《電子技術(shù)應用》
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時間序列沉積物捕獲器控制系統(tǒng)設計
2016年電子技術(shù)應用第11期
于海濱1，2,，盛旭鋒1，余小非1
1.杭州電子科技大學 電子信息學院,，浙江 杭州310018,；2.杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州310018
摘要： 針對海洋沉積物在海洋多領域研究中的應用,，設計了一種時間序列沉積物捕獲器控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)以MSP430處理器為核心，結(jié)合時鐘芯片,、步進電機及各種傳感器,，實現(xiàn)了捕獲器在海底一年自動定時收集沉積物，并記錄運行狀況信息的要求,。經(jīng)測試,，該設備工作穩(wěn)定可靠，滿足了設計要求,。
中圖分類號： TP273
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.011
中文引用格式： 于海濱,，盛旭鋒，余小非. 時間序列沉積物捕獲器控制系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù)應用,，2016,，42(11)：46-48，55.
英文引用格式： Yu Haibin,，Sheng Xufeng,，Yu Xiaofei. The development of time series sediment trap control system[J].Application of Electronic Technique，2016,，42(11)：46-48,，55.
The development of time series sediment trap control system
Yu Haibin1，2,，Sheng Xufeng1,，Yu Xiaofei1
1.School of Electronic & Information，Hangzhou Dianzi University,，Hangzhou 310018,，China； 2.School of Communication Engineering,，Hangzhou Dianzi University,，Hangzhou 310018，China
Abstract： According to the application of sediments in the research of deep sea,this paper designed a kind of time series sediment trap control system. This system used MSP430 microprocessor, combined with the clock chip, stepper motor and sensors,realized the equipment working under water for a year,and recorded the running status information simultaneously. The test result shows that the system runs steadily,and meets the design requirement.
Key words : sediment trap,；MSP430,；low power consumption,；automation

0 引言

    海洋顆粒物質(zhì)在其形成、變化和沉降過程中記錄了許多生物活動以及物理,、化學作用的信息,，因此它對顆粒物質(zhì)通量研究、海洋沉積學研究,、全球變化研究及海洋環(huán)境檢測研究都具有重要意義[1],。最早的沉積物捕獲器只能采樣單一時間內(nèi)的沉降顆粒，若想獲得具有時間分辨率的樣品,，需要多次投放,，耗時耗力。而時間序列沉積物捕獲器是一種沉放在水中一定深度,，按照預先設置的工作程序自動定時收集水中沉降顆粒物質(zhì)[2]的采樣設備,，其收集到的樣品既有準確的時間，又有準確的數(shù)量,，還有很高的時間分辨率,，所以成為了海洋沉降顆粒收集的重要手段。由于該設備最長需要在水下工作一年,，所以低功耗控制和設備冗余性設計是研究難點,。

1 系統(tǒng)工作原理

    捕獲器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機通過RS232串口與控制倉通信,，設定工作周期,、投放位置（經(jīng)緯度）、投放時間,、工作站位號,。入水后設備自動工作，收集瓶保存漏斗收集到的海底沉降顆粒物質(zhì),，經(jīng)過預設的工作周期后,，控制倉通過步進電機控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一定角度，完成收集瓶的切換,，磁性開關檢測收集瓶位置是否旋轉(zhuǎn)到位,。假如旋轉(zhuǎn)到位，控制倉控制溫度,、傾角傳感器工作并保存接收到的檢測信息,，之后進入休眠模式。反之,，控制倉控制步進電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動,。設備工作結(jié)束回收后，上位機再次和控制倉通信,，導出存儲的工作狀態(tài)信息,。通過收集瓶切換這個過程，使不同的收集瓶保存著不同時間段內(nèi)收集到的海底沉降顆粒,，這種具有時間分辨率的樣品對海洋各領域的研究都有重大價值,。

