水下拖曳體多源信息監控系統設計與實現*

李先鋒 ，李志華 ，鄭彥鵬 ，吳 偉 ，曾 信

(1.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074;2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061;3.中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301)

21世紀是海洋的世紀，海洋環境監測、工程建設、資源勘探等方面的開發和研究正蓬勃發展[1]。諸多海上作業均離不開水下探測，而水下拖曳體作為一種比較直接的探測工具載體，使用非常廣泛[2]。水下拖曳體平臺在工作時，需要實時采集自身的姿態信息、監聽和處理各種外部通信信息等[3]。因此，完善的拖曳體平臺應當具有較強的多源信息監控與處理能力。本文基于國家863計劃項目“海底熱液多金屬硫化物電阻率法探測關鍵技術”和國際合作項目“深海高密度電法探測系統研制”對水下拖曳體平臺監控多源信息的需求設計了一套技術方案，并研制出了系統樣機。

1 系統簡介

1.1 系統組成與工作原理

水下拖曳體是水下測量設備和多種傳感器的載體[4]，內部集成多源信息監控系統，是多種類型信息匯集與傳遞的中心。系統從傳感器組實時采集拖曳體的狀態參數和運動信息(拖曳體內外溫度、剩余電量、姿態、深度與高程、距周邊障礙物距離等)，采集的數據通過通信電纜或水聲通信器傳輸給水面監控PC上位機，實現對拖曳體姿態的準實時監控，同時系統接收PC上位機的通信命令，對拖曳體上搭載的電法測量儀器執行參數設置、啟動測量等操作。

1.2 系統外部搭載設備

系統外部搭載的設備包括運動信息監測的傳感器組、水聲通信器及電法測量儀等，如圖1所示。其中拖曳體內部溫度傳感器用于監測內部發熱量較大的功率器件等位置的表面溫度，外部溫度傳感器測量周邊水體的溫度；深度傳感器通過測量拖曳體所處位置的水壓力，計算得到拖曳體距離海面的深度;高度傳感器通過聲波探測拖曳體距離水底的高度;避碰聲吶安裝在拖曳體側面，用于測量拖曳體距周邊障礙物的距離；三維羅盤實時監測拖曳體的姿態，并與重力加速度計搭配測量拖曳體的行進方向、加速度等全方位姿態與運動信息；水聲通信器用于水下無線通信，使拖曳體平臺與水面上位機保持信息與命令的傳遞[5]；電法測量儀[6]在信息監控系統的支配下執行工作參數修改、電法測量等任務。

圖1 系統組成框圖

2 系統硬件設計與實現

圖2 主控核心電路圖(單片機其余的I/O口未顯示出來)

系統的硬件包括單片機控制核心、設備電源管理、通信等模塊。單片機控制核心實現系統的正常運行、多源信息的數據采集與實時監控；設備電源管理模塊為外部設備提供獨立的電源，并在單片機驅動下控制各設備正常開啟與關閉；通信管理模塊負責協調單片機控制核心與各搭載的設備之間數據通信，并實時監聽PC上位機發送的信息。

2.1 單片機控制核心

系統采用功能強大的MSP430單片機[7],它具備以下功能：(1)具有豐富的硬件資源，包括復位電路、看門狗、定時器等；(2)具備多個驅動能力強的I/O口，對大量外部搭載設備進行上電操作；(3)支持有纜通信(RS-232/485)和無纜通信(水聲通信)，具有主動開啟工作(預設時間和預設水深觸發工作)、被動開啟工作(在PC上位機指令下啟動工作)等功能。進入工作狀態后，水面PC上位機能對其執行讀取測量結果、修改工作參數和工作模式等操作；(4)具有一定的穩定性保障設計，可對各種故障與意外(通信故障、溫度過高、程序跑飛、電壓過低等)采取處理措施，并在與PC上位機意外斷開通信時，可獨立智能地控制測量工作正常的進行。

系統采用MSP430單片機，搭配外部Flash存儲器、時鐘電路、復位電路等組成控制核心的硬件。單片機自帶的電壓測量模塊用于電池電壓的測量，實現對剩余電量的實時監控；Flash存儲器用于保存采集的數據與參數變量；時鐘電路為系統提供時間信息及預設時刻的采集觸發中斷；復位電路用于單片機在出現意外故障時重啟系統。控制核心主要電路如圖2所示。

2.2 設備電源管理模塊

多源信息監控需搭載多個設備，在系統中單片機控制設備電源管理模塊負責各設備的電源供給，包括電壓轉換和電源控制，如圖3所示。

電壓轉換部分通過多個不同型號的隔離型DC-DC電壓變換器把+24 V電池電壓轉換為+24 V、+12 V或+5 V，分別給水下各設備獨立供電。采用隔離型DC-DC電壓變換器[8]，可以提高系統的抗干擾性和穩定性。

圖3 搭載設備管理模塊原理示意圖

電源控制部分采用光隔離型場效應管作為多通道電子開關，每個通道的開關控制一路設備電源，單片機通過I/O口驅動控制開啟/關閉設備的電源。

系統以設備電源管理模塊為硬件基礎,通過合理編寫單片機軟件，軟件按照預定的順序逐個操作設備，讀取完測量數據后立刻關閉該設備,避免干擾和測量紊亂。

2.3 通信模塊

通信模塊在硬件上包括帶光電隔離的RS-485通信器、ADSL轉換器、水聲通信器以及多個上電控制開關。控制核心與搭載設備、電法儀之間采用隔離型RS-485通信，使通信兩端電氣隔離，提高系統抗干擾性與穩定性；控制核心與PC上位機根據距離選用不同的通信方式：拖曳體位于淺水區時采用RS-485或水聲通信,位于深水區或拖曳距離較遠時采用水聲通信或ADSL通信。

