（检测技术与自动化装置专业论文）温盐深传感器测量技术的研究与设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着陆地资源的短缺，人口的迅速膨胀，各国把开发的目光纷纷转向了 海洋。温度、盐度和深度作为了解海洋的最基本参数，其测量对海洋的开发 利用起着十分重要的作用。 针对浅海的温度、盐度和深度的测量，本课题设计了一台便携式测量仪。 该测量仪以s 3 c 4 4 b o x 为处理器，嵌入v x w o r k s 操作系统，实现对海水温度、 盐度和深度的测量。其具有体积小、功耗低、外扩功能强，测量精度高等特 点。本文介绍了国内外温盐深测量仪的现状和发展趋势，对温盐深的测量进 行了理论分析，详细介绍了整个测量仪的硬件电路设计过程，并对v x w o r k s 操作系统的嵌入及应用软件的开发进行了深入研究。 首先对温度、盐度和深度测量过程中所遇到的问题进行理论分析，如测 量电路的噪声干扰、零点漂移、铂电阻测温中的非线性、电导率测量中的极 化效应和电容效应等。在硬件电路设计中，运用噪声匹配理论，来减小噪声 干扰；采用直流斩波动态校零技术，来抑制零点漂移；电导率测量中利用频 率、幅值可变的交流方波源作为激励源，来降低测量电极的极化效应：采用 双频率法，消除电导率测量过程中的电容效应。 在系统软件设计中，为提高系统的可靠性、便于维护性，进行模块化设 计，实现最终便携式，在s 3 c 4 4 b o x 处理器中嵌入了v x w o r k s 操作系统。利 用b p 网络，对铂电阻测温进行建模，消除铂电阻测温中的非线性。在电导 率等效电阻的求解过程中，运用迭代算法方便了方程的求解。在系统应用程 序的设计中，实现模数转换器的驱动、串口的驱动，l c d 屏的驱动及上述算 法的编程。 最后，通过大量实验对系统进行测试，试验结果证明该测量仪基本满足 设计要求。 关键词fc t d ：v x w o r k s ；b p 网络；传感器；测量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i mt h es h o r t a g eo fl a n dr e s o u r c ea n dp o p u l a t i o nr a p i de x p a n s i o n ，e v e r y c o u n t r yi sk e e no nt h ee x p l o i t a t i o no fo c e a n t e m p e r a t u r e ，s a l i n i t ya n dd e p t ha s b a s i cp a r a m e t e r st ou n d e r s t a n do c e a n ，t h e i rm e a s u r e sa r em o r ei m p o r t a n tt ot h e e x p l o i t a t i o no f o c e a n ap o r t a b l et e s t e rh a sb e e nd e s i g n e dt om e a s u r et h et e m p e r a t u r e ，s a l i n i t ya n d d e p t ho fs h a l l o ws e a t h ep r o c e s s o ro f t h i st e s t e ri ss 3 c 4 4 b o xa n de m b e d d e dt h e v x w o r k so p e r a t i o ns y s t e mt oa c c o m p l i s ht h ed e t e c t i o no ft e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y a n dd e p t ho fs e a w a t e r i t sa d v a n t a g ei ss m a l ls i z e ，l o wp o w e r , g o o de x p a n s i o na n d h i g hp r e c i s i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c y o fd o m e s t i ca n df o r e i g nc t d ，a n a l y s e st h em e a s u r eo fc t df r o mt h e o r y , a n d i n t r o d u c e st h et o t a ld e s i g np r o c e s so fh a r d w a r ec i r c u i ti nd e t a i l sa n dd e e ps t u d i e s t h et r a n s p l a n t a t i o no fv x w o r k so p e r a t i o ns y s t e ma n dt h ed e s i g no fa p p