FZF2_3型海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理_控制及傳輸系統(tǒng)

1、第 17卷第 2期 1998年 6月海洋技術(shù)OCEAN TECHNOLOGYVol. 17, No. 2 June, 1998FZF 2-3型海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù) 采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng)張喜驗(yàn)(山東省科學(xué)院海洋儀器儀 表研究所 , 青島 266001摘要本文主要介紹 F ZF 2-3型海洋資料浮標(biāo)的核心部分 數(shù)據(jù)采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)及組成 , 以及各部分的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞 浮標(biāo)采集處理控制傳輸1前言數(shù)據(jù)采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng)是整個(gè) FZF2-3型海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)的核心部分 , 它的 心臟部分是由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的工業(yè)檔低功耗微處理器系統(tǒng) NSC-800組成 ,

2、 外部 配備相應(yīng)的接口電路、 信號(hào)調(diào)理電路及控制電路。 資料傳輸系統(tǒng)采用 INM ARSAT -C /GPS 海 事衛(wèi)星數(shù)傳設(shè)備 , 定時(shí)將浮標(biāo)測(cè)量的數(shù)據(jù)資料傳回接收岸站。 系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘板提供時(shí)間控制 序列信號(hào) , 完成對(duì)各項(xiàng)觀測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理、 加電控制以及資料傳輸?shù)热蝿?wù)。2系統(tǒng)組成微處理器系統(tǒng)是根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)的要求 , 選擇相應(yīng)的功能板組成。 FZF 2-3型海洋資 料浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng)的組成原理框圖如圖 2. 1所示 , 它主要包括以下幾個(gè)部 分 :(1 主控 CPU 板 CIM -804CPU 板平常處于連續(xù)加電工作狀態(tài) , 只要系統(tǒng)上電 , 系統(tǒng)程序便

3、自動(dòng)進(jìn)入浮標(biāo)工作主程 序 , 不斷監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài) , 并按照時(shí)間順序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、 加電控制、 資料處理以及資料傳輸 等工作。(2 系統(tǒng)時(shí)鐘板 CIM -510系統(tǒng)時(shí)鐘板為浮標(biāo)控制系統(tǒng)提供高精度的時(shí)鐘信號(hào) , 包括年、 月、 日、 時(shí)、 分、 秒信號(hào)以及1/100s 、 1/1000s 信號(hào)等 , 同時(shí)還具有潤(rùn)年自動(dòng)調(diào)整功能。系統(tǒng)時(shí)鐘可發(fā)出 0. 5s 定時(shí)中斷信號(hào) 以及預(yù)定時(shí)間到中斷信號(hào) , 提醒 CPU 進(jìn)入相應(yīng)的采集處理工作程序。系統(tǒng)時(shí)鐘處于不斷電連 續(xù)工作方式。圖 2. 1數(shù)據(jù)采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng)組成原理框圖 (3 CPU 接口芯片 NSC810CPU 接口芯片提供兩個(gè) 8位的

4、輸入、 輸出控制端口以及一個(gè)計(jì)數(shù)器輸入端口和一個(gè)頻率 量測(cè)量端口 , 主要用于外圍設(shè)備的加電控制 , 風(fēng)速信號(hào)采集 , 門開啟、 艙進(jìn)水、 錨燈滅報(bào)警的監(jiān) 視等。因風(fēng)速信號(hào)需連續(xù)不斷采集 , 且報(bào)警信號(hào)的狀態(tài)也要不斷監(jiān)視 , 因此 NSC810也處于常 加電連續(xù)工作方式。(4 并口控制電路 CIM -210浮標(biāo)控制系統(tǒng)內(nèi)裝有兩塊并口控制電路 , 共有四個(gè) 8位的輸入、 輸出端口 , 主要用于主、 備 傳感器的加電控制、 信號(hào)采集、 系統(tǒng)工作狀態(tài)檢測(cè)等功能。(5 串口擴(kuò)展板 CIM -203串口擴(kuò)展板 CIM -203上共有兩路標(biāo)準(zhǔn)的 RS -232C 串口信號(hào) , 一路與 INMARSAT -

