛载时间和位置，对前3种传感器数据进行实时传输并显示，设计了4种不同传输速率的传感器数据采集系统[3]。本系统设计中，主控芯片采用spartant-6系列的FPGA芯片，型号为XC6SLX9，存储采用NAND型FLASH，系统中采集接口包括2路RS232，1路RS485(预留)，1路光耦隔离的I/O接口，2路模拟量输入接口，共计6路接口，以及用于子设备释放的开关电路。传感器连接采集卡相应接口，FPGA控制时序采集数据，将采集数据存储到FLASH中，同时将温度、盐度、深度、姿态等数据通过光纤传输到地面接收系统，在中控台实时显示数据，完成整个海洋数据的采集与传输。图1为整体框架设计。

2 硬件电路模块设计

2.1 模拟接口模块设计

在数据采集电路中，MEMS湍流传感器为二维矢量模拟传感器，包括X路和Y路，传感器一致性好。针对该传感器二维矢量的特点，AD选用2通道同步采集的ADS8353芯片，该芯片分辨率为16 bit，采样率为600 KSPS，通讯方式为SPI串行通讯，控制方式简单[4]，能够满足同时采集MEMS湍流传感器X、Y路信号量的要求，具体的电路图如图2所示。

ADS8353在数据读取中按照下列时序进行操作，芯片使能端CS低电平有效。当CS处于低电平时，判断时钟SCLK，SCLK下降沿时，写入数据和读取数据。SDI数据在前16个时钟周期将数据写入，SDO在后16个周期将数据读出，在32个时钟周期内完成1组数据的写入和读取，CS拉高再降低，进入下1个周期。ADS8353读操作的时序图如图3所示。

2.2 RS232数据接口模块设计

本系统设计了2路RS232接口。RS232接口波特率可选，本系统中采集卡与地面接收设备使用同一控制系统。在采集卡中，RS232接口用于采集温盐深仪(CTD)和姿态传感器数据；地面中控台中，RS232接口与上位机连接进行通讯。该模块中，系统采用了MAX3232CDR芯片[5]，该芯片为2路收发电路，可满足系统中2路RS232接口的要求。在采集传输板卡端，温盐深仪(CTD)与姿态传感器接口均为RS232接口[6]，温盐深仪的波特率为9 600 bps，姿态传感器的波特率为115 200 bps，若改为其他波特率的传感器，可在程序上进行修改，简单方便，应用范围广。

2.3 光模块接口模块设计

光模块的设计主要是用于光纤传输，因为剖面仪中需要搭载摄像头进行视频传输，其主要功能是为直观地观测剖面仪释放4个子设备是否同步。摄像头的传输数据量大，普通的长线传输容量较小，不能满足视频传输的需求，所以选择光纤传输的方式[7]。光模块选用OCM3343型号模块，供电为3.3 V，光纤传输的速率为10 Mbps，采用的光波长为1 310 nm，光纤中可以传输多波段的光，增加光纤的利用率。一般情况下，光波长为1 310 nm的光纤损耗率每km不大于0.36 dB[8]。

2.4 开关量模块电路设计

根据剖面仪抛载子设备的需求，在采集卡中设计了开关电路。剖面仪释放结构采用电磁铁，电磁铁功能为通电断开，为保证剖面仪释放机械结构的可靠性，选用2个承重30 kg的电磁铁，该电磁铁通电电流为2 A，2个电磁铁同步通电断开需要4 A的大电流，所以选用通电电流较大的MOS场效应管作为开关电路的主要元器件[9]。MOS场效应管选用常用的FDD6637与AO3400A搭建成1个基本的开关电路，其开路电流分别为13 A与5.9 A，能够满足电路的实际需求，具体的电路图如图4所示，当SF端电平拉高，Q2导通，Q1栅极产生压差导通，输出端输出12 V电压，电磁铁断开，完成剖面仪释放功能。MOS场效应管作为开关电路，原理简单方便，电路容易控制。

2.5 FLASH存储模块

在系统要求中，对温盐深仪(CTD)、姿态传感器、罗经传感器、MEMS湍流传感器的数据进行采集，根据4种传感器的信息可以计算出所需要的存储容量，表1为4种传感器的基本信息。

表1 传感器信息表

其中MEMS湍流传感器采用ADS8353进行采样，其分辨率为16 bit，采样速率为10 KSPS，剖面仪在水中以1 m/s的速度下降，到达500 m深度大约需要500 s，由上述信息可计算出数据总量为225.786 MB

