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海洋的深度是海洋水体的一个重要参数。知道海洋的深度,就可防止海面航行的船只搁浅、触礁。潜艇在海底活动时,测量海洋深度可利用海底地形作屏障以避免被搜索,可使对方的讯号接收仪器收不到潜艇发出的噪音。在笔者所做的一个课题中,直升飞机从空中投掷测量仪器到海表面,仪器从海表面下沉至海底后,自动上浮至海水表面。该项目要求研制一个海水深度记录仪,记录上述过程中测量仪器在海水中的深度变化。测量仪器自动上浮至海面后,打捞并回放测量数据。深度数据要求每秒采样100次,具有非易失性。测量数据通过串口向PC机回放。
测量的基本原理如下式所示:
P=rgh+P0(1)
其中P是指仪器所受到的绝对压力,r是指海水密度(常数),g是指当地的重力加速度(常数),h是指仪器下降的深度,P0是指当时的大气压力(短时间认为恒定)。所以,只要测出仪器受到的压力,根据式(1)就很容易计算出仪器下降的深度。仪器在海水中的位置越深,受到的压力越大。
系统硬件设计
根据系统设计要求,海水的深度数据采集频率要求至少100Hz,连续采集时间为5分钟以上。以分辨率为12位的
图1系统硬件框图
电源
电源部分使用三节普通AAA电池供电。经升压管理芯片MAX756升压至5V后,给基准源、
信号调理电路
信号调试电路如图2所示。
图2信号调理电路
虽然C8051F020内部有2.43V的基准电压源。但是测试结果表明其输出电压随温度波动较大,影响测量结果的准确性。为了提高测量精度,系统采用了Maxim公司的低温漂电压基准芯片MAX6325,MAX6325是低温度系数(<1ppm/°C)、低噪声(1.5mVp-p)的电压基准,它具有±0.02%初始精度,是高精度数据采集系统的理想选择。由于压力传感器的输出电压范围是DC1~5V,而MAX6325输出的电压基准是2.50V。因而必须对压力传感器输出电压进行衰减,以达到和基准电压的匹配。实现这个功能最简单的方法是直接用两个电阻进行分压,但是由于传感器具有一定的输出阻抗,直接匹配分压电阻相当于将传感器输出阻抗与这两个电阻并联,会造成输入A/D的采样电压不准确。正确的方法是在压力传感器的输出之后加一级
数据存储
对于针对突发数据的记录仪、高速存储测试设备等,其数据的高速存储和掉电不丢失成为系统设计的关键,Ramtron公司推出的FM20L08铁电存储器弥补了现有铁电存储器存储量小的缺点,其数据存储量达1Mb(128KB),可完全代替标准异步静态随机存储器(SRAM),具有可随机读写芯片内任何一字节的特性。FM20L08非易失性铁电存储器可无限次读写,掉电后数据可保存10年,工作电压为3.3V,最大功耗电流为22mA,采用32引脚TSOP型封装。FM20L08增加了软件控制写保护功能,存储序列按地址排成8个区域,每个区域都能通过软件单独设置写保护。在对海水深度进行实时采集和记录时,为了更好地了解仪器在水中深度变化的过程,必须有高速的数据采集和大量的数据存储作保证。铁电存储器的高速写入和掉电数据不丢失特性完全适合此类情况,可以对物体在海水中的下降过程进行完整地记录。图3示出C8051F020与FM20L08的接口电路。
图3FM20L08与C8051F020的接口电路