0 引言
隨著工業(yè)和國(guó)防技術(shù)的發(fā)展，潛水設(shè)備在各種應(yīng)用尤其在軍事應(yīng)用上，對(duì)探測(cè)技術(shù)的高、精、尖的要求越來(lái)越高。在各種潛水設(shè)備的技術(shù)發(fā)展中，具有重要意義的潛水器充分的體現(xiàn)了這一點(diǎn)，為了提高潛水器的深潛能力，潛水器都配備有綜合導(dǎo)航顯示控制系統(tǒng)，確保潛水器能夠精確的潛航，順利完成各種水底作業(yè)任務(wù)。由于潛水器的體積和載荷的限制，綜合導(dǎo)航顯示控制系統(tǒng)使用的傳感器必須體積小、重量輕、耐高壓，并且在功能上要能快速、準(zhǔn)確地獲得潛水器的航行參數(shù)。在測(cè)量海水的溫度、電導(dǎo)率、壓力、深度、鹽度、聲速、密度等狀態(tài)參數(shù)方面，SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器能將上述海水的七種狀態(tài)參數(shù)測(cè)量于一體，而且在精度、體積、重量上都能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，是一種非常適合用于潛水器上的傳感器。下面就有關(guān)SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器在潛水器中的數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)行探討，對(duì)其中的傳輸格式不對(duì)應(yīng)，不便于直接傳輸，提出一種可行的設(shè)計(jì)方案和思路，并給出一個(gè)已經(jīng)得到應(yīng)用的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
1 SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器在潛水器中的應(yīng)用
潛水器的綜合導(dǎo)航顯示控制系統(tǒng)主要是應(yīng)用組合導(dǎo)航技術(shù)和信息融合技術(shù)把各個(gè)導(dǎo)航設(shè)備有機(jī)地組合起來(lái)，在不改變各導(dǎo)航設(shè)備的情況下，采用濾波技術(shù)，對(duì)各種導(dǎo)航信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)各種導(dǎo)航信息互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高導(dǎo)航定位精度;通過(guò)對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行集中顯示，集中控制和綜合處理，可以實(shí)現(xiàn)最大限度發(fā)揮每一個(gè)導(dǎo)航信息的作用，實(shí)時(shí)向使用設(shè)備提供全面的、最佳的導(dǎo)航信息。溫鹽深傳感器的作用是實(shí)時(shí)地測(cè)量海水的各個(gè)狀態(tài)參數(shù)，如溫度、電導(dǎo)率、壓力、深度、鹽度、聲速、密度，發(fā)送到綜合導(dǎo)航顯示控制系統(tǒng)，然后顯示出來(lái)或者供其他設(shè)備使用。為了確保潛水器航行安全和打撈搜救任務(wù)的完成，潛水器上的傳感器的測(cè)量必須滿(mǎn)足航行的要求;數(shù)據(jù)的刷新率必須滿(mǎn)足潛水器的要求;所測(cè)量得到的數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定可靠。SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器在這些方面的性能都能達(dá)到，滿(mǎn)足導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。
圖1 SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器
SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器目前在國(guó)外大多在潛水器和潛艇中使用，在國(guó)內(nèi)還很少應(yīng)用。如圖1所示，其外形尺寸為長(zhǎng) 43.69cm，最大高度為13.97cm，最大寬度為10.8cm，重量約2.9kg。SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度非常高，例如溫度范圍在-5到30°C，精確度達(dá)到 0.0001°C，能在水深7000米的高壓情況下也能測(cè)出所需要的精確的導(dǎo)航信息。SBE 37- SI MicroCAT與其它設(shè)備主要根據(jù)NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行串口異步通信，交換數(shù)據(jù)，雙向傳輸。它的外部接口是EIA RS-232，傳輸波特率可選擇，范圍由1200bit/s到38400bit/s。發(fā)送的字符碼制為ASCII碼，測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸?shù)乃俾室部捎奢敵龅膮?shù)選定，每次測(cè)量數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間間隔范圍由1.15秒到22.19秒。
2 SBE 37-SI MicroCAT接口電路的設(shè)計(jì)
SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器的輸出數(shù)據(jù)格式與一般導(dǎo)航設(shè)備的常用格式，例如GPS的數(shù)據(jù)格式：$PASHR,POS,n,……,tt.t，vvvv＊cc[CR][LF],它包含起始符$，數(shù)據(jù)內(nèi)容，代碼和標(biāo)志＊,代碼和cc,數(shù)據(jù)終結(jié)符 [CR][LF]。而SBE 37-SI MicroCAT的輸出數(shù)據(jù)格式?jīng)]有起始符、代碼和標(biāo)志以及代碼和。它還有一個(gè)很大的特點(diǎn)：SBE 37- SI MicroCAT溫鹽深傳感器的輸出有電平保護(hù)作用，當(dāng)它停電后重新通電啟動(dòng)，輸出電平為零，不會(huì)自主的向外發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，必須給它發(fā)一個(gè)激發(fā)信號(hào)（數(shù)據(jù)發(fā)送命令）才能觸發(fā)它。它的觸發(fā)信號(hào)是兩個(gè)回車(chē)換行字節(jié)（即0x0D、0x0A），但不能連續(xù)發(fā)，必須要分兩次間隔兩秒發(fā)出，這樣才能將傳感器觸發(fā)，按照設(shè)定的格式和速率往外發(fā)送數(shù)據(jù)。
