拋棄式海水溫度測量儀數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出一種拋棄式海水溫度測量儀數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。針對傳輸信道距離長，波形畸變大的特點(diǎn)，采用頻率調(diào)制的方法克服傳輸信道自身和海洋環(huán)境的不利條件。系統(tǒng)選用單片調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B對信號進(jìn)行FSK調(diào)制和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了水下探頭和水面控制單元的通信。采用低功耗的MSP430單片機(jī)作為運(yùn)算處理器，軟件設(shè)計(jì)上充分利用其多種低功耗工作模式，降低了系統(tǒng)的功耗。
關(guān)鍵詞：海水溫度測量；拋棄式探頭；FSK調(diào)制；低功耗

0 引言
    溫度、鹽度等海洋水文環(huán)境參數(shù)的獲取日益重要。拋棄式溫探測系統(tǒng)是快速獲取大面積海域溫度剖面資料的儀器，為海洋調(diào)查、科學(xué)研究、軍事應(yīng)用提供了先進(jìn)的測量手段。國外發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)60年代開始，研制了機(jī)載可拋棄式海洋水文探測系統(tǒng)，其系列產(chǎn)品(已有溫、鹽、深、流)主要應(yīng)用于美國海軍，能夠在一次任務(wù)航線上，利用同一種探測平臺快速獲取遠(yuǎn)海目標(biāo)海域的多要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是至今機(jī)動性最好的遠(yuǎn)?，F(xiàn)場探測手段。其優(yōu)點(diǎn)是：海洋水文要素獲取的機(jī)動性強(qiáng)；遠(yuǎn)海探測成本、信息獲取的機(jī)動性、實(shí)時(shí)性均顯著優(yōu)于船載系統(tǒng)。美國海軍使用的機(jī)載投棄式溫度計(jì)利用熱敏傳感器測量海水剖面溫度，溫度準(zhǔn)確度達(dá)0．5℃。我國國家海洋局海洋技術(shù)研究所于1998年自主研制了機(jī)載投棄式溫深浮標(biāo)，溫度準(zhǔn)確度達(dá)±0．2℃。
    新型遠(yuǎn)海機(jī)動水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(NMOHEMS)通過采用無人機(jī)機(jī)載方式，將多枚被投擲單元投放到目標(biāo)區(qū)域，然后由被投擲單元受控釋放測溫探頭，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、同步獲取海水剖面溫度的信息。

1 NMOHEMS被投擲單元的構(gòu)成和工作原理
    NMOHEMS被投擲單元由被投擲單元主體和探頭組成，如圖1所示。探頭位于水下，包括數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)發(fā)送單元。數(shù)據(jù)采集單元完成海水剖面溫度的測量和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)發(fā)送單元將測量數(shù)據(jù)經(jīng)信號傳輸線發(fā)送到被投擲單元主體。被投擲單元主體位于水面，包括數(shù)據(jù)接收單元和控制處理單元。數(shù)據(jù)接收單元接收由水下探頭發(fā)送的溫度測量數(shù)據(jù)，控制處理單元負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的控制和與地面主站的聯(lián)系。

    被投擲單元由無人機(jī)攜帶，抵達(dá)目標(biāo)海域后投放，通過降落傘放慢下降速度，當(dāng)觸及海面時(shí)降落傘自動脫落。當(dāng)被投擲單元接收到測量控制信號時(shí)，探頭開始下沉測量海水剖面溫度。探頭內(nèi)的數(shù)據(jù)采集單元采用低功耗、高性能、多外設(shè)的MSP430單片機(jī)作為微處理器同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集和處理任務(wù)，使用靈敏度高、響應(yīng)速度快的NTC熱敏電阻作為溫度傳感器以獲得海水溫度。探頭在測量溫度的同時(shí)將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到被投擲單元的主體，然后由控制處理單元通過流星余跡的通信方式將數(shù)據(jù)傳回地面主站。
    探頭與被投擲單元主體的通信為有線傳輸，傳輸信道處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，傳輸性能的好壞直接影響到測量結(jié)果的有效性和完整性，因此數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的。