若采集返回的数据，则数据总量大概为451.572 MB。本电路中，采用型号为MT29F8G08ABABAWPIT的NAND型Flash为存储芯片，其存储量为1 GB，满足存储要求。且该芯片具有边擦除边写入的优点，能够进行高速的大容量存储，该芯片与FLASH芯片的连接属于并行I/O口连接，这样的连接方式能够提升FLASH的读写速率[10]。Flash芯片与FPGA的电气连接图如图5所示。

3 软件控制设计

3.1 总体控制流程图

该系统对多个传感器数据进行采集与存储，同时需要通过光纤将部分数据进行实时传输。传感器传输速率不同，在FPGA的时序控制下，通过编码方式将数据打包通过光纤模块进行传输[11]。

其总体工作图如图6所示，系统上电之后，电源指示灯亮，采集卡开始工作；系统同时对传感器进行供电，传感器开始工作，数据采集与数据传输工作同时进行。主控FPGA对接收到的数据进行编帧，同时将温盐深仪、姿态传感器、罗经传感器和MEMS湍流传感器4种传感器数据进行存储，将温盐深仪、姿态传感器、罗经传感器数据通过光纤进行实时传输，以便观测深度、温度、母弹姿态等的信息。

3.2 传输编帧与存储编帧

在4种不同的传感器中，我们将温盐深仪、姿态传感器、罗经传感器3种传感器的数据进行实时传输，同时将MEMS湍流传感器的数据统一编帧进行存储[12]，这种设计主要是为了解决RS232串口不能实时传输湍流传感器巨大模拟量的问题，且湍流传感器数据实时传输显示的意义不大，故将其数据进行存储[13]。

传输与存储的传感器不同，设计的帧结构长度不一。为了辨别数据帧，在设计帧结构时采用帧头和帧标志的计数方式，每一帧数据包括帧头、帧标志和数据域[14]。帧头EB 9X表示不同传感器数据，其中X为4位数据有效标志，由高到低依次为CTD数据，姿态传感器数据、罗经传感器数据、AD数据，1表示有效，0表示无效。

传输帧采用定长帧结构，帧头为2 B，数据域为14 B，其中CTD和罗经波特率为9 600 bps，每帧采集1 B数据，姿态传感器波特率为115 200 bps，每帧采集12 B数据[15]。传输帧结构如图7所示。

存储帧采用不定长帧结构[16]，帧头为2 B，数据域字节不确定。AD无数据的时候，采用传输帧结构；仅AD有数据时，帧结构为2 B的帧头和50 B的数据域；前3路中任意一路与AD有数据时，帧结构为2 B的帧头和66 B的数据域，存储帧结构如图8所示。

4 测试验证

进行水下测试时，将采集卡封装在水密耐压仓中，耐压仓中留有水密接头，采用双头母缆连接传感器与耐压仓，耐压仓装配在剖面仪中，剖面仪测试系统如图9所示。

测试时，上位机实时显示数据，上位机界面如图10所示。

经过长时间测试，系统工作传输数据稳定，数据存储结构完整。一帧数据包括CTD数据、姿态传感器数据、罗经传感器数据，根据数据的帧结构找到不同传感器的数据。第3帧数据表示CTD的数据，CTD数据格式为ASCII码，每组数据以“0D 0A”表示结尾。第4～15帧数据表示姿态传感器数据，其中FF FA为起始标识符，36为消息标识符，其余为接收到的数据段，从接收到的数据中可以明显的获得FF FA 36 26一串数据。第16帧数据表示罗经数据，罗经传感器需要FPGA与罗经进行实时交互，FPGA发送“68 04 00 04 08”命令，罗经传感器做出应答，应答数据包括14 B，例如一组数据“68 0D 00 84 10 26 48 00 00 26 03 09 64 A5”，其中68为命令的开头，0D为命令长度，00为设备地址，默认值，84为命令代码，其后每3字节分别为倾斜角、横滚角、方位角，该组数据采用压缩BCD码，解析结果为倾斜角为-26.48°、横滚角为0.26°、方位角为309.64°。经过上位机对数据进行处理，将数据分类显示，数据显示结果如表2所示。通过分析发现传输过程中无丢数漏数情况，传输系统稳定。

表2 传感器数据

5 结论

针对海洋多参量数据实时传输显示困难的问题，提出了多参量混合编帧式数据采集系统的设计，通过混合编帧与空位补零的设计，将不同传输速率的传感器数据采集并实时传输，该系统传输速率稳定，无丢数现象，可广泛应用于海洋环境的检测与深海资源探索中，对气象观测、海洋环流等研究具有重要意义。且该系统集成度高、成本低、能够搭载不同的传感器，后期可在FPGA的基础上进行其他功能模块的开发，且系统有10 MPa承压的耐压仓外壳封装，能够广泛应用于海洋、石油勘探等领域，具有广阔的工业应用前景。