l i c a t i o n s o f t w a r e t h i sp a p e rf i r s ta n a l y s e sp r o b l e m so fc t dm e a s u r e m e n tf r o mt h e o r y , s u c ha s n o i s ei n t e r f e r e n c eo fm e a s u r e m e n tc i r c u i t ，z e r od r i f t ，n o n l i n e a r i t yo ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tu t i l i z i n gp l a t i n u mr e s i s t o r , p o l a r i z a t i o ne f f e c ta n dc a p a c i t ye f f e c to f e l e c t r i c a l tc o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t i nt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t ，u s i n gn o i s e m a t c h i n gp r i n c i p l ed e c r e a s e sn o i s ei n t e r f e r e n c e ；u t i l i z i n gt h et e c h n o l o g yo fd c c h o p p i n ga n dd y n a m i cz e r o i n gr e s t r a i n sz e r od r i f t ；i nt h em e a s u r eo fc o n d u c t i v i t y , u s i n ga cs q u a r ew a v e sa sd r i v i n gs o u r c ew h i c hf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ec a nb e c h a n g e dr e d u c e sp o l a r i z a t i o ne f f e c t ；a d o p t i n gd o u b l ef r e q u e n c ym e t h o de l i m i n a t e s c a p a c i t ye f f e c t i nt h ed e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e ，v x w o r k so p e r a t i o ns y s t e mi se m b e d d e di n t h e p r o c e s s o r o fs 3c 4 4 b o xt o i m p r o v et h es y s t e mr e l i a b i l i t y , c o n v e n i e n t m a i n t e n a n c e ，m o d u l a r i z a t i o n d e s i g n a n d a c c o m p l i s hp o r t a b l et y p ef i n a l l y b u i l d i n gm o d e lo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tu s i n gp l a t i n u mr e s i s t o rb yb p n e t w o r ke l i m i n a t e sn o n l i n e a r i t y u s i n gi t e r a t i v ea r i t h m e t i cs o l v e se q u a t i o ni nt h e 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 j i - m 。 s o l u t i o no fe q u i v a l e n tr e s i s t e r i n t h e d e s i g n o f a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，i t a c c o m p l i s h e sd r i v e so fa dc o n v e r s i o n ，s e r i a lp o r t ，l c ds c r e e na n di t e r a t i v e a r i t h m e t i cm e n t i o n e da b o v e a t1 a s t t h es y s t e mi st e s t e dv i al o t so fe x p e r i m e n t s t h er