海洋光学浮标光学窗口防污染装置
摘要：文中首先介绍了设计海洋光学浮标水下光学仪器窗口防污染装置的必要性，在此基础上，对系统的总体构成、设计思想及软硬件设计结构做了详细的介绍。并在文中最后指出了该装置的重要性。
关键字：污染，海洋光学浮标，光学窗口
1. 前言
海洋光学浮标观测系统是发展我国“立体、中远距离海洋监测高技术”的重要组成部分。目标是研制适合我国海区的锚系光学浮标，同步监测海面、海水近表层和真光层光学参数，为水色遥感的现场辐射定标和遥感数据真实性检验，以及海洋生态、动力环境监测提供实时高光谱数据。光学传感器是海洋光学浮标的一个重要组成部分，光学浮标被放置在海水中几天到几十天进行时间系列的测量。辐射传感器的光学窗口长时间暴露在海水中容易受到水中的生物、有机物（如油类）和无机物（如泥沙）的污染，而光辐射测量对这种污染十分敏感，窗口受污染后的测量误差无法估计，污染严重时，甚至无法进行测量。因此，必须寻求一种稳定、可靠的窗口防污染装置，有效的防止因光学传感器窗口的污染而造成的测量误差。
2. 总体设计思想
我们采用保护盖与清洗刷相结合的的工作原理来实现对光学仪器窗口防污、除污。清洗刷的基本原理与汽车前玻璃清洗刷相似。装置如图1所示。
即在光学窗口上方装一面积稍大于光学窗口的长方形保护盖，保护盖和光学窗口之间的间隙为0.5～1mm，保护盖是由铜作成。在保护盖的一侧装一用柔软橡胶作成的清洗刷。需要采样时，保护盖携带清洁刷转动（2N＋1）×180°后停止（N为保护盖转过光学窗口的次数），将其从光学窗口上方移开。采样结束后将保护盖旋转180°重新遮住光学窗口，由于保护盖与光学窗口之间间隙极小，从而使光学窗口基本处于无光照的状态；又由于保护盖是由铜作成，而铜又有抑制生物胚胎和幼芽生长的作用，这样就可以破坏海水中大多数生物生长所需的光照条件和生存环境，在一定程度上防止了光学窗口被污染，但是，还有少数生物，可以在微光、无光、外界生存环境恶劣的条件下生长，从而污染了光学窗口，同时，在不采数的情况下，由于光学窗口和保护盖之间还留有微小的间隙，这样光学窗口上方可能会附着一些微小的生物、有机或无机污染物，为此，利用光学窗口的光滑和平整性，在保护盖的一侧固定一柔软的橡胶片，其长度和保护盖相同，这样，在每次将保护盖从光学窗口上方移开的过程中，让保护盖携带该橡皮刷紧贴光学窗口表面均匀的清扫光学窗口N次，（N同前，考虑到实际使用中相邻两次采样之间的时间间隔，我们在软件控制中设计N=3），这样即使在不采样时有少量污染物附着在光学窗口上面，也可以通过此方法清洁干净。从而双重保护光学窗口的清洁。该装置完全实现自动化，克服了海区和时间的限制。在国内外海洋界属于领先水平，具有很好的发展前景。
3. 防污染装置设计过程
根据我们的设计目的及浮标的使用环境，提出了如下一些设计要求：
l 根据预定的目的，在每一次采样开始时能够自动的让光学窗口的保护盖携带清洁刷旋转N次，移动保护盖至（2N＋1）×180°的位置，在移开的过程当中清洁光学窗口上附着的少量污染物。在采样结束后旋转180°，重新遮住光学窗口，保护其在不采样时尽可能的不被污染。同时记录每一次采样开始前保护盖的位置（判断在未采样时保护盖是否一直正常的盖住光学窗口）。
l 浮标投放在海中，在长期无人看管的条件下，能够根据预先设定的采样时间定时清洗光学窗口、测量海水的光学特性。
l 根据浮标所处的工作环境，只能采用电池为仪器供电，为了保证电池能够长时间正常的为仪器供电，就有必要设计一电源省电工作模式。即在每一次开始采样时才接通电源为仪器供电，其余时间将断开电池与浮标之间的连接，由于每一次开关时间很短，功耗又很低，这样就可以实现采用小体积的电池组为浮标供电的目的。