5、C /GPS 衛(wèi)星數(shù)傳設(shè)備相連 , 進(jìn)行浮標(biāo)資料的實(shí)時(shí)傳輸 ; 一路與大容量固態(tài)存貯器相連接進(jìn)行標(biāo) 體內(nèi)采集數(shù)據(jù)的傳輸 , 同時(shí)這個(gè)端口還與檢測(cè)系統(tǒng)共用 , 在檢測(cè)系統(tǒng)與主控系統(tǒng)相連時(shí) , 用于 人機(jī)對(duì)話信息的相互傳輸。(6 A /D 轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展板浮標(biāo)系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器是在 CIM 總線上 , 對(duì) I/O 進(jìn)行擴(kuò)充 , 共擴(kuò)充了 32個(gè)模擬通道 , 分 三檔量程 , 分別是 5V 檔、 10V 檔、 20V 檔 , 可滿足對(duì)所有輸入模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的需要。這些 模擬量主要包括風(fēng)向信號(hào) , 氣溫、 水溫和艙溫信號(hào) , 波浪信號(hào) , 主控微機(jī)電壓 , 衛(wèi)星通信機(jī)電壓 , 外圍傳感器電壓 , R

6、AM 后備電池電壓等 , 所有這些信息經(jīng) CPU 采集處理后 , 同其它測(cè)量信息 30 海洋技術(shù)第 17卷(7 系統(tǒng)電源板浮標(biāo)系統(tǒng)電源板為浮標(biāo)系統(tǒng)的各個(gè)部分提供相應(yīng)的工作電源 , 包括 +5V , ±12V , ±18V 以及 A /D 轉(zhuǎn)換器 5V 基準(zhǔn)電源等。3系統(tǒng)特點(diǎn)FZF2-3型海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)是在我國(guó)“ 七五” 重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目型海洋資料浮標(biāo)研 制的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)、 重新制作的一套高精度、 高可靠性的數(shù)據(jù)采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng)。 它 在總結(jié)“ 七五” 攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 , 根據(jù)目前電子技術(shù)發(fā)展的水平條件 , 將整個(gè)系統(tǒng)的性能作了 相當(dāng)大的改進(jìn) , 使該系統(tǒng)在保

7、持原有功能和特性的基礎(chǔ)上 , 簡(jiǎn)化設(shè)備 , 降低功耗 , 提高測(cè)量準(zhǔn)確 度和測(cè)量精度。 FZF2-3型海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) :(1 采用單機(jī)系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制核心 , 著重研究了如何提高單機(jī)可靠性的問題 , 采用看 門狗電路 , 監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài) , 可有效地防止程序走入死循環(huán)或不可預(yù)料的外界干擾對(duì)系統(tǒng)的 攏亂。 單機(jī)系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單 , 避免了主備機(jī)之間的相互干擾 , 又節(jié)省了電能消耗 , 使系統(tǒng)不但工作 穩(wěn)定可靠 , 而且設(shè)備維護(hù)更加簡(jiǎn)單易行。(2 使用大容量半導(dǎo)體存貯器存儲(chǔ)浮標(biāo)系統(tǒng)采集的波浪原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理后的特征值 數(shù)據(jù)以及其它水文氣象資料和工程檢測(cè)數(shù)據(jù) , 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的最大存

8、儲(chǔ)容量可達(dá) 8M 字節(jié) , 滿 足浮標(biāo)系統(tǒng)在海上連續(xù)工作 14個(gè)月的要求。(3 使用國(guó)際上普遍采用的 INMARSAT -C/GPS 海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 , 大 大提高了實(shí)時(shí)資料的有效接收率并在很大程度上簡(jiǎn)化了浮標(biāo)接收岸站接收處理設(shè)備的復(fù)雜程 度 , 提高了岸站接收系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。(4 A/D 轉(zhuǎn)換器采用 12位高精度 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 , 確保各測(cè)量參數(shù)的分辨率和測(cè)量精度。 波浪原始數(shù)據(jù)記錄保存 8位保精度資料 , 提高了波浪原始數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中的可用性 , 使波浪 特征值的計(jì)算和波譜分析的精度有了很大的提高。(5 硬件電路設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一模式 , 使得控制機(jī)柜具有很大的兼容性。 無(wú)