e s u l tt e s t i f i e st h i s t e s t e rs a t i s f i e sd e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：c o n d u c t i v i t yt e m p e r a t u r ed e p t h ；v x w o r k s ；b pn e t w o r k ；s e n s o r ； m e a s u r e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中 指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：筚纣况 日期：工叫年罗月q 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 彳乍者( 签字) ：犀纣霰导师( - 签- - 7 - ) ：糊 日期：工矽9 譬事罗月1 7 r 日 2 , 1 9 j , q 年多月7 日 哈尔滨- 丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景、目的及意义 海洋是全球生命支持系统的一个重要组成部分，也是人类社会可持续发 展的宝贵财富。当前，随着陆地资源短缺、人口膨胀、环境恶化等问题的日 益严峻，各沿海国家纷纷把目光投向海洋，加快了对海洋的研究开发和利用。 一场以开发海洋为标志的“蓝色革命”正在世界范围内兴起。我国是人口最 多的沿岸大国，有广阔的领海，但海洋开发滞后，严重落后于其它发达国家， 所以加速海洋开发对我国来说极为重要。 另外，随着国防技术的发展，国防设备对技术的高、精、尖的要求越来 越高。在潜艇上更是如此，为了提高潜艇的实用价值，必须设计舰艇的综合 导航显控系统。由于潜艇的体积和载荷的限制，综合导航显控系统使用的传 感器必须体积小、重量轻、耐高压，并且在功能上能快速、准确地获得潜艇 的航行参数，而其中盐度、温度、深度就是最基本的参数。 温盐深( c t d ，电导率c - - - c o n d u c t i v i t y 、温度t - - t e m p e r a t u r e 、深度 d - - d e p t h ) 传感器是一种基于盐度、温度、深度测量的智能传感器。盐度、 温度和深度是最基本的了解海洋的参量。温盐深这一专业术语最初出现于上 世纪六十年代初，1 9 6 4 年以后，现场的电子式温盐深装置作为基本的水文调 查设备被推广运用。温盐深传感器的出现是对传统水文调查设备的革命。在 那以前，海洋界使用颠倒温度表和南森采水瓶获得温度和盐度相对深度的分 布，而且数据质量在深大程度上取决于操作者的细心程度和熟练程度。温盐 深传感器实现了电子化和自动化，可以连续测量，具有自容内存或实时的电 缆传输等特点，配备有多种形式的数据处理设备，可用于全球海洋测量以及 国际合作海洋项目，是海洋科学考察研究，海洋资源调查开发，海洋环境监 测预报以及海洋军事应用的基础仪器。通过它可以了解海水的基本情况，加 速海洋的开发。 随着海洋世纪的到来，c t d 测量技术会越来越受到世界各国的普遍重 视，在国内国际具有很大的市场。可以相信，在目前广泛应用的基础上，将 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 有更加宽阔的发展前景。 1 2 温盐深传感器的发展及研究现状 在过去几十年里，温盐深传感器的发展，根据其技术的主要特征，大致 可以分为以下三个阶段： ( 1 ) 模拟补偿的s t d 阶段六十年代。在那个时期，大部分都是用模 拟计算的方法提供盐度数据，引出了“一级温度补偿”、“二级温度补偿”、 “压力补偿、“全补偿盐桥”等概念。其实质是用各种传感器和电路模拟 盐度和电导、温度、压力的关系，把温度和压力对盐度的影响补偿掉，由电 导率直接测得盐度。其补偿过程如图1 。1 所示。 陌磊丁磊卜墼盟4 磊一p 掣 【、- - - 一1 、一l - - - - - - - - - - - - - - - 一 i l j 【、一l 一 图1 1s t d 系统盐度测量的补偿原理示意图 在船用电子计算机尚不普及的年代里这种模拟补偿起着重要的作用，并 对建立后来新的盐度标准起着重要的价值。但是，它也存在着许多缺点。首 先，在温盐深的测量中，由于模拟补偿的需要，一般要增加三个温度传感器( 两 个用于温度补偿，一个用于压力补偿中的温度补偿) 和一个压力传感器。其次， 其线路复杂、调整麻烦、测量精度受补偿水平的限制。 ( 2 ) 数字化的c t d 阶段七十年代。把传感器输出的模拟信号数字化 是七十年代温盐深技术的主要特征之一。通常不再把温盐深等被测量信号转 换为直流模拟量或频率量，而转化为二进制代码，再被内存记录下来或传输 至水上。数字化测量大大提高了分辨率，抗干扰能力强，特别有利于水上设 备的数字化显示和记录，为计算机和微处理器的运用提供了方便。 由s t d 向c t d 转变是这一时期温盐深测量技术的一个重要特征。在水 下探头中只测量出海水电导率而不再模拟补偿出盐度的主要原因在于： 测量电导率比测量盐度所用传感器少、电路简单、调试方便。