2 傳輸信道的特性
    溫度測量過程中，被投擲單元要將測溫探頭釋放到水下1 000 m左右，二者使用信號線連接。系統(tǒng)采用1 000 m長，0．1 mm線徑的聚氨酯漆包線。由于線徑很細(xì)，傳輸導(dǎo)線的直流電阻很大，線間電容和等效電感的數(shù)值也很大，并且隨著線軸展開，傳輸信號的波形畸變較大，使數(shù)據(jù)在傳輸過程中產(chǎn)生嚴(yán)重衰減和形變。
    除了傳輸介質(zhì)自身對信號傳輸?shù)牟焕绊懲?，海洋環(huán)境噪聲的影響也是不容忽視的。海洋環(huán)境噪聲對于信號的干擾是很明顯的，噪聲的組成復(fù)雜，與海域的地理位置、探頭的深度、周圍船只都有關(guān)系。根據(jù)產(chǎn)生的原因可以分為以下幾類：
    (1)海洋動力噪聲。與海水的流動有關(guān)，包括海浪噪聲、雨噪聲等。
    (2)交通噪聲與工業(yè)噪聲。是人為產(chǎn)生的噪聲，包船只噪聲、海上油田噪聲。
    (3)地震噪聲。由地震、火山、海嘯等自然現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲。
    綜上所述，對此傳輸距離長、幅度衰減和波形畸變嚴(yán)重且信道參數(shù)快速時(shí)變的不利條件，需采取方法使信號適合在信道上傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對傳輸信號進(jìn)行調(diào)制處理，采用FSK調(diào)制，可以克服傳輸距離長、信道參數(shù)快速時(shí)變等不利條件導(dǎo)致的信號衰減、形變，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />
3 系統(tǒng)硬件電路
    系統(tǒng)采用日本OKI公司的可編程異步頻移鍵控調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制和解調(diào)。它具有體積小、功耗低、溫度適應(yīng)范圍廣、外圍元件少、有較寬的電壓工作范圍等特點(diǎn)，使用和調(diào)試也很方便。MSM7512的基本特征是：符合ITU2T V．23規(guī)則，半雙工工作方式，1 200 b／s；具有75 b／s的反向傳輸信道；3～5 V電源工作范圍；低功耗，工作模式25 mW(VDD=5 V)，9 mW(VDD=3 V)，節(jié)能模式100 μW；內(nèi)置混合阻容回路；內(nèi)置模擬回路環(huán)自檢功能；內(nèi)置3．58 MHz晶體振蕩回路；數(shù)字輸入／輸出接口與TTL電平兼容。1 200 b／s可以滿足探頭和被投擲單元主體之間的數(shù)據(jù)傳輸要求；3 V的工作電源與數(shù)據(jù)采集單元相同，簡化了電源電路；低功耗特性適用于系統(tǒng)的工作環(huán)境；TTL電平方便與單片機(jī)接口。
    MSM7512B的引腳MOD1和MOD2為工作方式選擇端，可選擇四種工作方式。方式一和方式二的工作狀態(tài)如表1所示。方式三(MOD1=0，MOD2=1)為自環(huán)測試模式，此模式下MSM7512B的發(fā)送端與接收端內(nèi)部相接，發(fā)送濾波器、接收濾波器都與同一個(gè)信道相連。測試時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)與接收數(shù)據(jù)一致。方式四(MOD1=1，MOD2=1)為節(jié)能模式。

    系統(tǒng)工作在方式一模式下。為測試信道的頻率幅度特性，使用信號發(fā)生器模擬MSM7512B的發(fā)送頻率信號，通過1 000 m導(dǎo)線后用示波器接收，3 V電源測量結(jié)果如下：信號頻率2 100 Hz時(shí)，示波器顯示3．26 V，信號頻率為1 300 Hz時(shí)，示波器顯示3．14 V，可以看出信號幅度基本不變，理想狀況下可由MSM7512B芯片直接連接傳輸信道。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，有動力噪聲、環(huán)境噪聲、地震噪聲等各種干擾因素，可在信道兩端增加信號放大器。
    MSM7512B支持TTL電平，可與MSP430單片機(jī)直接相連，接口電路如圖2所示。

    數(shù)據(jù)接收端“RD”和數(shù)據(jù)發(fā)送端“XD”與MSP430單片機(jī)串行通信模塊USART接口相連，實(shí)現(xiàn)與MSP430單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。由MSP430單片機(jī)的I／O口輸出控制電平控制MSM7512B的工作方式選擇、載波檢測、信號使能以及環(huán)路自檢功能。X1和X2之間內(nèi)置了1 MΩ的反饋電阻，同時(shí)X1和X2對地分別接了一個(gè)近似10 pF的電容，3．58 MHz的晶體振蕩器可直接與X1和X2引腳相連。接收端“AI”和發(fā)送端“AO”通過2．2μF的電容與外部信號相連，電容起到通交流隔直流的作用。與電源相連的“VDD”端通過去耦電容接地，消除交流分量。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部的USART0模塊實(shí)現(xiàn)串口通信。數(shù)據(jù)傳輸程序采用中斷方式，主程序和中斷服務(wù)程序的流程圖如圖3所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化；然后設(shè)置串口參數(shù)，主要設(shè)置通信波特率和通信模式；最后進(jìn)入低功耗狀態(tài)等待中斷發(fā)生。當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元完成測量時(shí)產(chǎn)生中斷，發(fā)送測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)處于低功耗工作模式，MSP430單片機(jī)的低功耗工作模式耗電量非常低，有效降低了系統(tǒng)的功耗。

    數(shù)據(jù)傳輸主程序如下：
   
   

5 結(jié)語
    NMOHEMS探頭和被投擲單元主體通過長距離的有線信道進(jìn)行通信。系統(tǒng)采用MSM7512B調(diào)制解調(diào)芯片對傳輸信號進(jìn)行FSK調(diào)制，可以克服傳輸信道自身和海洋環(huán)境的不利條件導(dǎo)致的信號衰減、形變，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。MSP430單片機(jī)和MSM7512B調(diào)制解調(diào)芯片均為低功耗芯片，軟件設(shè)計(jì)充分利用MSP430的低功耗模式，降低了系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路簡單，易實(shí)現(xiàn)，可以推廣應(yīng)用到其他拋棄式測量系統(tǒng)的通信中。