便攜式讀數裝置的研發

龐麗麗 董翰川 史 云 馮建華

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

地下水是人類生存和發展的重要資源，但是對地下水的不合理開發導致了許多不良后果。為了保護地下水資源，進行地下水動態監測成為目前的主要任務。地下水動態遠程監測系統是專門用于地下水監測管理的設備，對地下水的水位和水溫的動態變化進行長期自動監測，實現地下水動態數據的自動采集、存儲、傳輸和遠程管理。測量數據自動保存在儀器內部的存儲單元內，可定期通過GSM公共服務網，將監測數據傳入終端管理平臺并完成監測數據和監測設備的動態管理，極大地方便了監測部門進行遠程監控。

地下水遠程監測系統包括監測數據無線通信主機(以下簡稱通信主機)、水位計(或傳感器)和配套軟件。便攜式讀數裝置是地下水動態遠程監測系統的配套系統，完成野外數據的現場讀取和對系統參數的配置。整個裝置采用模塊化設計，主要有串口轉換模塊、低電壓指示模塊和電源轉換模塊。數據采集系統可以采集模擬量和數字量數據，并根據通信協議將數據混合編幀，然后依次輸入存儲器保存。當需要讀取數據時，與PC機連接在其控制下從存儲器讀取，然后通過USB通信總線傳到PC機，此種工作模式適合于對實時性要求不高的場合[1～5]。對于實時性要求高的場合，需要上位機及時處理數據，因此開發一種現場讀數裝置直接與PC機相連，對于數據的實時采集與存儲有非常重要的意義。

讀數裝置的硬件主要由3部分構成，如圖1所示。串口轉換模塊用于實現計算機設備的串口擴充，完成工業現場數據的采集，筆者采用芯片MAX3232和SN65hvd08完成其轉換功能；低電壓指示模塊用來監測供電電壓，當供電電壓小于額定值時指示燈亮；電源轉換模塊將3.6V干電池電壓升到需要的工作電壓，其輸出電壓可調。

圖1 讀數裝置硬件結構框圖

2 硬件電路

便攜式讀數裝置硬件電路部分由串口轉換電路、欠壓指示電路和電源轉換電路組成。

串口轉換電路采用MAX3232和SN65hvd08芯片完成轉換功能，MAX3232收發器用雙電荷泵在3.0～5.5V電源供電時實現RS-232性能，器件僅需4個0.1μF外部小尺寸電荷泵電容，封裝采用節省空間的TSSOP。SN65hvd08的工作電壓在3～5V，休眠耗電小于90mV，與標準ANSI TIA/EIA-485兼容，用于與主機連接的遠程數據和多條數據總線獨立傳輸以及工業過程控制網。

電源轉換電路采用LM2731芯片，其工作電壓2.7～14.0V，輸出電壓5～17V，最高達20V；輸出電流1.8A，功耗很低，靜態電流1～2mA。內置斜率補償電路，有節能控制功能，在待機狀態整個變換器的耗電電流1μA，因而可以延長電池的使用壽命。低功耗對于整個裝置的研發具有重要意義，同時支持先進的電流模式控制，在寬電壓輸入范圍內具有良好的負載調整率，可消除音頻和電子噪聲。帶有過熱、過流和欠壓保護功能，熱關閉門限150℃，工作溫度-40～125℃。野外工作環境惡劣，對于儀器芯片的選擇具有較多的要求，該種電源芯片適用于野外環境。

欠壓指示電路部分采用MAX1674芯片，當電壓小于額定值時，指示燈閃爍。升壓式DC-DC電源轉換器常態下的工作效率為94%，輸入電壓范圍較寬(0.7～5.5V)，輸出電壓可設定為5.0V，允許的輸出電流達到500mA。

裝置硬件設計的難點在于RS-232與RS-485通信接口轉換電路和欠壓監控指示電路。欠壓監控指示電路如圖2所示，在本次設計中，通過選擇配比電阻，當MAX1674的LBI輸入端低于2.5V時LBO端輸出低電平，發光二極管點亮?？梢酝ㄟ^更改R3與R5的電阻比值調節低電壓，2.5V電壓值作為臨界值，根據輸入電壓值Vin反算出R3和R5電阻值，本電路電阻值采用250kΩ。

圖2 欠壓監控指示電路

野外現場采集設備為RS-485，因此需要RS-232和RS-485轉換電路實現讀取功能，通信接口轉換電路如圖3所示，SN65hvd08的A和B連接采集器，MAX3232通過DB9與計算機連接完成讀數[6,7]。

圖3 串口轉換電路

此模塊的設計對于野外現場數據的采集有重要作用，通過低壓監測保證數據讀取完整，防止數據因供電不足而丟失。串口轉換部分的DB9接口可以與計算機直接進行通信，將設備存儲的數據直接讀取至計算機。圖3中的通信線纜和電路板采用防水裝置進行保護，防止水汽和沙塵損失儀表。

實驗室通過調試助手進行讀數裝置的調試，輸入字符串01 11 C0 2C返回測試的結果如圖4所示，其中輸入命令01代表COM1口，11代表所用傳感器的固有信息，C0 2C代表CRC16位校驗。從圖4的返回命令可以看到數據傳輸穩定而有效。

圖4 In-Situ水位傳感器調試結果

3 結束語

便攜式讀數裝置成功應用于黑河流域重點地區水文地質調查項目，現場實時讀取數據，直接與計算機相連；同時在南水北調工程沿線地下水遠程動態自動監測中也發揮了很好的作用，研制的便攜式讀數裝置，對于野外工作數據實時讀取提供了一種新的方法；欠壓指示為野外數據讀取提供了保障，很好地解決了因供電不足導致的數據丟失，保證監測數據的完整性。讀數裝置的外觀進行了防水防塵設計，能更好地適用于野外環境惡劣地區。

[1] 張淳,徐世杰,王一鳴.RS-485總線轉USB接口微模塊研制[J].電力自動化設備,2006,26(5):70～74.

[2] 史云,馮蒼旭.地下水動態監測技術現狀與發展[C].2010地下水資源配置與優化調度及污染防治技術研討會論文集.昆明: 中國水利技術信息中心,2010:133～135.

[3] 史云,錢東平,呂長飛.基于智能網絡傳感技術的地下水動態監測系統[J].農業工程學報,2008,(z2):68～71.

[4] 馮蒼旭,史云,陳實,等.用掉電方式解決長期監測儀器的功耗問題[J].水文地質工程地質,2000,(3):57～58.

[5] 徐玲,宋文龍,崔浩.利用高精度AD976實現的數據采集系統[J].自動化技術與應用,2005,24(11)：69～71.

[6] 焦華.國外地下水監測系統[J].工程勘察,1990, (6):35～39.

[7] 施湧潮,梁福平,牛春暉,等.傳感器檢測技術[M].北京:國防工業出版社,2007:67.