感應傳輸溫鹽深鏈水上低功耗控制系統設計*

梁津津，姜 飛，張孝薇，吳 晟，鄧 云

(國家海洋技術中心，天津300112)

0 引 言

海水的溫度、鹽度和深度是最基本的海洋水文參數，是研究物理海洋學的基礎［1］。國內外用于海水溫度、鹽度剖面測量的主要儀器是溫鹽深(conductivity temperature depth，CTD)海洋觀測儀［2］，而CTD 鏈在一條鏈上掛載多臺CTD 儀，可同時監測海洋中不同深度處溫度、鹽度變化。感應耦合數據傳輸CTD 鏈是一 種采用感應耦合數據傳輸技術［3］，利用浮標系統［4］中參與錨定系留的塑包鋼纜完成數據實時傳輸的新型CTD 鏈，該種CTD 鏈具有拆裝方便、配置靈活、成本低、可靠性高、易維護等特點［5］，在海洋觀測領域中應用越來越廣泛。

本文針對實際工作需要，設計了CTD 鏈的低功耗水上機控制系統。可以在由電池供電的情況下，靈活控制CTD鏈上多臺水下機的數據采集工作、接收并存儲水下機的數據、同時可以隨時與浮標上位機通信，并具有良好的低功耗性能。

1 感應耦合數據傳輸CTD 鏈概述

感應耦合數據傳輸CTD 鏈由一臺水上機、水上磁環、多臺水下機、塑包鋼纜四個部分組成［6］，如圖1 所示。

圖1 感應耦合數據傳輸CTD 鏈組成示意圖Fig 1 Diagram of CTD chain using inductive coupling data transmission

水上機包括采集控制系統和調制解調模塊，通過感應耦合的方式完成與水下機的通信，通過RS—232 接口實現與浮標上位機的通信，并具備數據存儲功能。本文主要敘述該采集控制系統的設計。

水下機就是用于感應傳輸的CTD 傳感器，包括CTD 傳感器敏感元件、水下磁環、采集控制系統、信號轉換調理模塊、調制解調模塊等，在采集控制系統中有實時時鐘，可以定時采集水下機所在位置的溫度、深度、電導率信息。

水上磁環、塑包鋼纜和位于水下機尾部的水下磁環共同構成了感應耦合數據傳輸鏈路，完成水上機和水下機的感應傳輸通信。

系統對每一臺水下機設定獨立的ID 編號，并且水下機處于全被動的工作方式，水上控制系統協調每一臺水下機的通信過程，每隔相同的周期，依次向水下機詢問數據，水下機根據自身的ID 號碼，回復相應數據。

2 感應耦合數據傳輸CTD 鏈低功耗水上控制系統

水上控制系統作為整個儀器的中樞，控制著儀器各個部分協調工作，起到任務分配、數據交換、通信控制、數據存儲等功能。下面將從硬件設計、軟件設計兩個方面詳細敘述該控制系統的設計過程。

2.1 水上低功耗控制系統的硬件設計

水上控制系統需要控制實現整個儀器的正常工作，為了適應水上控制系統長時間在海上工作的需要，還需著重考慮低功耗的設計。該系統選用TI 公司的集成度高、體積小、且具有超低功耗性能的MSP430F149 作主控芯片［7］，圍繞該芯片搭載設計出相關外圍硬件電路，結構框圖如圖2 所示。

圖2 水上控制系統硬件構成框圖Fig 2 Hardware composition block diagram of seawater control system

為了實現系統的低功耗性能，對各功能模塊的電源設計了靈活的控制電路，使用低功耗的芯片，同時設計高效的任務調度方法，采集過程、數據傳輸過程都采用硬件中斷的方式，使得系統在絕大部分的時間內處于休眠狀態，只有極短的時間醒來并處理工作。這樣就保證系統長期處于低功耗狀態，有效地降低電量消耗。

2.2 水上低功耗控制系統的軟件設計

在系統的軟件設計中，采用模塊化設計方法，大大提高了開發調試的工作效率，也便于今后系統軟件的維護和升級。

利用MSP430 的低功耗特性，可以使系統長期處于休眠狀態(此時系統消耗電流約為8 μA)，只在需要的時候由外部中斷事件(如，接收到上位機命令、實時時鐘到鬧鐘時間等)將其喚醒，執行數據傳輸、存儲等工作，有效地降低系統的整體功耗，提高系統的運行時間。