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    系統(tǒng)設計要求如下：

    （1）捕獲器可以在水下采樣數(shù)天到數(shù)周，最長工作時間為一年,。

    （2）設備運行穩(wěn)定,，收集瓶按照預設時間自動切換，工作狀態(tài)信息記錄完整,。

2 系統(tǒng)硬件設計

    系統(tǒng)的硬件設計如圖2所示,，主要包含主控模塊、傳感器模塊,、時鐘模塊,、步進電機驅(qū)動模塊和電源。

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    由于本系統(tǒng)對功耗控制有嚴格要求,，所以選擇了美國德州儀器公司的16 bit超低功耗單片機MSP430F149作為主控模塊處理器[3],。它的工作電壓為1.8 V~3.6 V，正常工作模式下電流為280 μA,，還具有五級節(jié)電模式,，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。從待機模式下恢復工作,，只需要不到6 μs時間,。另外它還有豐富的片上外圍模塊，有精密硬件乘法器,、一個14路的12 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器,、USART和SPI通信端口、2個16 bit定時器支持PWM輸出等功能[3],，完全能滿足本系統(tǒng)設計的資源及功耗要求,。

    沉積物捕獲器在海流或波浪的影響下發(fā)生傾斜，在一定程度上將會導致高估或低估實際沉降通量,。因此,，需要根據(jù)儀器的傾斜參數(shù)進行校正[4]：

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式中，F(xiàn)為校正后的沉降通量,，F(xiàn)T為實際沉降通量,，θ為傾斜角度，ΔT為采樣間隔,。

    傾角傳感器采用的是MPU6050模塊,，該模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法,，能夠在動態(tài)環(huán)境下準確輸出模塊的當前姿態(tài),，精度達0.01°,。采用高精度陀螺加速度計MPU6050，通過處理器讀取MPU6050的測量輸出,，通過串口輸出,。因此，通過串口可以直接讀取到所需的X,、Y方向的傾角值,。溫度傳感器選用DS18B20，具有體積小,、硬件開銷小,、抗干擾能力強、精度高的特點,，僅需要一條口線即可實現(xiàn)與微處理器MSP430的雙向通信,。

    位置檢測由SMC磁性開關D-Y7PW完成，它是利用磁場信號來控制的一種開關元件,。如圖3所示,，當樣品瓶旋轉(zhuǎn)到位（狀態(tài)A），磁性開關和樣品瓶的距離小于觸發(fā)距離,，磁性開關發(fā)送電信號給MSP430,。若沒有旋轉(zhuǎn)到位（狀態(tài)B），兩者距離大于觸發(fā)距離,，MSP430無法檢測到磁性開關的電信號,，一段時間后，MSP430控制電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn),，直到檢測到到位信息,。

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    時鐘模塊選用的是PHILIPS公司的PCF8563多功能時鐘/日歷芯片，具有寬電壓和低功耗的特點,。它采用I2C串行總線,，最大傳輸速度為400 kb/s，提供一個可編程時鐘輸出和一個中斷輸出,。后者用來喚醒處于待機狀態(tài)的MSP430,。

    電機驅(qū)動采用減速步進電機齒輪傳動方式，驅(qū)動器型號SD366,。SD366三相混合式步進驅(qū)動器采用伺服原理工作,，輸入電壓18 V~60 V DC，最大驅(qū)動相電流6.0 A,，采用脈沖“+”方向以及雙脈沖信號對步進電機進行控制,，具有性能穩(wěn)定可靠、發(fā)熱量小等優(yōu)點。

    捕獲器電由艙內(nèi)鋰錳電池組提供,，單節(jié)電壓為3.0 V,。在水下工作過程中供電機驅(qū)動由7節(jié)電池串聯(lián)后得到21 V電源提供。微處理器和各傳感器所需3.3 V電源可由電池組經(jīng)降壓后提供,。