根据以上要求，我们设计了相应的硬件电路及其软件控制程序。
硬件组成
根据上述要求，设计出相应的硬件控制电路，并根据硬件电路的结构特点及所要实现的功能，编制出相应的软件控制程序。整个系统的硬件电路结构框图如图2所示。
CPU是整个系统的控制核心，通过它内部的软件来控制整个系统的正常工作。时钟控制的主要目的就是用来设置精确的窗口清洁及浮标采样时间，同时，通过它来配合电源控制模块控制整个系统供电电源的工作过程。数据存储器的功能就是将采集到的光学参数随时保存起来不被丢失；通讯控制的主要目的就是用来选择与该CPU通讯的对象，当我们需要采集海洋光学参数时，选择其与浮标内部的采样模块（主要包括幅照度、幅亮度、荧光等参数的采样）通讯；当整个海上实验结束后或需要将存储在外部数据存储器中的数据取出时，选择它与PC机通讯，这样就可以将采样到的数据读入PC机进行数据处理与分析。
3.1 系统硬件组成
如前所述，系统的硬件电路主要由：①光学窗口防污染模块；②电源管理模块；③数据存储模块；④通讯控制模块；⑤时钟及CPU控制模块等组成。下面对整个系统的主要组成部分的设计思想、设计过程及工作原理作一详细的介绍。系统的硬件电路如图3所示。
在本设计中我们选用了一片时钟芯片PCF8563作为系统时钟，它是基于两线制I2C总线通讯方式的，这样可以使外围电路很简洁；同时，它还具有很低的工作电流：典型值为0.25μA（VDD=3.0V，Tamb=25℃），非常适于长期的海上工作。通过PCF8563的报警中断（分钟、小时、日期、星期四种报警中断方式）来设置精确的窗口清洁及采样时间。并通过时钟芯片的报警中断输出端的电平来控制外部DC/DC电路的工作，进而控制系统电源的供电时间，也就是每次开始将保护盖从光学窗口移开、清洁光学窗口、开始采集数据的时间。它决定整个电路的工作进程。
如图3所示，基于I2C总线的特点，PCF8563与89C51之间通过SCK（P1.6）和Si（P1.7）通讯，SCK为PCF8563单向串行时钟线，Si为双向串行数据线。这两条线分别用一个上拉电阻与正电源相连。在CPU内部我们设定了每天若干个采样点的时间表。每次中断报警开始时， PCF8563的中断输出端变为低电平，控制系统供电电源的继电器A2吸合，打开DC/DC电路，将由电池供给的＋12V和－12V电源变换成系统所需的工作电压供给系统工作。在系统电源供电正常之后，89C51内部的控制软件首先通过判断INT0、INT1的状态来判断当前保护盖所处的位置，记录每一次保护盖所处位置正确与否，然后通过P1.4置1，控制继电器A1的吸合来启动光学窗口上方的保护盖携带清洁刷开始清除该窗口上面的污染物，清除窗口N次以后，固定保护盖于光学窗口成180°的位置，通过P1.4的控制断开继电器A1，停止保护盖的旋转，此时，CPU开始通知浮标内部采样电路开始采样，并将每次的采样结果送入外部数据存储器保存，同时保存当前的采样开始时间，每一次中断时间段内完成三次采样。