程序流程圖如圖3 所示。上電后，系統首先完成初始化，根據上次斷電前的工作狀態仍進入相同的工作模式。水上機共有兩種工作模式，分別為調試模式和采集模式，當其處于調試模式時，可以設置系統參數(如，設置系統當前時間、采集周期、重發次數等)和回放TF 卡數據。當其處于采集模式時，會在設定的鬧鐘時間被喚醒，依次向水下機詢問數據，接收并存儲水下機的采集數據，完成所有水下機的數據采集工作后系統又自動進入休眠狀態，等待下一個工作周期。

為了保證感應傳輸的可靠性，引入了重發機制，即在設定的時間內，若是水上機沒有收到正確的水下機數據，則會向該臺水下機重發若干次要數指令。需要注意的是，調制解調模塊采用的是半雙工通信模式，要由單片機控制其發送狀態和接收狀態的切換。

圖3 水上控制系統程序流程圖Fig 3 Program flow chart of water control system

3 功耗分析與性能測試

3.1 水上低功耗控制系統的功耗分析

由于對系統中各功能模塊的電源設計了靈活的控制電路和相應的管理程序，并且各功能模塊在工作時的耗電量也各有差異，使得系統處于不同狀態時消耗的電流并不相同。為了測試系統的低功耗特性，需要對其不同工作狀態下的電流分別進行測試與分析，系統在一個工作周期內處于不同狀態的時間分布如圖4 所示。

圖4 一個工作周期時間分布Fig 4 Time distribution chart in one working period

其中，tcycle為一個周期的工作時間，tstby為在該周期內系統休眠的時間，系統絕大部分時間處于休眠的狀態，twork為在該周期內系統工作的時間，其中包括調制解調模塊處于發送模式的時間tt，調制解調模塊處于接收模式的時間tr。

工作周期的時間、掛載水下機數量的多少、重發次數的多少、超時時間的長短、感應傳輸通信的質量等都會對系統的耗電量產生影響。在此設工作周期為1 h，CTD 鏈上掛10 臺水下機，重發次數為3 次，超時時間為1 s，在該狀態下由數字萬用表測試不同時間段的電流，共測量5 次，計算平均值如表1 所示。

表1 系統在一個工作周期處于不同狀態的時間和電流Tab 1 Time and current of system under different state in one period

由表1 計算出系統一個工作周期耗電量約為

可以看到應用低功耗設計后，在休眠時間(占系統工作周期中的絕大部分)的電流保持在了很小的μA 級，有效地降低了系統的整體功耗。根據實際應用中可能掛載更多的水下傳感器和可能出現的更多的重發次數等，在此選擇了具有更大容量19 Ah 的電池，保證該系統在以1 h 為周期的情況下工作1 年的需求。

3.2 水上低功耗控制系統的性能測試

用該系統與2 臺水下機和水上磁環搭建出完整的調試儀器，在實驗室環境下進行了1 個月的拷機測試，可以實時地從上位機中讀取當前采集的CTD 數據，并在TF 卡中得到了該段時間的全部測試數據，表現出較好的穩定性，實現了既定功能。從TF 卡中截取了某一天下午的測試數據，如表2 所示，可以看到水上控制系統完整地獲得了兩臺水下傳感器當天下午的CTD 數據，并存儲到了TF 卡中。

4 結 論

本文對感應耦合數據傳輸溫鹽深鏈作了整體介紹，并設計了以MSP430 為核心的低功耗水上控制系統，特別針對水上系統的長時間海上工作的實際應用情況，通過靈活的電源控制電路和高效的管理程序進行了低功耗設計。在實驗室環境下測試分析結果表明:該系統運行平穩，并在降低功耗方面有較好的性能，大大提升了感應耦合數據傳輸溫鹽深鏈的使用時間。經過簡單移植，它也可以應用于很多其它自容式儀器，實現數據實時傳輸的功能。

表2 一部分拷機數據Tab 2 Part of test data

［1］ 劉雪堂.海水鹽度測量技術［M］.北京:海洋出版社，1991:1－12.

［2］ 蘭 卉，林玉池，賈文娟，等.感應式低電導率傳感器設計［J］.傳感器與微系統，2012，31(10):78－80.

［3］ 鄧 云，王 欣.新型感應耦合傳輸式溫鹽深鏈［J］.氣象水文海洋儀器，2008，9(3):1－4.

［4］ 李紅志，鄧 云.海洋專用CTD 單芯電纜傳輸技術研究［J］.海洋技術，2005，24(3):30－35.

［5］ 邵 毅，李建國，李家順，等.輕型感應耦合數據傳輸溫鹽鏈系統［J］.海洋技術，2009，9(3):36－39.

［6］ 鄧 云.感應耦合數據傳輸技術及其在海洋領域的應用研究［D］.天津:天津大學，2009.

［7］ 沈建華，楊艷琴.MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理及應用［M］.北京:清華大學出版社，2004:1－32.