一種海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通用設(shè)備的設(shè)計(jì)

張穎穎，馬 然，張 穎，程 巖，湯永佐，侯廣利

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001）

一種海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通用設(shè)備的設(shè)計(jì)

張穎穎，馬 然，張 穎，程 巖，湯永佐，侯廣利

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001）

海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效采集、存儲(chǔ)、處理和顯示、輸出及控制操作，是自動(dòng)化海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都需要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的重要內(nèi)容。提出了一種海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通用數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備的設(shè)計(jì)方法。設(shè)備可以提供多路模擬量、數(shù)字量、脈沖量和串口信號(hào)形式的海洋監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)采集，現(xiàn)場(chǎng)的大容量信息存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)信息顯示、鍵盤(pán)輸入操作和便捷打印輸出，以及滯后的實(shí)驗(yàn)室信息顯示、分析、查詢和處理等豐富功能。該設(shè)備簡(jiǎn)單設(shè)置可以靈活應(yīng)用于各種海洋參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)任務(wù)，具有推廣應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)前景。

海洋監(jiān)測(cè)；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；通用；數(shù)據(jù)采集處理

海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器在目前的海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，現(xiàn)場(chǎng)提供實(shí)時(shí)的海洋參數(shù)信息，進(jìn)行快速、自動(dòng)的分析和處理，因此，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的滯后檢測(cè)不具備時(shí)效性的缺點(diǎn)。

從宏觀角度講，海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器都是由傳感器測(cè)量海洋參數(shù)，采集監(jiān)測(cè)信息，執(zhí)行數(shù)據(jù)的直接存儲(chǔ)或者某些數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)需要現(xiàn)場(chǎng)顯示和輸出數(shù)據(jù)或者帶回試驗(yàn)室進(jìn)行詳細(xì)的分析。海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的控制操作和數(shù)據(jù)的采集處理在整個(gè)海洋監(jiān)測(cè)儀器中具有很重要的作用。從海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)看，越來(lái)越趨向于多站點(diǎn)、多要素、全天候、全天時(shí)的長(zhǎng)期和連續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)的采集、處理和控制更是關(guān)系海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)能否自動(dòng)化長(zhǎng)期和可靠執(zhí)行的關(guān)鍵。

海洋環(huán)境與陸地環(huán)境不同，海洋監(jiān)測(cè)有自己的特點(diǎn)。其一，測(cè)量的參數(shù)不盡相同；其二，測(cè)量環(huán)境不同；其三，儀器要求不同。因此，執(zhí)行不同任務(wù)的海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器就需要配備不同類(lèi)型和規(guī)格的海洋監(jiān)測(cè)傳感器，測(cè)量到的海洋參數(shù)也需要針對(duì)性的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的采集和處理過(guò)程，根據(jù)任務(wù)具體要求的輸入輸出操作將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示或者現(xiàn)場(chǎng)輸出。在每一個(gè)海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)中，信息采集處理設(shè)備的設(shè)計(jì)都是重要環(huán)節(jié)[1-4]。

本文提出一種海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通用信息采集處理設(shè)備的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)備可以靈活應(yīng)用于各種海洋參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)任務(wù)，避免各種海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中人力物力的重復(fù)性損耗，而且，可以利用專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)研制高性能設(shè)備以確保海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息的采集、處理和控制更加可靠、高效。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

海洋參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器可以布放在沿岸、近海或者船只上，現(xiàn)場(chǎng)往往有技術(shù)人員實(shí)時(shí)觀察和執(zhí)行必要的控制操作。因此，海洋參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備作為整個(gè)海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要的組成部分，主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地采集、處理、存儲(chǔ)和顯示海洋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有即時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢和便捷輸出以及滯后的實(shí)驗(yàn)室信息處理等豐富功能，滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)功耗和可靠性等諸多要求，為海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的執(zhí)行者提供研究和使用便利。

