深海垂直剖面潛標控制系統設計

蔣平 熊莉利

摘 要：設計并實現了一種基于STM32嵌入式系統的深海垂直剖面潛標的控制系統，通過合理的功能分配、可靠的硬件設計和高效的軟件實現，使整個控制系統具有低功耗、高可靠的特點。實驗數據表明，該控制系統實現了對潛標的自動下潛、定點測量、應急上浮等狀態控制，完成了對深海垂直剖面海洋要素的實時監測。

關鍵詞：STM32；控制系統；實時監測

0 引言

對于深遠海區的海洋監測而言，獲取溫、鹽、深和海流等動力參數是開展海洋開發研究與軍事海洋學研究的重要基礎。海洋環境監測和資源調查中，經常需要對海洋動力環境進行長期、定點、實時、立體監測，進行海洋水體中不同剖面參數（如溫度、鹽度、流速和光學特性量）的測量，并具備在惡劣環境下實現無人值守的全天候長期連續定點觀測的能力。傳統的海洋監測平臺，需要建立海洋觀測站，或通過海洋調查船來投放并保證運行，需要大量的人力、物力和財力。而傳統的海洋監測潛標，通常只能采用多個傳感器在離散的幾個層次上采樣，不能實現連續剖面觀測，系統運行、維護的成本高，回收難度較大。

深海垂直剖面潛標是一種具備自動升降功能的新型海洋監測系統，采用浮力調節方式控制平臺升降，可沿系留鋼纜任意移動、進行剖面溫度、鹽度、海流數據的長時、循環采集，可根據需求搭載溫、鹽、深、海流等多種傳感器，同時可通過擴展接口，利用水聲通訊機、衛星通訊進行數據的實時傳送。這種新型潛標突破了傳統潛標使用的溫鹽鏈，用單一平臺就可以實現全通道的數據監測，實現大深度（1500m）、長時間（不少于1年）、多剖面（200個剖面）的觀測數據的采集和存儲，大大降低了潛標觀測的使用成本，是一種高效、全天候的無人值守海洋環境觀測系統。深海垂直剖面潛標系統為區域性海洋立體監測系統提供一種高效、經濟、安全、隱蔽的測量方法，在我國海洋學研究、軍事海洋學研究、海洋工程建設領域具有良好的應用前景，大大提高我國的海洋觀測能力。

1 系統組成

在深海垂直剖面潛標系統中，升降平臺是整個系統的“中樞”，為了進行大深度、長時間、多剖面的海洋數據觀測，以及大容量的數據采集和實時傳輸，實現可靠、穩定和低功耗的工作。升降平臺上主要的功能組件有：綜合控制系統、浮力調節裝置、剎車機構、水聲通訊機、預置器、水文測量儀器、深度傳感器、SD存儲器等，以及為整個平臺提供能源的電源系統，其系統結構圖如圖1所示。

2 綜合控制系統功能

根據升降平臺系統結構，潛標綜合控制系統應具備的功能如下：

（1）根據預置器預置的工作參數，進入相應的工作流程；

（2）根據深度傳感器數據來判斷所處的海區深度，作為切換潛標升降模式切換、調節浮力和調整潛標在垂直剖面上運行速度的依據；

（3）控制浮力調節裝置，通過驅動浮力調節電機轉動方向和電磁閥通斷來調整整個潛標系統的浮力配置，實現潛標升降模式和速度調節；

（4）控制剎車機構，使潛標懸停在指定的剖面；

（5）設置和使用水文測量儀器，接收并存儲測量儀器采集到的海洋監測數據；

（6）與SD存儲器進行大容量的數據交換；

（7）通過與水聲通訊機數據交換，將海洋監測數據和潛標工作數據實時傳輸到主浮體，再通過衛星終端轉發至岸站系統，實現數據的實時傳輸。

3 硬件電路設計

根據綜合控制系統應具備的功能，按其所需的硬件電路功能劃分，包括嵌入式芯片電路、通信電路和驅動電路。

嵌入式芯片電路是整個綜合控制系統的中樞，選用的是應用較為成熟的STM公司的STM32F107嵌入式芯片，該型擁有5個可編程USART和2個16通道12位的AD轉換器，自帶SPI、CAN等總線接口，并支持在線編程和調試，為綜合控制系統外圍電路提供了充足的硬件資源，加上其高性能、低功耗的特性，完全滿足綜合控制系統的使用需求。

驅動電路包括“電機驅動”和“控制驅動”兩個部分。“電機驅動”電路部分的功能是對潛標浮力調節裝置和剎車機構所使用到的電機進行驅動，為降低綜合控制電路的復雜程度、確保電機長時間工作的可靠性，該部分根據電機的功能特性，選用了瑞士MAXON公司成熟的電機驅動器集成模塊方案——“EPOSE2 70/10”電機智能位置控制單元，該型電機驅動模塊在其額定功率下可驅動多種DC和EC電機，能可靠實現電機數字式“位置、速度、電流/轉矩”控制，是電機驅動理想的選擇。

4 系統軟件實現

綜合控制系統軟件采用C語言編寫，編譯環境為KEIL UVISION 4，在軟件實現方面，因為基于STM32的嵌入式芯片是面向應用層的成熟芯片，具有功能齊全的庫函數，因此在USART通信、AD轉換、SPI等軟件接口均可直接調用庫函數，經過簡單的配置就可實現軟件功能，在SD存儲等可通過“IFAT”函數移植，同時，可以通過移植“uC/OS2”等嵌入式實時操作系統來進一步提高軟件效率。

5 試驗結果

試驗結果表明，綜合控制系統經過長時間多個剖面的工作，工作水深200到1700米，滿足潛標平臺工作水深指標，在綜合控制系統的作用下，浮力調節裝置、剎車機構等執行機構以及水聲通訊機、水文測量儀器等設備工作正常、可靠，未出現故障，整個潛標系統按既定流程垂直上浮、下潛，同時進行有效的水文數據采集和水聲通訊傳輸，可有效進行海洋監測，滿足深海垂直剖面潛標的系統設計需求。

6 結束語

隨著我國海洋科研的發展，我國海洋科研對往復式溫鹽流剖面儀的需求將不斷增長，不僅僅在的近海和大洋觀測，還將在海洋、氣象、氣候、海軍、石油、航運等行業發揮重要的作用。

參考文獻

[1] 劉素花，龔德俊，等.基于單片機的海洋環境監測系統的控制電路設計[J].海洋科學.2009.（8）：67-71.

[2] 鄧云，姜飛，等.實時傳輸潛標平臺中的深海海流觀測系統設計[J].氣象水文海洋儀器.2012.12：69-72.