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑薯宣i 暑i i ；i 暑置萱_ i 肯；宣审暑i 一 - i i l li m 皇置暑；暑r 计算机的普遍应用。 1 9 7 8 年国际实用盐度标准的获准和推广。 温度测量精度的提高和电导测量技术的改进。 ( 3 ) 智能化的c t d 一八十年代后。七十年代的温盐深系统的水上设备 往往是专用的，某厂家生产的机器设备需配备该厂生产的水上专用数据处理 机。八十年代初，人们开始把灵活机动的微处理机用于水上设备。现在把微 处理器用于水下探头中，使温盐深的测量实现智能化。主要表现在两个方面： 水下探头在完成对传感器的输出信号进行数字化测量时，能根据内存 的定标常数进行零点和满量程的校准和修正，这就提高了测量的精确性，大 大简化了复检定标工作。 由于水下微处理器和通用异步收发器的运用，实现了水上和水下的通 过电缆进行双向“对话”的功能。 近几年，c t d 测量仪正在向小型化、低功耗发展。小型低耗的c t d 测 量仪适用于海洋监测，布放的c t d 使用周期从1 个月，3 个月，1 年甚至达 到两年。另外，在参量采集速度，数据采集的实时性要求也越来越高。 目前，c t d 剖面仪的温度传感器，广泛采用是热敏电阻或者铂电阻。热 敏电阻的阻值( r o ) 较大，灵敏度高，温度的传输函数为指数特性，易于制 作，一般为珠状或片状，稳定度达到0 0 0 1 0c 年，响应时间6 0 m s 。铂电阻最 大特点是温度的传输函数是线性，铂的性能稳定。缺点是同样尺寸的铂电阻 阻值( r 0 ) 比热敏电阻小，精度和稳定性两者相差无几。 电导率传感器主要为电极式和感应式，标称精度均为0 0 0 1 m s c m 。两种 传感器互为伯仲，各有所长。一般说来，电极式测量精确度高，抗干扰能力 强，但是时间常数大，易污染，清洗复杂。感应式的坚固稳定，响应速度快， 易清洗，但是易受电磁干扰，精度不高。美国海鸟公司采用电极式电导率传 感器，设计了潜水泵强制水流速度，消除盐度尖锋，成果显著。通过温度传 感器的时间常数，调节泵流量，实现数字补偿，有独到指出。但是，近来遭 到以下海洋微结构研究工作者的质疑，认为潜水泵的介入，破坏了海水的自 然状态。由于海鸟公司三电极时间常数较长，意大利的3 0 0 系列的c t d 剖面 仪，运用了无泵的大导流口径的7 电极与海鸟公司来竞争。 压力传感器多半是应变式与硅阻传感器。近来，硅阻式压力传感器有取 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 代应变式之势，精度在0 1 f s 左右。0 0 1 高精度压力传感器则采用带有 温度补偿的石英压力传感器。 目前，美国、日本、欧洲等发达国家，在c t d 技术方面比较成熟，无论 仪器精度和种类都雄霸世界海洋技术市场。我国在这方面起步较晚虽然发展 很快，但在测量精度等方面和国外差别很大，大部分产品还需从国外进口。 1 3 本课题研究的重点问题 在温度、盐度、深度的测量中，要达到高精度、快速响应不是一件容易 的事，对硬件软件的要求都非常高。在硬件电路中可能一个小小的焊接点， 都可能对测量结果产生很大的影响，所以在本课题的研究中围绕高精度、快 速响应，对硬件、软件设计进行了深入的研究。设计时主要关注的问题如下： 1 3 1 采集电路的零漂问题 在前端采集放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的 老化、半导体元件的参数随温度变化而产生的变化，都将会产生输出电压的 漂移，对于高、精测量电路这种漂移不可忽视。在阻容耦合放大电路中，这 种缓慢变化的漂移电压都将降落在耦合电容之上，而不会传递到下一级放大 电路进行放大【3 j 。但是，在直接耦合放大电路中，由于前后级直接相连，前 一级的漂移电压会和有用信号一起被传送到下一级，而且逐级放大，以至于 有时在输出端很难分清什么是有用信号，什么是漂移电压，以至放大电路不 能正常工作。 采用高质量的稳定电源和使用经过老化试验的元件就可以大大减小由此 而产生的漂移，而由温度变化所引起的半导体参数的变化是产生零点漂移的 主要原因，所以又称零漂为温漂。在温度、盐度、深度的测量中，这些参量 都是缓慢变化的信号，在前端信号处理时，不易采用阻容耦合放大电路，而 在直接耦合放大电路中，温漂又是直接面临的最大问题。要想实现高精度的 测量，零点漂移是必须注意的问题。 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 3 2 采集电路的噪声问题 要提高采集信号的分辨率，特别是微弱信号检测时，采集电路的噪声问 题就不得不考虑。当传感器检测到信号时，由于其幅度较小，一般需使用放 大器和其它电路对信号进行处理。但是，电子系统内部几乎所有的器件本身 往往就是噪声源h 3 ，在进行放大传感器信号的同时，这些噪声源产生的噪声 信号也同样被放大。在各种采集系统中，固有噪声的大小决定了系统的分辨 率和可检测的最小信号的幅度。如何设计电路，使采集电路的噪声达到最小， 实现噪声匹配，提高系统的分辨率，将是本课题设计中值得注意的问题。 