9、論是使用磁帶機(jī)或 大容量固態(tài)存貯器 , 增加或減少其它傳感器 , 都變得簡(jiǎn)單易行 , 機(jī)柜之間和功能板之間可互換 使用。(6 系統(tǒng)程序采用模塊化技術(shù)設(shè)計(jì) , 具有很強(qiáng)的通用性和可添加性 , 使系統(tǒng)程序運(yùn)行可 靠、 修改方便 , 而且功能增加只需添加相應(yīng)的功能模塊 , 系統(tǒng)功能擴(kuò)展非常簡(jiǎn)單 , 這是系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì)的一大特色。(7 獨(dú)立設(shè)計(jì)的調(diào)試程序 , 可使浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試和檢修狀態(tài)。 檢測(cè)程序能對(duì)系統(tǒng)本身及 外部設(shè)備進(jìn)行故障檢查 , 并可進(jìn)行各項(xiàng)模擬試驗(yàn)。 主機(jī)系統(tǒng)可與檢測(cè)儀或筆記本相連進(jìn)行各項(xiàng) 檢測(cè)及特殊操作 , 并設(shè)計(jì)了 CPU 電壓檢測(cè)、 通信機(jī)電壓檢測(cè)、 衛(wèi)星系統(tǒng)電壓檢測(cè) , 并能將檢

10、測(cè) 結(jié)果及時(shí)編報(bào)發(fā)回岸站 , 以便隨時(shí)監(jiān)測(cè)各路電壓的工作情況 , 對(duì)系統(tǒng)電源的使用情況有一個(gè)準(zhǔn) 確的了解。(8 增加了錨燈檢測(cè)傳感器 , 該傳感器能準(zhǔn)確測(cè)得錨燈在夜間工作是否正常 , 并向岸站發(fā) 回狀態(tài)信息。它與門開啟和艙進(jìn)水檢測(cè)一起實(shí)時(shí)提供浮標(biāo)在海上的有關(guān)報(bào)警信息。31第 2期 F ZF 2-3型海 洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù) 采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng) 4浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng)工作時(shí)序(1 數(shù)據(jù)采樣時(shí)序正點(diǎn)前 33 :外圍加電 , 波浪傳感器加電預(yù)熱37 :風(fēng)向、 方位傳感器加電預(yù)熱38 :開始采集波浪、 風(fēng)向、 方位、 風(fēng)速48 :風(fēng)向、 方位停止采樣 , 風(fēng)向、 方位傳感器斷電51

11、 :氣壓傳感器加電預(yù)熱52 :開始采氣壓54 :氣溫、 水溫、 艙溫加電預(yù)熱55 :氣溫、 水溫、 艙溫開始采樣 , 氣壓傳感器斷電 , 水溫、 艙溫傳感器斷電56 :波浪停止采樣 , 衛(wèi)星設(shè)備加電 , 采樣門開啟、 艙進(jìn)水 , 采樣 CPU 電壓、 衛(wèi)星設(shè)備 電壓 , 波浪傳感器斷電(2 數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序正點(diǎn)前 3 :衛(wèi)星設(shè)備加電預(yù)熱0 :將資料送到衛(wèi)星設(shè)備、 聯(lián)絡(luò)發(fā)送等待返回信息正點(diǎn)后 15 或收到返回信息 , 則衛(wèi)星設(shè)備斷電 , 外圍斷電 , 程序返回。 至此 , 一次采樣發(fā)射過 程全部完成。5浮標(biāo)系統(tǒng)工作流程浮標(biāo)系統(tǒng)在工作時(shí) , 對(duì)于每個(gè)采集點(diǎn) , 對(duì)各種傳感器的采樣都是按照下面的流程進(jìn)行