控制核心采用主從總線式通信結構，通過RS-485總線與多個設備通信。當需要與某個設備通信時，控制核心打開該設備的串口電源與之通信，其他設備的串口無效。每次總線上只有一個設備與控制核心通信，最大限度地節省串口資源并保證了通信的靈活性[9]。

3 系統軟件編程

系統軟件包括PC上位機軟件和單片機主控核心軟件。系統軟件框圖如圖4所示。

圖4 系統軟件框圖

3.1 PC上位機軟件

PC上位機軟件實時監控拖曳體信息，實現的主要功能有：(1)通過通信口與單片機控制核心進行數據交流、發送指令；(2)設置控制核心的工作方式；(3)設置、啟動電法儀進入測量工作；(4)接收信息并處理存儲數據，以曲線形式顯示給用戶；(5)對ATM88x型號水聲通信器進行相關設置等。

3.2 單片機主控核心軟件

單片機主控核心軟件包括自檢、參數設置、測量和數據通信等,系統主程序流程如圖5所示。系統上電后開始運行，初始化串口、定時器、I/O口、日歷時鐘等，進入低功耗等待狀態，以減小電量消耗。當定時器觸發信號或串口產生通信中斷時，系統退出低功耗模式，單片機對中斷信息進行判別，選擇進入系統自檢、開啟測量、參數設置。

圖5 主控核心主程序流程圖

啟動系統自檢程序后，主控核心測試拖曳體的所有硬件狀態，包括外部搭載設備的連接狀態、電池電量等。檢測完畢后，返回自檢的數據至PC上位機。

啟動開啟測量程序后，主控核心按預定順序開啟、讀取、關閉設備，將測量數據保存至Flash存儲器，并將數據持續或固定時間間隔上傳至PC上位機。

在PC上位機進行姿態監控或電法測量前先啟動參數設置程序，包括啟動/結束測量時刻、上傳時間間隔、預警值設定、時鐘校準、休眠等待時間等。主控核心修改完自身運行參數值后，將所有參數信息寫入Flash存儲器，下次系統重新工作時,將按照本次保存的參數自動運行。完成以上任一任務后，系統進入低功耗等待中斷狀態。

4 系統測試

在上述設計方案基礎上研制了系統工作樣機，并在東營近海進行了功能性測試和穩定性測試。將拖曳體放入水中，通過船載電纜拖曳作業。在功能測試階段，PC上位機分別開啟有纜和無纜通信方式，命令主控核心完成自檢、參數設置、姿態信息測量、開啟電法儀工作、數據上傳等任務；在系統穩定性測試階段，長時間監測拖曳體的艙內溫度和剩余電壓值等信息,同時保持電法儀的正常工作,并將測得的數據定時上傳至水面PC上位機。

測試從16時開始至17時20分結束,歷時 80 min，在此期間兩次開啟了電法測量,測試結果如圖6所示。圖6(a)顯示多源信息監控系統采集接收倉的不同位置溫度的準實時變化曲線。其中T1為DC-DC模塊處溫度，T2為6 V電池處溫度，T3為單片機處溫度,T4為24 V電池處溫度；圖6(b)圖為供電電池的電壓實時監測曲線。圖6(c)為電法儀的測量數據曲線，系統在PC上位機的命令下開啟電法儀測量后，定時返回系統的測量數據。

圖6 多源信息監測系統穩定性測試結果

測試結果表明，系統對各項命令反應及時、狀態穩定，數據傳輸準確無誤碼，實現了對PC上位機、拖曳體、電法儀等多源信息的實時監控。系統設計合理，硬件與軟件在水下運行穩定，抗干擾能力強。

水下拖曳體多源信息監控系統是深海電法探測設備的重要組成部分，本文設計的系統可以準確實時地監測拖曳體的運動信息，并將信息及時發送到水面上位機；通過有纜或水聲無纜兩種通信方式，及時獲得PC上位機下傳的命令信息和拖曳體上傳的數據信息，并對信息進行實時處理；可以對拖曳體上搭載的電法儀執行參數設置、啟動測量、數據讀取等多種操作。海上試驗測試表明系統可靠性高,能夠很好地滿足拖曳體對多源信息的處理需求。同時，系統可以選擇搭載水下攝像采集器[10]或其他傳感器，滿足不同的水下作業需求，可為海底地質結構的調查、海洋工程開發、水下考古、環境監測等進行信息采集服務，具有很強的拓展性。

[1]方平,王玉梅,孫昭寧,等.我國海洋資源現狀與管理對策[J].海洋管理與開發,2010(3):32-34.

[2]單瑞,趙鐵虎,梅賽,等.深海拖曳系統定位技術及其應用與展望[J].海洋地質前沿,2012(7):66-70.

[3]吳家鳴,熊小輝.基于模糊神經網絡理論對水下拖曳體進行深度軌跡控制[J].海洋技術,2006(2):1-6.

[4]KLEMPNAUER H S.近海底拖曳式海洋儀器載體[J].海洋通報,1974(2):51-57.

[5]孫思萍.水下聲傳輸數據通信技術研究[J].海洋技術,2001(2):6-8.

[6]李蕩,李志華,曾信.雙頻激電儀接收機[J].電子測量與儀器學報,2011(12):1078-1085.

[7]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社,2004.

[8]李武華,何湘寧,吳劍勇.隔離型三繞組耦合電感交錯式DC-DC變換器[J].電工技術學報,2009，24(9):90-106.

[9]李光亞.分布式控制系統中單片機的串行通信設計[J].中北大學學報,2007,28(增刊):63-65.

[10]劉敬彪,琚汝強,省慶華.基于光纜的深海攝像系統的設計與實現[J].電子技術應用,2012,38(3):38-40.