1 。3 3 铂电阻测温的非线性校正 铂电阻由于其稳定性好、测温范围广，在测温系统中被广泛应用。但是， 铂热电阻的阻值和温度之间存在非线性关系，在应用中必须进行非线性校正。 铂电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下【5 】： 当温度，为2 0 0 t 0 时： r ，= r o 【1 + a t + b t 2 + c ( t 1 0 0 ) t 3j ( 1 1 ) 当温度f 为o 于 6 5 0 时： 置= r o 【1 + a t + b t 2j ( 卜2 ) 上式中，r ，r 。为温度分别为f 和0 。c 时的铂电阻值；a ，b ，c 为常数。由上式 知，不能由电阻值容易得到其所对应的温度值。其通常的方法是取对应的点 代入计算或用分段插值多项式近似，这样会使误差增大。所以，必须采用一 种有效的方法，在满足测量精度的前提下，建立所测电压值与其对应温度的 线性关系。 1 3 4 电导率测量中的几个问题 在海水盐度的测量中，归根到底就是对其电导率的测量。对电导率的测 量，是根据电化学反应的原理得到的。在分析电导率测量中所遇到的问题之 哈尔滨工程大学硕士学何论文 前，先介绍一下电解质溶液的导电机理。 由电化学知识可知，对电导电极施加直流电，将在阳极上发生氧化反应， 在阴极上发生还原反应，这就是法拉第过程【6 】。这时产生了电解产物，并且 有电极与溶液构成电势与外加电势相反的原电池，从而使电极间的电流减小， 等效溶液电阻增加，产生化学极化效应。同时在电解过程中，与电极接近处 溶液的离子浓度很快减少，由于从溶液中供给离子的速率，较因电子交换而 失去的离子的速率小。因而电极与溶液的接触面之间失去平衡状态。这也是 一种极化效应，称为浓差极化。 以下介绍双电层的形成【7 j ，通过双电层可以更好的理解极化效应以及电 容效应。当浸没在电解质溶液内的电极两端有电位差时，电流的瞬间波动可 能在电极表面产生过量或不足的负电荷。同时，由于离子是可移动的，紧靠 电极的溶液层获得相反的电荷，这种效应如图1 2 ( a ) 所示。带电层由两部分 组成：( 1 ) 紧密内层，其上电位随电极表面的距离增大而线性的减小；( 2 ) 分 散层，其上电位的减少呈指数关系；紧密内层和分散层的交界面称为外亥姆 荷茨面，如图1 2 ( b ) 所示，这种不均匀的电荷集合称为双电层。 外亥姆荷茨面 ( a ) 电极通电效应 ( b ) 外亥姆荷茨面 图1 2 双电层结构模型 从宏观上讲，对于直流电来说，双电层在形成时需要有瞬时电流通过， 电极上若无电化学反应，这个瞬时电流很快下降为o ，产生电极的极化【8 】；对 于交流电，每个周期内电荷关系都将发生一次颠倒，引起了一系列的电容效 应。电极表面交替吸引正负离子，离子主要在平衡位置处往复振动，电能主 要消耗在这种离子振动所产生的摩擦热上。这时每个电极表面都可以看作有 一个电容在起作用，该电容称为双电层电容，数量级常达几十到几百u f c m 2 。 6 ：审审审由亩6极一一一一一一一i唰闩h 哈尔滨t 程大学硕士掌位论文 同时在两个电极之间由于电荷的互相迁移以及电荷对电极的迁移形成电解电 容。 由上面对电解质溶液导电机理的分析，可知电导池在电导率测量中表现 为一个复杂的电化学系统。为了防止电极的极化，产生严重的测量误差，一 般来说，电导测量仪均采用交流电源作为电导激励电源。由此，电导电极可 等效为电阻和电容等效的网络【9 j ，如图1 3 所示。 c o 图1 3 电导池的等效电路 其中，c ，c ，为双电层电容，与溶液电阻r 。相串联；z ，z ：为发生电极反应， 产生化学极化和浓差极化时，两电极上的极化阻抗，也称法拉第阻抗。c 。为 电解质电容，与溶液电阻相并联，电极引线分布电容在高频、引线较长时， 可以达到几百到几千p f ，远大于电解质电容，分析时可以取代电解质电容与 溶液电阻并联。 针对电导池等效电路，对电导率测量所面临的问题作如下分析： ( 1 ) 激励源的选择：根据以上的分析可知，激励源的选取对电导率的测 量非常关键。对于直流电源来说，由于电极的极化作用，将会产生严重的测 量误差，而且电极的使用寿命也会大大缩短。所以，一般来说，在实际应用 当中不采用直流源作为激励源。但对于交流源电极极化现象可以忽略不计， 由电导池的等效电路知，其所出现的电容效应又不可忽视。如何寻求一激励 源，使电导池的等效模型简单，而且误差又小，也是本课题研究的重点。 ( 2 ) 在求解电导池等效模型的时间常数f 时( 在2 1 节有详细说明) ，由于 其模型的复杂性，需寻找一种有效、快速的方法，求解时间常数，这也是本 课题研究中不可缺少的一部分。 7 哈尔滨工程大学硕士学能论文 1 。4 论文主要内容及结构安排 本课题的最终目的是实现温度、盐度、深度测量的嵌入式设计。本文主 要内容是讲述基于删s 3 c 4 4 b o x 处理器，嵌入v x w o r k s 操作系统，实现 对温度、电导率、压力的测量，并通过l c d 屏实现温度、盐度、深度的显示， 完成通过串口对采集数据的上位机传输。 本文主要内容及各章节安排如下： 第1 章，在查阅国内外相关资料的基础上，对论文的选题和目前国内外 研究现状进行分析；对本课题研究中的重点问题进行了简述。 