3 系統(tǒng)軟件設計

    本系統(tǒng)軟件設計包括主控程序,、電機驅(qū)動程序和傳感器數(shù)據(jù)采集3個部分。軟件流程圖如圖4所示,。

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3.1 主控程序

    （1）系統(tǒng)初始化

    包括關閉看門狗定時器,，以及系統(tǒng)時鐘,、I/O口,、ADC、中斷,、時鐘芯片初始化和串口配置,。

    （2）設定工作模式

    MSP430接收到串口中斷后，提取上位機發(fā)送數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容,，將當前時間通過I2C總線寫入PCF8563內(nèi)存地址02H~08H時鐘計數(shù)器中,。將工作周期寫入內(nèi)存地址0FH的計數(shù)器和0EH的控制寄存器，8位計數(shù)器中存放的是定時器倒計數(shù)數(shù)值,，控制寄存器用于設定定時器時鐘源（4 096 Hz,、64 Hz、1 Hz或1/60 Hz）,。

    （3）低功耗模式

    在完成工作模式設定后,，處理器需要進入低功耗模式，直到時鐘芯片或串口發(fā)送中斷喚醒,。MSP430一共有LPM0~LPM4 5種低功耗模式,。由于串口時鐘需要用到ACLK時鐘，所以選擇僅ACLK時鐘處于工作狀態(tài)的LPM3模式,。

3.2 電機驅(qū)動

    SD366驅(qū)動器的脈沖時序圖如圖5所示,。T1取值要大于5 μs，表示方向信號要先與脈沖信號建立,，滯后于脈沖信號消失,；T2表示有效電平寬度，要大于2 μs,；T3表示無效電平寬度,，要大于2 μs；T4表示電機轉(zhuǎn)動前,，從釋放狀態(tài)進入鎖軸狀態(tài)所需要的時間,，大于20 μs。根據(jù)這個時序圖，MSP430通過I/O口先發(fā)送一個低電平使能信號,，延遲T4時間后發(fā)送方向信號,再通過PWM波的脈沖個數(shù)控制電機的轉(zhuǎn)動角度,，每1 200個脈沖轉(zhuǎn)動1.8 °。

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3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

    溫度傳感器數(shù)據(jù)獲取包括DS18B20初始化,、復位和溫度轉(zhuǎn)換,。而傾角傳感器數(shù)據(jù)可直接由串口2得到。MSP430將溫度,、傾角和位置檢測的數(shù)據(jù)打包通過SPI總線存儲到Flash中,。

4 系統(tǒng)調(diào)試

    在實驗室環(huán)境下進行一個星期的測試，供電電壓為27 V,，設置樣品瓶個數(shù)為7個,。經(jīng)過試驗，每天中午12點電機準時轉(zhuǎn)動,，轉(zhuǎn)動角度為18°,，采樣數(shù)據(jù)記錄完整。測得整個系統(tǒng)在睡眠模式下的電流為0.87 mA,，電機轉(zhuǎn)動時電流為429.5 mA左右,。若工作一年，睡眠模式時間近似為一年,，功耗為7.62 Ah,，電機轉(zhuǎn)動時間為4 min，功耗為0.03 Ah,，總功耗為7.65 Ah,。電池組容量為10.5 Ah，滿足了該系統(tǒng)低功耗的要求,。

    本文通過軟硬件低功耗設計和錯誤處理設計實現(xiàn)了捕獲器控制系統(tǒng)低功耗及可靠性的要求[5],。該系統(tǒng)在設計時還保留了一些傳感器接口，以便于系統(tǒng)的擴展升級,。

參考文獻

[1] WAKEHAM S G.Sampling and experimental challenges for the next decade in marine organic chemistry——a prospectus[J].Marine Chemistry,，1992，39(s1-3)：239-242.

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[3] 張毅,，孫思萍，齊爾麥,，等.海床基自動監(jiān)測系統(tǒng)中央控制單元設計與實驗[J].海洋技術(shù)學報,，2007，26(4)：1-3.

[4] BONNIN J,，RAAPHORST W V,，BRUMMER G J，et al.Intense mid-slope resuspension of particulate matter in the Faeroe–Shetland Channel：short-term deployment of near-bottom sediment traps[J].Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers，2002,，49(8)：1485-1505.

[5] 姜興杰,，楊峰輝.軟件可靠性分析與設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011,，34(7)：135-137.

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