基于msp430水下姿態記錄儀的研究

李恒文 ,霍恩廣

（山東科技大學　機械電子工程學院，山東　青島　266590）

基于msp430水下姿態記錄儀的研究

李恒文 ,霍恩廣

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590）

摘要：針對水下潛標系統在監測海洋環境中易受海洋環境因素的影響，設計了一款水下姿態記錄儀。該設計以msp430單片機作為控制核心，三維數字羅盤HMR3000以及水壓傳感器GB-3000G等組成外圍電路，完成對水下儀器的水下工作深度以及姿態等信息的記錄。

關鍵詞：潛標系統；數字羅盤；水壓傳感器；姿態記錄

0　引言

水下潛標系統是對海洋環境監測的重要技術裝備，可在惡劣的海洋環境下，無人值守的進行長期、連續、定點、自動的對海洋水文、氣象諸要素進行全面綜合的監測。潛標在海洋環境中布放工作，必然受到諸如海流、潮汐、風浪等海洋環境的影響，使潛標產生旋轉、俯仰、傾斜等姿態變化，由于搭載潛標上的儀器設備大都需要潛標姿態穩定，因此，使潛標保持穩定狀態是設計和布放需要研究解決的問題。本文介紹的姿態記錄儀就是記錄潛標在布放和水下工作期間的姿態變化情況，使研究人員能夠結合當時的布放過程和海況等影響因素，研究分析潛標姿態變化的原因以及規律和提出相應的改進措施。

圖1　姿態記錄儀結構圖

1　系統組成

姿態記錄儀的結構框圖如圖1所示。由于姿態記錄儀要長時間在水中進行工作，只能靠蓄電池來提供電源，所以微處理器選用的是具有超低功耗的msp430單片機，姿態傳感器選用的是三維數字羅盤HMR3000來采集潛標三維姿態變化信息，該傳感器與其他傳感器相比具有以下優點：帶有電子常平架即使傾達40°，也能給出精確的航向；內部全部使用表面貼裝元件，不含任何的移動元件，非常可靠和堅固；低功耗、小體積的裝置帶有非鐵磁性金屬外殼，便于安裝固定；另外用戶可根據自己需要設置采樣頻率。水壓傳感器選用的是GB-3000G對水壓進行實時采集，利用單片機內部的AD轉換模塊實施數據的模數轉換，以得到潛標所處水下深度。微處理器將采集到的水下深度以及姿態信息送入外擴的存儲器SD卡中進行存儲，以便對數據進行研究分析。

水壓傳感器的作用。此設計選取水壓傳感器主要有三處作用：一是獲得所處水下的深度；二是由于設備在被剛放入水中和快浮出水面時水體會產生明顯晃動，因此在進入一定深度之前工作深度、姿態的信息沒有參考意義，為了降低功耗，在這兩個階段羅盤是不工作的，即輸出的電壓值只有大于某一設定值，羅盤才工作，否則是不工作的；三是根據壓力傳感器的輸出來判斷設備是否出水，若輸出電壓值小于某一數值，則判斷為出水，發出報警信號，工作人員前去打撈。

2　工作原理

數字羅盤以及水壓傳感器測量水下載體運動的實時姿態以及工作深度，微處理器對姿態數據進行采集，并將采集的數據存儲到SD卡中，以便讀取分析，采集的數據經上位機數據分析處理軟件，可以實現水下載體運動姿態的復現。