海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通用設(shè)備的設(shè)計(jì)要適應(yīng)各種海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)使用的傳感器數(shù)量和類(lèi)型。因此，設(shè)計(jì)8路模擬量信號(hào)輸入，精度12位或以上，輸入信號(hào)范圍0～+5VDC，提供各種電壓模擬量測(cè)量，以連接風(fēng)向、氣溫、氣壓、溫度、濕度等海洋監(jiān)測(cè)常用傳感器。8路數(shù)字脈沖輸入通道提供風(fēng)速等數(shù)字脈沖量傳感器信號(hào)測(cè)量。8個(gè)數(shù)字控制輸出通道，作為設(shè)備的數(shù)字控制和觸發(fā)控制。10個(gè)RS232端口，采集波浪、海流、水質(zhì)和生態(tài)等傳感器的串行信息，并提供串行通訊接口。大容量SD卡標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，采集數(shù)據(jù)以表格形式存儲(chǔ)。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)操作的需要，設(shè)計(jì)液晶顯示器和輸入鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。便攜式打印機(jī)可現(xiàn)場(chǎng)提供監(jiān)測(cè)參數(shù)的打印輸出。另外，適應(yīng)海洋監(jiān)測(cè)的工作環(huán)境，甚至惡劣環(huán)境，設(shè)備要求滿足強(qiáng)抗干擾、高可靠性和低功耗等要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備由硬件設(shè)備和配套軟件兩部分組成。硬件設(shè)備的基本功能包括：與海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)需要的各種傳感器有效連接；根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)的要求實(shí)時(shí)采集、處理并存儲(chǔ)各種監(jiān)測(cè)信息；實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)的信息顯示和輸入操作控制；實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)信息的現(xiàn)場(chǎng)打印輸出。配套軟件作為輔助工具，以滯后方式提供對(duì)監(jiān)測(cè)信息的豐富處理功能。

2.1 硬件設(shè)計(jì)和工作原理

綜合考慮海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)系統(tǒng)和功耗的要求，硬件設(shè)備以PC104工控機(jī)為控制核心，AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信息采集功能。具體功能模塊包括模擬量信息采集通道、數(shù)字量信息采集通道、脈沖計(jì)數(shù)通道、串行信息采集通道、數(shù)字控制通道、信息存儲(chǔ)、液晶顯示、鍵盤(pán)輸入、打印輸出和設(shè)備供電。硬件設(shè)備外部12 V（9～18 V范圍）直流供電。為實(shí)現(xiàn)良好的擴(kuò)展能力，采用總線設(shè)計(jì)方式以提供更多的設(shè)備接口。具體的硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通用設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)方案

研華PC-104系統(tǒng)作為硬件核心處理模塊，組合Atmel ATmega64型AVR單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集模塊。PC-104系統(tǒng)采用12 V供電，并嵌入Windows XP Embedded操作系統(tǒng)。其主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、顯示、人機(jī)操作等功能。其中，數(shù)據(jù)通過(guò)一塊80 G日立硬盤(pán)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和運(yùn)算處理，處理后數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示經(jīng)PC-104系統(tǒng)中的LCD模塊處理后，通過(guò)一塊7寸24位色LCD液晶屏顯示出來(lái)。人機(jī)界面的操作是通過(guò)矩陣按鍵實(shí)現(xiàn)。通過(guò)SD卡將數(shù)據(jù)隨時(shí)加密拷貝調(diào)出或者用于程序的更新下載。硬件核心處理模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)PC-104系統(tǒng)的UART接口進(jìn)行串行通信。

數(shù)據(jù)采集模塊中的電源選用LM2576電源芯片，將系統(tǒng)+12 V開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換成+5 V穩(wěn)壓供電。串口擴(kuò)展電路將ATmega64中的2路USART通信端口擴(kuò)展為1路RS-232串口通信端口（包括與硬件核心處理模塊通信和數(shù)據(jù)打印設(shè)備）和備用的6路傳感器串行信號(hào)接口模塊。設(shè)備實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)信息采集和處理功能時(shí)，外接傳感器采集的模擬信息依次經(jīng)過(guò)多路可編程放大器、整形濾波、12位高精度A/D轉(zhuǎn)換、隔離等模塊處理，最后將數(shù)字信號(hào)送入ATmega64單片機(jī)。部分外接的數(shù)字/脈沖傳感器采集到的數(shù)字/脈沖信息直接經(jīng)整形、隔離等模塊傳給ATmega64單片機(jī)進(jìn)行信息處理。單片機(jī)按照一定的通信協(xié)議將部分采集信息經(jīng)內(nèi)部SRAM存儲(chǔ)和擴(kuò)展串口連接方式發(fā)送到外接的數(shù)據(jù)打印設(shè)備，方便將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息及時(shí)打印。同時(shí)，單片機(jī)的全部采集信息將按照一定的協(xié)議要求以表格形式，通過(guò)RS-232傳輸至PC-104系統(tǒng)的UART接口，并存儲(chǔ)到硬盤(pán)中，提供海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)用戶長(zhǎng)期持久的信息存儲(chǔ)功能。為了保證系統(tǒng)的能耗最小化，平時(shí)整套系統(tǒng)工作分成正常運(yùn)行和睡眠兩種模式，而ATmega64單片機(jī)具有8路傳感器控制端口，將工作頻率較低的傳感器在待機(jī)狀態(tài)時(shí)處于斷電的狀態(tài)。