12、 :傳感器采樣 處理編碼數(shù)據(jù)波浪原始數(shù)據(jù)對(duì)于任意一個(gè)采集點(diǎn)來(lái)說 , 都有 3種可能 :即采樣點(diǎn)就是發(fā)射點(diǎn) (其中包括重發(fā)點(diǎn) ; 采樣 點(diǎn)為非發(fā)射點(diǎn) ; 采樣點(diǎn)為加密發(fā)射點(diǎn) ; 對(duì)于上述 3種可能 , 主控微機(jī)系統(tǒng)將分別予以處理。 (1 發(fā)射點(diǎn)將編碼數(shù)據(jù)和波浪原始數(shù)據(jù)存入記錄緩沖區(qū) ;更新衛(wèi)星數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容 ;將編碼數(shù)據(jù)存入發(fā)射緩沖區(qū) ;發(fā)射 (或重發(fā) 編碼緩沖區(qū)的數(shù)據(jù) , 如果是重發(fā)點(diǎn) , 在數(shù)據(jù)發(fā)射完畢后要清除發(fā)射緩沖區(qū) 的內(nèi)容。(2 非發(fā)射點(diǎn)將編碼數(shù)據(jù)和波浪原始數(shù)據(jù)存入記錄緩沖區(qū) ;更新衛(wèi)星數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容。(3 加密點(diǎn)32 海洋技術(shù)第 17卷更新衛(wèi)星數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容 ;發(fā)射數(shù)據(jù)。6資料

13、傳輸系統(tǒng)FZF 2-3型海洋資料浮標(biāo)采用 INMARSAT -C /GPS 海事衛(wèi)星作為資料傳輸設(shè)備 , 安裝 在浮標(biāo)上的衛(wèi)星設(shè)備相當(dāng)于移動(dòng)站 , 移動(dòng)站與地面站之間以時(shí)分多址 (TDM A 方式進(jìn)行通 信 , 屬雙向應(yīng)答方式 , 其信號(hào)格式是以數(shù)據(jù)打包、 幀內(nèi)設(shè)包的固定格式進(jìn)行。圖 6. 1衛(wèi)星系統(tǒng)信息傳輸 示意圖浮標(biāo)上的 INM ARSAT -C /GPS 衛(wèi)星設(shè)備作為用戶站將需要發(fā)送的信息通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給北京地面站 , 太平洋地區(qū)協(xié)調(diào)站及浮標(biāo)地面站四者之間形成通信鏈路 , 通信時(shí)相互溝通 , 獲得通道認(rèn)可 , 方可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的傳輸 , 屬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的“ 雙跳”通信模式 , 即浮標(biāo)站中心地面站

14、浮標(biāo)地面站。衛(wèi)星信息傳輸?shù)氖疽鈭D如圖 6. 1所示。7使用情況 FZF2-3型海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)自 1996年 7月在南海布放使用以來(lái) , 數(shù)據(jù)采集處理、 控制及傳輸系統(tǒng)一直工作正常 , 已連續(xù)在位堅(jiān)持工作 500余天 , 收集了大量的海洋水文氣象資料。特別是 9710號(hào)臺(tái)風(fēng)和 9713號(hào)臺(tái)風(fēng)的過境資料 , 對(duì)我國(guó)的海洋調(diào)查和海洋工程起到了非常重要的作用 , 實(shí)踐證明 , 這是一套穩(wěn)定可靠的控制及 傳輸系統(tǒng)。T he Data Acquisition Process 、 Control and T elemetrySystem of M odel FZF2-3M arine Data Buoy SystemZhang Xiyan(I nstitute of Oceanogr ap hic I nstr umentation , Shandong A cad emy of Science AbstractThis paper presents the m ain part of Model FZF 2-3M arine Data Buoy system , data acquisition process, control and telem etry system as w