2.1數據采集部分

圖2　單片機與羅盤接口

數據采集主要是對三維姿態信息以及工作深度信息的采集。單片機與羅盤接口如圖2所示，羅盤由三軸磁阻傳感器、兩軸傾斜傳感器、信號采集于處理系統、微控器、通訊系統、AD轉換模塊等部分組成。磁阻傳感器測量磁場的三個分量，傾斜傳感器測量傾斜角，通過坐標變換將三軸磁阻傳感器接收的運動坐標系下的地磁信號轉換成大地坐標系下的地磁信號，在大地坐標系下即可獲得其與地磁北的夾角從而實現其指向功能。單片機通過自身所帶串口模塊經過電平轉換與羅盤進行通信，從而實現對羅盤的初始化和采集載體的三維姿態信息。利用軟件PC Demo實現羅盤與PC機之間的通信，通過RS232對羅盤進行工作方式以及輸出頻率的配置，設置其工作方式為連續模式，即在可組態的速率下輸出羅盤主動提供的NMEA標準信息，設置輸出速率為60，即羅盤按每分鐘60條句子的速率輸出航向、俯仰和橫滾數據，即采樣頻率設定為1HZ。

圖3　單片機與SD卡接口電路

三線制（VCC、GND、IN）電壓輸出型擴散硅壓力變送器GB-3000G是在單晶硅上擴散上一個惠斯通電橋，被測海水的壓力直接作用于傳感器的陶瓷擴散硅膜上，使膜片產生與介質壓力成正比的微小位移，電子線路檢測這一位移量后，即把這一位移量轉換成對應于這一壓力的電壓信號，電壓信號通過引腳IN與單片機連接，經過放大濾波后由430內部AD進行模/數轉換，得到輸出的電壓值，根據傳感器的輸出規格 Range：0～100m , Output：0～5VDC 的線性關系計算出所處海水深度。單片機采用查詢方式對壓力信號進行采集，方式如下：用定時器方式每10秒查詢一次，檢測水深是否更新，若水深有更新，則對水壓傳感器進行上電，采集數據并進行處理，若無更新則直接存儲上次采集數據。

2.2數據存儲部分

微控制器對采集的姿態信息以及工作深度信息進行處理后，存儲在SD卡中，SD卡與單片機采用SPI的連接方式，接口電路如圖3所示，SD卡上電后的默認方式是SD模式，必須通過初始化命令進入串行外設協議（SPI）模式，SD卡向單片機返回0x01，進入idle_state模式，然后發送CMD1命令，發送成功，SD卡會返回0x00八位二進制數，通知主控器SD卡初始化完成。初始化完成后在SD卡上創建

FAT32文件系統，單片機對SD卡底層的讀寫，按照FAT32的格式對SD卡上數據進行操作，如創建文件、讀文件和刪除文件，從而實現數據的存儲。

圖4　一定時間內采集到的壓力傳感器的數據

3　記錄儀的安裝與試驗

由于羅盤與電池都是密封在防水罐里的，罐子體積有限，羅盤放置離電池較近時會對羅盤數據造成較大干擾，使數據失去參考價值，因此應盡可能的把羅盤固定在離電池較遠位置或在電池和羅盤之間添加電磁屏蔽層。使用msp430內部ADC采集水壓信息，經過多次實驗發現采集到的壓力值會發生跳變，如圖4，當發生跳變時會對設備所處狀態（是否出水）進行錯誤判斷，給工作人員發出錯誤信息。因此必須對數據進行軟件濾波，采用的方法是算數平均濾波法即連續取N個采樣值進行算數平均運算。

4　結束語

記錄儀只對水下有參考意義的數據進行記錄，對剛下水以及出水后數據不記錄，并且在出水后能及時給工作人員發送報警信號，對安裝方式以及數據處理方法進行反復試驗，增加其可靠性。

參考文獻：

[1]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京航空航天出版社,2008（01）：28-87.

[2]盧筑飛，吳小兵.一種新型水下姿態記錄儀的設計與應用[J].水雷戰與艦船防護,2012（04）：34-37.

[3]侯廣利，張穎.一種潛標的水下姿態變化規律分析[J].海洋技術,2010（03）：38-43.

[4]周以琳，新月順.基于單片機的帆船姿態記錄儀[J].自動化技術與應用,2009（07）：40-45.

[5]彭建新，段智文.HMR3000電子羅盤與DSP的接口設計及編程[J].電子設計工程,2010（09）：182-185.