除了完成數(shù)據(jù)采集與處理功能之外，為保證信息采集的時(shí)間準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)有硬件和軟件的時(shí)鐘同步操作，以及硬件設(shè)備的工作溫度范圍和緊湊、抗干擾等重要性能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通用設(shè)備設(shè)計(jì)兩套應(yīng)用軟件-初始化設(shè)置軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。初始化設(shè)置軟件執(zhí)行setup安裝程序，以安裝向?qū)У男问揭徊讲教崾居脩敉瓿绍浖惭b。根據(jù)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用時(shí)連接的傳感器數(shù)量和類(lèi)型、數(shù)據(jù)采集與處理的方式方法、海洋監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用的數(shù)據(jù)通信和輸出方式等具體應(yīng)用背景，由上位機(jī)直接串行通訊方式進(jìn)行設(shè)備的硬件相關(guān)設(shè)置。數(shù)據(jù)處理軟件以實(shí)驗(yàn)室滯后處理的方式，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的各種顯示、查詢及簡(jiǎn)單與復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能。兩套軟件都采用Windows操作環(huán)境下的圖形化交互操作界面，追求美觀而且強(qiáng)調(diào)方便用戶使用和操作，提供在線幫助功能。

初始化軟件按照流程依次執(zhí)行軟件操作向?qū)А⒂布O(shè)備選型、通訊設(shè)置、傳感器采集設(shè)置、通訊測(cè)試、時(shí)間位置設(shè)置、數(shù)據(jù)輸出設(shè)置、預(yù)約設(shè)置功能，直到初始化設(shè)置結(jié)束。數(shù)據(jù)處理軟件包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)常規(guī)處理和復(fù)雜處理的功能模塊。

3 結(jié)論

本文從海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的多樣化和通用性特征出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通用設(shè)備。該設(shè)備可以針對(duì)海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的不同要求，連接多數(shù)量多類(lèi)型的傳感器靈活配置并直接使用，對(duì)監(jiān)測(cè)信息實(shí)現(xiàn)從采集、存儲(chǔ)、顯示到分析處理，再到現(xiàn)場(chǎng)控制輸入輸出的全過(guò)程操作，不僅避免了各種海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目重復(fù)開(kāi)展相似的研發(fā)工作，節(jié)省人力物力和開(kāi)發(fā)成本，而且，專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)可以形成過(guò)硬的設(shè)備質(zhì)量，確保海洋參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息的采集、處理和控制更加系統(tǒng)高效。

[1]卜照蓬,劉巖.FZF321型海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)[J].海洋技術(shù),2003,2(22)：59-65.

[2]武東生,張齊.海洋站數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].海洋技術(shù),2001,1(20)：59-61.

[3]張毅,孫思萍,齊爾麥,等.海床基自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中央控制單元設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].海洋技術(shù),2007,26(4)：1-3.

[4]唐原廣,王金平.SZF型波浪浮標(biāo)系統(tǒng)[J].海洋技術(shù),2008,27(2)：31-33.

Design of Common Data Acquisition System for Marine Parameters Site Monitoring

ZHANG Ying-ying,MA Ran,ZHANG Ying,CHENG Yan,TANG Yong-zuo,HOU Guang-li
(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology,Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation,Qingdao Shandong 266001,China)

It is a very important content for the automatic marine parameters site monitoring system to conduct data acquisition,storage,processing,display,output and control operations.A special design method of common data acquisition equipment is presented,which provides a great deal of signal acquisition patterns including analog quantity,digital quantity,pulsed quantity and serial port signal for the marine monitoring information automatic collection.It provides huge information storage,real-time display,keyboard input and print output on spot.And it also provides plenty of functions of information display,analysis,reference and processing in the lab later.The equipment is designed as a simple setup that can be flexibly applied to all kinds of marine site monitoring projects,which illustrates a good prospect of application and extension.

marine monitoring;site monitoring;common;data acquisition and processing

TP274；P71

B

1003-2029（2011）04-0016-03

2011-04-10

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（2006AA09Z144）；山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目資助（2009GG10005007）

張穎穎(1979-),女,博士,副研究員,主要從事海洋信息探測(cè)和處理研究。 Email:triciayyz@163.com