第2 章，系统的总体分析和设计，为后续的设计提供理论依据。具体包 括：对温度、盐度、深度的测量进行理论分析，寻求满足系统性能指标的设 计方案；对嵌入式v x w o r k s 操作系统进行介绍：对微处理器a r m 体系结构 进行简介；对整个系统实现的功能进行总体概述。 第3 章，硬件电路的具体设计与实现。具体包括：微处理器$ 3 c 4 4 8 0 最 小系统的设计，包括复位电路、电源电路、j t a g 接口、外扩存储器的连接； 各温度、电导率、压力测量电路的设计，实现对零点漂移的抑制、降低电路 噪声及满足电导率测量激励电源的设计：采集模块电源电路的设计；l c d 屏 接口电路的设计；对上位机的串口通讯电路的设计；按键电路的实现。 第4 章，整个系统程序的设计。具体包括：嵌入式系统的程序设计，包 括对v x w o r k s 操作系统启动流程的介绍、针对a r m 处理器板的b s p 设计、 操作系统的移植、开发工具的介绍：满足系统流程的总体任务规划；初始化 任务完成的功能介绍及设计；对串口的驱动，实现数据传输任务的设计；数 据处理任务的设计，包括基于b p 神经网络铂电阻测温非线性校正算法的实 现、求电导率常数的迭代运算；数据采集任务的设计，包括完成温度、电导 率、压力采集芯片a d 7 7 1 4 驱动程序的设计、电导率激励源采集芯片a d 7 8 9 5 驱动程序的设计；最后对l c d 屏的驱动，完成温度、盐度、深度的显示。 第5 章，系统的整体性能测试及结果的分析。具体包括：对整个系统的 性能进行测试，并对实验数据进行误差分析，分析整个系统的实时性。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 i nt 一n m ；i 菡j i ；i ；i 声i i i 高i ；i ；i i i i i 写i i i i 宣葺i 宣宣i 置i ；芎 第2 章系统总体分析及设计 温盐深测量系统包括水上和水下两部分，其总体原理框图如图2 1 所示a 通 讯 电 缆 图2 1c t d 测量仪工作原理图 本课题着眼于水下部分的信号检测与数据处理的设计，其中主要是各个 信号量的采集及转换，另外有数据的软件处理、传输、显示及检测电路供电 电源部分的设计。下面对温度、盐度、深度测量做一理论分析。 2 1 温、盐、深测量的理论分析 2 1 1 温度测量 由于被测对象的不同( 如对象的特性、尺寸、热容量、测温范围等) ，检 测的准确度要求，检测的目的不同，其检测方法也不同，采用的测温传感器 也不相同。测温方法根据温度传感器与被测介质的接触情况可分为接触式和 非接触式测量【l 例。接触式测量即将测温传感器与被测物体直接接触，达到热 平衡时进行测温：而非接触式测温则是不必将传感器与被测物体直接接触而 检测物体辐射热的测温法。常用的测温传感器的类型、测温范围和特点如表 2 1 所示。 9 哈尔滨- 【程大学硕士学位论文 表2 1 常用的测温传感器类型和测温范围 测温方法传感器 测温范围您特点 铂电阻 2 0 0 6 5 0 热 铜电阻 5 0 1 5 0精度高、测量范围大 电 阻镍电阻 6 0 - - 1 8 0 半导体热敏电阻 5 0 - - - - 1 5 0温度系数、非线性大 接 铂铑铂热电偶( s ) 0 1 3 0 0不宜还原气体中用 触 式 铂铑一铂铑热电偶( b ) o 1 6 0 0用于氧化气氛中 测 热 温 电 镍铬一镍硅热电偶( k ) o 1 0 0 0用于氧化、惰性气体 偶 镍铬一康铜热电偶( e ) 2 0 0 7 5 0热电势大、稳定性好 铁一康铜热电偶( j )4 0 - 6 0 0用于氧化、还原气体 二极管 1 5 0 - - 1 5 0体积小、灵敏度高 i c 温度传感器 5 0 - - 1 5 0线性度好、价格低 非接触 光学高温计9 0 0 2 0 0 0灵敏度、精度较高 热辐射温度传感器 l0 0 2 0 0 0检测波长的能量 式测温 二色温度计1 0 0 3 0 0 0 根据上表中各传感器的特点，考虑到海水的特性及测温方便性，本课题 选用物理、化学性能非常稳定的铂电阻。其长时间稳定的复现性可达1 0 4 k t 5 1 ， 是目前测温复现性最好的一种温度计。 铂电阻的精度与铂的提纯度有关，铂的纯度通常用百度电阻比( 1 0 0 1 表 示，即： w o o o ) = 挚 ( 2 1 ) k o 在此选用百度电阻比w o o o ) = 1 3 9 1 ，分度号p t l 0 0 的铂电阻，则铂电阻丝的电 阻值与温度之间的特性方程( 卜1 ) 、( 1 - 2 ) 式中的凰，彳，b ，c 分别为： r o = 1 0 0 q a = 3 9 6 8 4 7 1 0 3 b = 一5 8 7 4 x1 0 。2 c ：- - 4 。2 2 x 1 0 1 2 4 铂电阻测温，是根据被测介质温度变化而引起铂电阻阻值的变化。测量 电路的首要任务，是将铂电阻的电阻变化( 艘，) 转换成电压信号( 杉) ，为了 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 便于对信号进行处理，这种转换应该是线性的，对于这种转换一般采用一个恒 定电流，流过热电阻即可完成，即a v t = r i d ? ，i 。