摘要：為了在海流測量中更好地使用海流計獲取真實的流速和流向信息，設(shè)計了一種新型的基于傾角法的海流測量儀。該測量儀采用Atmel公司開發(fā)的低功耗、高性能的CMOS型AT89S52單片機，通過串行口與上位機通信，利用VC++6．0友好的設(shè)計界面以及Matlab的繪圖功能，實現(xiàn)對原始采集數(shù)據(jù)大容量存儲、回放處理功能。海流測量儀操作簡單，運行穩(wěn)定，有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：海洋調(diào)查；海流計；傾角法；VC++；Matlab
0 引言
21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，開發(fā)利用海洋資源是解決陸地資源逐漸匱乏的重要途徑，各國政治、經(jīng)濟(jì)、科技也都離不開海洋。為了合理利用開發(fā)海洋資源，努力實現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)利用，需要使用儀器設(shè)備對海洋進(jìn)行調(diào)查、研究。其中，海流作為海洋水文三要素(海浪、海流、潮汐)之一，是海洋調(diào)查中不可或缺的參數(shù)，同時也是物理海洋學(xué)家們非常關(guān)注的海洋要素。掌握流場規(guī)律，可以更好地為國防、海運、漁業(yè)、港建等服務(wù)。
目前，海流的測量包括流速和流向兩個參數(shù)，海流的測量方法根據(jù)所采用的方式和手段分為兩類：漂流浮標(biāo)測流法以及定點觀測法。其中海流計是最常用的測流儀器。海流計從原理上又可分為機械旋槳式海流計、電磁流速計、聲學(xué)多普勒海流計以及剖面海流儀等。國外海流計的研究起步較早，技術(shù)較成熟，1905年瑞典首先設(shè)計制造了厄克曼海流計；挪威生產(chǎn)的安德拉海流計，是目前全世界使用最廣泛的海流計，最大使用深度為6000m；另外，美國生產(chǎn)的S4型電磁海流計，流速準(zhǔn)確度高達(dá)±1cm／s，流向準(zhǔn)確度為±2°。國內(nèi)海流計的研究起步相對較晚，20世紀(jì)50—70年代主要以機械海流計為主，90年代國家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SLLY4—1型深水流速計，最大工作水深4000m。
與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)海流計價格相對低廉，但是穩(wěn)定性、測量精度等方面不及國外，因此市場占有率較低。本文介紹的基于傾角法的海流測量儀可測流速為0～300 cm／s，準(zhǔn)確度為(0．02±1)cm／s，流向為0～360°，準(zhǔn)確度為±2°。它采用低功耗、高性能的CMOS型AT89 S52單片機，通過串行口與上位機通信，利用VC++6．0友好的設(shè)計界面以及Matlab的繪圖功能，對原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、回放。該測量儀操作相對簡單，運行穩(wěn)定，應(yīng)用前景較為廣闊。
1 測量儀原理及設(shè)計
海流是海水大規(guī)模并且相對穩(wěn)定的流動，是海水比較重要的普遍運動形式之一。海流的觀測包括流向和流速兩個參數(shù)。其中，流速是單位時間海水流動的距離，單位為m／s或cm／s；流向是以地理方位角表示的，是指海水流去的方向，單位為(°)；規(guī)定正北為0，順時針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
1．1 工作原理
本文設(shè)計的海流測量儀，是一種新型的基于傾角法的測流技術(shù)。外殼采用封閉式防水鋼結(jié)構(gòu)，主要包括圓柱型儀器倉、導(dǎo)流雙翼、方型框架、重錘4部分。傾角法海流測量儀的外部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
理想狀態(tài)下，如果海水有運動，在導(dǎo)流雙翼的作用下，內(nèi)含傳感器的圓柱型儀器倉繞著x軸旋轉(zhuǎn)；固定儀器倉的方型框架則會繞著x軸轉(zhuǎn)動；倘若流速是固定值，那么圓柱型儀器倉的傾斜方向最終會與流向保持一致；與此同時，由于受到海流的影響，在導(dǎo)流雙翼作用下，圓柱型儀器倉會產(chǎn)生不同程度的傾斜，其傾斜角與流速成一定比例關(guān)系，表達(dá)式如式(1)所示：
式中：V為通過海流測量儀的流速；θt為傾斜角；θ0為無流時的傾斜角；θD為舉、拉中心和測量儀軸之間的夾角；θf為翼弦線和測量儀軸之間的夾角；τ90為無流時使測量儀傾斜90°所需要的扭矩；A為測量儀的區(qū)域(投影到平行測量儀軸的平面上)；LD為從轉(zhuǎn)軸到拉力作用中心的距離；CD為拉力系數(shù)；CL為升力系數(shù)；ρ為海水密度。在實際應(yīng)用中，不但海流會對測量儀產(chǎn)生作用力，還會有多種因素參與其中，因此設(shè)計測量儀的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)充分考慮各個因素的影響，力求將影響減至最低。
1．2 測量儀設(shè)計
本文介紹的傾角法海流測量儀可以實現(xiàn)將采集到的原始海流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、A／D轉(zhuǎn)換、FLASH存儲以及回放處理等功能。測量儀總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
1．2．1 硬件設(shè)計