在此有必要说明保护盖的工作原理及过程。在如图1所示的结构中，驱动保护盖转动的装置就是一驱动马达，在正常的转速下该马达的工作电流非常低，在本设计中马达带动保护盖和清洁刷转动的速度为0.5转/s，驱动马达安装在一外壳内，该外壳是经过水密检验的，这样就可以防止当仪器从空气下降到水中不同深度时因压力变化而引起的海水注入，从而保证了马达的正常工作。驱动马达和保护盖之间通过支撑臂连接在一起，当需要保护盖转动时，通过将如图2所示的硬件驱动电路中的P1.4置1来控制驱动马达工作，这样就可以带动支撑臂另一端的保护盖跟随马达同步转动，从而达到将保护盖从光学窗口移开或移至其上方的目的。针对如何定位保护盖当前所处位置，我们采用在水密外壳内部固定两个定位传感器的办法来确定，一个传感器定位保护盖是否转至光学窗口上方，另一个用来定位保护盖是否转至于光学窗口成180°的位置；在水密外壳内部有控制定位传感器工作的控制电路，两个定位传感器各有一状态输出线，即图2所示的INT0、INT1，这两根状态线通过电缆连接至图2所示的INT0、INT1输入端，当保护盖盖住光学窗口时（在当前采样结束、下一次采样开始前，保护盖所处的正确位置），通过定位传感器判断在INT0的输出端输出低电平，而INT1的输出端为高电平，当保护盖在马达的带动下转到与光学窗口成180度时（光学窗口清洁结束，浮标开始采样时所处的正确位置），INT0成高电平，而INT1成低电平，此时P1.4清零，停止马达的转动。这样，通过CPU内部的主控程序的查询判断就可以精确定位保护盖的位置。
采样结束后，CPU通过查表（预先在CPU内部存入采样时间表）比较，找出下一个采样点的时间，并通过I2C总线将时间写入PCF8563的报警寄存器，同时通过软件设置关闭PCF8563的当前报警中断，断开由PCF8563报警中断输出端控制的继电器A2，终止由A2控制的DC/DC电路的工作，停止对整个系统的供电；基于PDF8563的低功耗的特点，在仪器工作过程中，采用一VL2330电池（标准输出为3V）为其不间断的供电。
在本设计中，选用一片74244完成通讯选择控制，通过89C51的P1.2、P1.3控制通讯对象，当P1.2为低电平，P1.3为高电平时，选择PC机作为通讯对象，当P1.2为高电平，P1.3为低电平时，选择浮标内部的采样电路作为通讯对象，当不需要通讯时，将P1.2、P1.3均置为高电平，以防数据的误传输。设计中用到了一片2M×8的非易失性数据存储器来存储采样到的数据及每次的采样时间。
3.2 系统软件设计
此系统的软件是由主函数及其调用的子函数组成。根据硬件结构，系统软件主要实现以下几个功能：1、光学窗口防污染控制及对光学参量的采样和存储；与PC机通讯传输数据。主程序流程如图4所示。
对于本设计的创新点光――学窗口防污染，下面给出它的控制软件流程
4. 小结
本文主要论述海洋光学浮标水下光学仪器窗口防污染的设计，通过硬件电路及相应的软件控制来实现对浮标光学窗口的防污及除污，通过保护盖的保护和清洁刷的清洁，双重防止光学浮标水下光学仪器窗口被污染。文中给出了整个系统的硬件电路结构框图及大体的硬件电路图，并在此基础上给出了主要的控制硬件电路工作的的软件流程。该系统是通过一时钟芯片PCF8563来控制系统电源供电、每次光学窗口的除污处理及浮标数据采集时间的。
该光学窗口防污染技术与国际上目前使用的如：防生物附着膜技术、自动清洗刷技术、蛙人清洗技术及药剂缓慢释放技术相比，有以上防污技术所无法比拟的优点，一方面该技术可以不受时间、空间的限制，另一方面，通过保护盖和清洁刷的双重作用，可以更好的清除水中的有机物或无机物的寄生或附着，保护光学窗口的清洁，提高整个光学浮标的测量精度。因此，该设备的研制成功不仅对我国的海洋光学事业发展有很大的贡献，而且对全球海洋研究事业的发展也起到了一个不可低估作用。该设计已经申请国家专利，并得到国家“863”课题检查小组各专家的肯定。我们已经将它投入我国近海做了大量、长期的实验，测量数据的重复性很好。实验结果表明我们设计的这套光学窗口防污设备能够很好的防止其被污染。