另外考虑铂电阻自然温升的 问题1 1 1 。即当电流流过铂电阻时，势必产生一定的热量，此热量会引起铂电阻 幽，的变化，因而影响测量精度。因此，在实际应用中，应尽量减小恒流电流j 的数值，在本系统温度测量中选用恒流源为l m a 。 根据( 1 - 1 ) 式，当温度t 为2 0 0 r o 时 i d r ：r oa + 2 b t + c t 3 + 3 c o 一1 0 0 2 】 ( 2 2 ) “l 则积。岫 瑚= 。4 胁，由测量精度拟定为士o 0 5 。c ，由于误差等因素，设定 d t = 0 0 0 5 。c ，巩面k = 1 9 8 4 1 0 。3 q ，即当f _ c o ( p f 级) f s 】。在高阻溶液或者采用高频激励源 岛 图2 3 进步简化等效电路图 1 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 情况下，双电层电容c x 容抗相对很小，则双电层电容可以省略掉，得到进 步简化的等效电路如图2 3 ，电导池等效为溶液电阻和引线分布电容相并联。 ( 2 ) 选频电导率测量【1 7 】【1 8 】 根据上面的分析可知，可以采用频率可变的激励源，来减小电容效应的 影响，提高测量精度，本课题采用选频法来测量电导率。由电导池简化等效 电路，选频法测电导率原理框图如图2 4 所示。 图2 4 选频法测电导率原理框图 图中r x 与c o 并联，为电极等效电路，r 1 为分压电阻，与电极棒相分压。 激励源为幅值等于e 的方波，电极输出v o ，经运放缓冲，然后整流得v o l ，再 经滤波，缓冲输出得直流量v ，供a i d 转换器进行采集。 最终目的是求出溶液电阻r x ，则应先求分压电阻r l 和虚线框电极等效电 路部分组成的阻容网络的充放电时间常数f 。由电路理论知识得知，该阻容 网络仅有一个动态元件c o ，为一阶电路，时间常数f = r c o ，r 为从动态元件 c 。两侧看进去的等效电阻【1 6 1 ，本阻容网络为r l r x ，所以有： f = 俅，r 。) c 。 ( 2 一1 2 ) 在激励源采用周期性方波的情况下，电极棒输出电压如图2 5 所示。实 e o e 。 j 2 “” 列网同 刁 r 1 1 目3 t q5 t | n 7tt 图2 5 电极棒输出电压 线是电极输出电压v o 进入稳态后的充放电波形，由于激励源是周期性方波 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 虚线所示，幅值为e ) ，所以v o 也为周期波。设脉宽为t ，周期为2 t ，根据电 路知识【1 6 】，可以推出在一个周期内电极棒输出电压v 。的表达式( 其中v 。( t ) 表 充电时电压，v 。( t ) 表放电时电压) ： ( 2 - 1 3 ) 然后v o 经过负半波精密整流电路得输出电压v o l ，其输出波形如图2 6 所示【3 1 0 v o v 图2 6 负半波整流输出电压及滤波输出电压 么，t s 为电压过零时间点，t 弋z k ( 2 1 3 ) 式，由k o 月) = 0 、o 口) = 0 ，解得： 在0 2 t 一个周期内积分，得半波整流下的输出电压平均值v ： y = 刍( j 。( - ko + 7 ( _ 砭。胞) = 毒譬睦+ 事- n 生) ( 2 m ) 由式( 2 1 2 ) 知，f 与r x 和c o 有关，是未知量，故直流量v 在e ，r i ，t 己 知条件下可以看作r x 和f 的二元函数。如果选择激励源两种工作频率f l 和 ( 对应t 1 2 1 2 f i ，t 2 5 1 2 f 2 ) ，代入式( 2 1 5 ) ，得到两个对应的直流输出v l 和v 2 ， 两式相除，消去r x 可以得到关于r 的方程： r 隰m 竿一专h 竿h 一班 浯蚓 在激励源工作频率为f l 时，由直流输出c a - 压, v i ，根据式( 2 1 5 ) ，可以得出r x ： f ， 一_ 廿 毋一毋 兰毋生 二+ 一o 一罡引m 堕一hx，bj 巩一峨啦一 南喃 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 皂是 疋2r 了 i 矿百( 2 - 1 7 ) i n - 二 2 互 2e 这样，根据激励源的周期t l 、t 2 及幅值e 和测得的与其对应的直流输出电 压v 卜v 2 ，就可以求出时间常数f 和被测溶液电阻，消除了引线分布电容的 影响。具体上述方程求解方法，将在数据处理任务4 5 2 小节中说明。 根据电磁场理论【1 9 】：直径为2 a 、长度为，的两根金属导体，在介质中平 行间距为d 时，如果满足：2 a ，、2 a d 可推导出其电阻r x 与介质的电导 率万的关系为： r ，= _ 1 ( 2 1 8 ) 上式与，和d 无关。当测出被测溶液的电阻r x 时，即可利用上式求出其对应的 电导率万。 2 1 3 深度测量 海水深度的测量，实际上就是海水压力的测量。通过压力传感器检测海 水压力，再经换算而得到水深即水位值。