為了使溫鹽深傳感器輸出的數(shù)據(jù)格式與常用導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)格式保持一致，必須要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換接口電路，它需要完成的工作有：首先獲得外部指令或自產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)命令發(fā)給傳感器，觸發(fā)傳感器;然后接收外部指令改變SBE 37-SI MicroCAT輸出數(shù)據(jù)的波特率，傳輸數(shù)據(jù)的更新速率;并接收來(lái)自它的數(shù)據(jù)，加上起始符、代碼和標(biāo)志以及代碼和;如果數(shù)據(jù)中有空格，則將空格置換成零;最后將數(shù)據(jù)輸出給綜合導(dǎo)航顯示控制臺(tái)。這樣，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換接口電路一方面要處理控制指令的中斷和實(shí)現(xiàn)改變傳感器的波特率和數(shù)據(jù)更新速率，另一方面還要和傳感器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信。
3 實(shí)際應(yīng)用舉例
由于SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器所提供的RS232數(shù)據(jù)格式與常用的導(dǎo)航設(shè)備數(shù)據(jù)格式不同，不能直接與潛水器綜合導(dǎo)航顯示控制臺(tái)系統(tǒng)現(xiàn)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為了方便通信，本文作者在實(shí)際的工程應(yīng)用中設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換電路板，電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 SBE 37-SI MicroCAT數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換電路板的設(shè)計(jì)
在圖2中，通信控制單片機(jī)一方面負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，將接收到表達(dá)海水的狀態(tài)參數(shù)的ASCII字符轉(zhuǎn)換成數(shù)字類(lèi)型，對(duì)該數(shù)字類(lèi)型進(jìn)行判斷正負(fù)，把相應(yīng)的空格置換成零，再轉(zhuǎn)換為ASCII字符類(lèi)型，添加上起始符$以及每個(gè)數(shù)據(jù)的頭字母（即T、C、P、D、S、V、R），算出$以后所有字符的代碼和，然后將代碼和標(biāo)志及代碼和、回車(chē)符、換行符加上，最后通過(guò)RS232輸出到綜導(dǎo)顯控臺(tái)。另一方面，接收來(lái)自綜導(dǎo)顯控臺(tái)的命令，然后發(fā)送給SBE 37- SI MicroCAT溫鹽深傳感器，對(duì)傳感器的響應(yīng)完完全全地返回給綜導(dǎo)顯控臺(tái)。因此綜導(dǎo)顯控臺(tái)可以隨時(shí)改變溫鹽深傳感器的輸出數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)輸出的間隔時(shí)間以及他的狀態(tài)，又可以接收到通用格式的數(shù)據(jù)。
本實(shí)例的硬件使用的是常用可靠的AT89C51單片機(jī)，AT89C51單片機(jī)是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。
由于程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，為了提高開(kāi)發(fā)效率，不采用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序，而是直接選擇匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序。在可靠性需求高的環(huán)境，串口RS232的編程只使用發(fā)送、接收和地線等三個(gè)信號(hào)線，這樣可以確保數(shù)據(jù)可以在任何時(shí)候都可以發(fā)送和接收，提高可靠性。
如圖3所示的電路，是設(shè)計(jì)完成并在實(shí)際中使用的SBE 37-SI MicroCAT數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換電路。電路設(shè)計(jì)精巧，面積小，安裝方便，信號(hào)線拔插易用。
SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器在空氣中測(cè)量直接出來(lái)的數(shù)據(jù)格式（如果數(shù)據(jù)為負(fù)則多加一位）：
xxx.xxxx,xx.xxxxx,xxxx.xxx,xxxx.xxx,xxxx.xxxx,xxxxx.xxx,xxx.xxxx[CR][LF]
24.7798, 0.00068, -0.310, -0.307, 0.0130, 1496.123, -2.8873[CR][LF]
接口電路接收傳感器（有三個(gè)負(fù)值）來(lái)的數(shù)據(jù)接口所輸出的數(shù)據(jù)（將空格置換為零）：
$Txxx.xxxx,Cxx.xxxxx,Pxxxx.xxx,Dxxxx.xxx,Sxxxx.xxxx,Vxxxxx.xxx,Rxxx.xxxx＊cc[CR][LF]
$T024.7798,C00.00068,P-0000.310,D-0000.307,S0000.0130,V01496.123,R-002.8873＊66[CR][LF]
圖3 SBE 37-SI MicroCAT格式轉(zhuǎn)換電路板
4 結(jié)束語(yǔ)
SBE 37-SI MicroCAT溫鹽深傳感器的性能、體積、質(zhì)量和可靠性都能滿(mǎn)足潛水器中綜導(dǎo)顯控臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，能精確測(cè)量潛水器所需海水的溫度、電導(dǎo)率、壓力、深度、鹽度、聲速、密度等狀態(tài)參數(shù)。由于其輸出的數(shù)據(jù)格式與導(dǎo)航設(shè)備的常用格式不同，無(wú)法直接相接，因此必須在其接口上另接一個(gè)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換電路，才可以得到常規(guī)的數(shù)據(jù)輸出格式，以便更快地開(kāi)發(fā)出通信與數(shù)據(jù)采集軟件，通過(guò)人機(jī)界面完成對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制與通信。本文介紹的實(shí)例系統(tǒng)的軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法比較簡(jiǎn)單，可靠性高，具有廣泛的實(shí)用性。