傾角法海流測量儀選用了Atreel公司制造的低功耗、高性能CMOS型8位單片機AT89S52，它具有8 KB、1 000次擦寫周期的可編程FLASH存儲器。AT89S52單片機是傾角法海流測量儀數(shù)據(jù)接收電路的核心部分，它協(xié)調(diào)和組織其他各模塊的工作。時鐘電路采用美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS12887時鐘芯片，內(nèi)置鋰電池，斷電情況下運行長達(dá)10年不會丟失數(shù)據(jù)，以二進(jìn)制或BCD碼表示時間、日歷。該測量儀采用Atml公司生產(chǎn)的串行接口的可編程閃速存儲器AT45DB161。它擁有17 301 504位主存儲器單元。采用微硅技術(shù)制造的傾角傳感器測量海流流速。它的最大工作角度可達(dá)90°，測量精度一般可達(dá)到0．1°～0．5°。在硬件設(shè)計上通過增加2個低通濾波器并通過數(shù)字濾波來消除海流以外的波動影響。
選用電子方位傳感器測量海流流向，該傳感器具有不受環(huán)境溫度變化和電源變化的特性。溫度傳感器采用的是集成溫度傳感器AD590，傳感器輸出的信號是電流，其抗干擾能力強，可以遠(yuǎn)距離傳輸溫度信號。
由于RS 485通信距離長達(dá)1 200 m，傾角法海流測量儀采用RS 485串行方式進(jìn)行通信。考慮到傾角法海流測量儀中AT89S52單片機接口電路是TTL電平，所以需要經(jīng)過MAX485芯片實現(xiàn)與RS 485標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換工作。同時添加S2-485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)RS 485電平與RS 232電平的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到海流測量儀與上位機之間正常通信。硬件電路板圖如圖3所示。
1．2．2 軟件設(shè)計
上位機軟件采用Visual C++6．0與Matlab 7．1混合編程。Visual C++6．0是微軟推出的一款C++編譯器，將“高級語言”翻譯為“機器語言(低級語言)”的程序，它是一個功能強大的可視化軟件開發(fā)工具。Matlab 7．1是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。傾角法海流測量儀上位機軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。
傾角法海流測量儀上位機軟件包括三部分功能：
(1)通信設(shè)置。利用VC 6．0的MSComm控件設(shè)置串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位；
串口的開、關(guān)控制。傾角法海流測量儀機器編號、工作方式、起停設(shè)置；以及數(shù)據(jù)接收、保存設(shè)置。如表1所示。
(2)數(shù)據(jù)處理。將BCD編碼方式的海流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可被用戶識別的EXCEL文檔，該部分可以對單文件、多文件、全部文件操作。
(3)圖形繪制。利用Matlab 7．1強大的繪圖功能，繪制某段時間內(nèi)流速、流向隨時間變化的二維曲線圖。
傾角法海流測量儀上電后啟動初始化，進(jìn)入接收狀態(tài)，它通過RS 485接口接收上位機發(fā)送的指令，做出相應(yīng)的響應(yīng)，一經(jīng)確認(rèn)進(jìn)入工作狀態(tài)。工作方式分為定時3 min，5 min，30 min采樣間隔，數(shù)據(jù)回放。在每個采樣間隔內(nèi)分別對流速、流向采樣30 s，溫度采樣3 s。如果接收工作方式字有效，方式字設(shè)為采樣，啟動定時器時鐘芯片，開始進(jìn)行采樣管理初始化，分別對海流的流速、流向、溫度數(shù)據(jù)采樣，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。上位機發(fā)送給海流測量儀的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。其中，控制字節(jié)用于上位機對傾角法海流測量儀進(jìn)行工作狀態(tài)的控制；當(dāng)傾角法海流測量儀接收到上位機發(fā)送的指令后，會向上位機發(fā)送返回信號，用來說明控制命令是否執(zhí)行。
由于用二進(jìn)制形式保存文件可以大大節(jié)省存儲空間，所以傾角法海流測量儀將采集的原始海流數(shù)據(jù)保存為8421BCD碼，但是字節(jié)與字符并不一一對應(yīng)，用文本文件打開時，顯示的數(shù)據(jù)為不易識別的亂碼，用戶分析時帶來諸多不便。因此本文設(shè)計了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序。因為8421BCD碼每4位表示1個十進(jìn)制數(shù)，所以可以將包含海流信息的一串BCD碼轉(zhuǎn)換成字符串，按照一定的數(shù)據(jù)格式輸出到Excel文件中。為了使用方便，本文不僅設(shè)計了單文件轉(zhuǎn)換程序，還可以一次處理多個文件，供用戶選擇。關(guān)于數(shù)據(jù)分析處理方法、有效數(shù)據(jù)選取等數(shù)據(jù)處理規(guī)則參照國標(biāo)(GB17378．2—1998)海洋監(jiān)測規(guī)范相關(guān)章節(jié)。
2 實驗與結(jié)論
傾角法海流測量儀不僅從理論上證明了可行性，而且與實踐相結(jié)合，進(jìn)行了大量實驗，圖5為傾角法海流測量儀與安德拉海流計在青島棧橋水域測量數(shù)據(jù)對比圖。實驗證明，該測量儀工作穩(wěn)定，操作簡單，數(shù)據(jù)處理精度較高。傾角法海流測量儀可以實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)為：流速：0～300 cm／s，分辨率：0．2 cm／s，準(zhǔn)確度：2％±1 cm／s；流向：0～360°，分辨率：0．1°，準(zhǔn)確度：±2°；水溫：-5～35℃，分辨率：0．05℃，準(zhǔn)確度：0．1℃；海流測量最大水深為100m。
3 結(jié)語
本文設(shè)計了一種新型的基于傾角方法的海流測量儀。與國外產(chǎn)品相比，該傾角法海流測量儀成本較低、性能良好、運行可靠、操作方便、有較好的推廣前景。
下載文檔