在这个换算过程中，由于要用到海 水的密度及重力加速度，因此海水的密度及重力加速度的误差将会引入到水 位值中。 海水压力与水位的换算公式为： 向：三 ( 2 一1 9 ) g p 式中：p 海水压力，p a ； 卜测量点的重力加速度，m s 2 ； p 海水的密度，k g m 3 ； 由式( 2 1 9 ) 可以看出，水位与测量点的压力，重力加速度及海水密度有关。 海水的密度p ( 平均密度为1 0 2 5 1 0 3 k g m 3 ) 及重力加速度g 近似为常数f 2 0 1 ，故 要测量某点海水的深度，只要测量出该点的压力即可。测量仪在海水中的位 置越深，受到的压力也越大。 1 7 哈尔滨下程大学硕十学位论文 2 2 系统操作平台及开发环境 2 2 1v x w o r k s 操作系统简介 为提高系统的稳定性，实现系统的小型化、智能化设计，本课题利用 v x w o r k s 实时嵌入式操作系统( r t o s ) 对整个系统进行管理控制。操作系统的 引入，增强了程序的可读性、易维护性，提高整个系统的响应速度，能更合 理、有效地利用c p u 。v x w o r k s 操作系统是目前软件工程师采用最多的用于开 发实时嵌入式系统的商用实时操作系统，是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 7 年推出 的【2 l 】。它是一个3 2 位的实时操作系统，支持3 2 位以上的嵌入式微处理器，如 i b m 的p o w e r p c 、m i p s 系列、a r m 系列等。它以良好的性能和方便的开发平 台，被广泛地应用在国防、航空航天、通信、消费电子、工业控制、汽车电 子等领域。 v x w o r k s 操作系统有如下一些针对实时嵌入式系统设计的特点【2 2 】： ( 1 ) 强实时性：v x w o r k s 在8 0 4 8 6 处理器6 6 m h z 下的t c ( 任务切换时间) 、 t s ( 系统调用时间) 和中断响应时间都在几个微秒，而且更重要的是v x w o r k s 在 设计时保证了系统响应时间的准确性。 ( 2 ) 微内核设计：v x w o r k s 采用微内核设计方法，操作系统的基本功能 有w i n dk e m e l 提供，其它系统功能以系统组件的形式存在，保证了系统的可 配置性和可裁减性。 ( 3 ) 可裁减性：v x w o r k s 适应嵌入式系统多样性的特点，提供了高度的 可裁减性，系统最小可裁减到8 k b ，而且这种减裁可以做到基于函数的裁减。 ( 4 ) 可移植性：操作系统可以认为是提供了系统功能函数的函数库， v x w o r k s 在设计的时候，这些函数库只与目标机c p u 体系结构相关，与我们的 硬件板设计无关，所以操作系统具有很好的移植性，与硬件相关的程序完全 由b s p ( 板级支持包) 提供。 ( 5 ) 可靠性：构造一个高可靠性系统要由整个系统设计来保证，v x w o r k s 操作系统为了支持软件的可靠性设计，提供了分布式消息队列和异常处理等 机制支持系统的冗余设计和容错设计。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 2 2a r m 体系结构简介他3 儿2 4 h 2 5 3 鉴于目前删微处理器在国内的广泛应用和广阔的发展前景，本设计中 采用了一款a r m 处理芯片作为系统的处理器。考虑到系统需求和芯片的性能 比，本系统最终采用q s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 8 0 x 处理器，其片内集成了 a r m 7 t d m i 核。它可以嵌x v x w o r k s 操作系统，且最高时钟频率可以达到 6 6 m h z ，并在a r m 7 t d m i 核基本功能的基础上集成了丰富的外围功能模块， 便于低成本设计嵌入式应用系统。 a r m 公司目前有多个系列的产品如a r m 7 、a r m 9 、s t r o n g a r m 、x s c a l e 等，其中删7 系列是a 州公司最早为业界普遍认可且得到了广泛应用的。 其适用于对成本和功耗都非常敏感的应用，主要特点如下： ( 1 ) 3 级流水线的冯诺依曼结构：a r m 7 t d m i 处理器使用3 级三级流水 线，指令的执行分3 个阶段：取指、译码和执行。当正常操作时，在执行一条 指令期间，其后续的一个指令译码，且第3 条指令从存储器中取指。 ( 2 ) 支持a r m 和t h u m b 指令：a r m 处理器有两类指令集，a i 洲指令集 和t h u m b 指令集。a r m 指令集中的指令是3 2 位指令，其执行效率高；t h u m b 指令集是对a r m 指令集的一个子集进行重新编码而得到的，其指令长度为1 6 位，可以提高编程代码密度。 ( 3 ) 7 种处理器模式：a r m 处理器共支持7 种处理器模式，其程序状态寄 存器c p s r 【4 ：0 】与7 种工作模式如表2 2 所示： 表2 2a r m 操作模式 c p s r 4 ：0 】 模式用途 1 0 0 0 0用户正常用户模式，程序正常执行 1