（控制理论与控制工程专业论文）基于海洋资料浮标的无线测风仪的研究.pdf

基于海洋资料浮标的无线测风仪的研究 摘要 海洋资料浮标是进行海洋观测的一个重要部分，根据用途的不同，分为水文气象浮 标、水质检测浮标、波浪浮标等等。它的主要特点是能够在恶劣海况下全天侯或全天时 工作，获取海洋信息。它的主要功能是收集各种需要的数据、记录数据，并把数据传发 给基站。因此，数据采集、传感器技术、通信技术的应用非常重要。 本文介绍了一种应用于海洋资料浮标上的无线铡风仪的设计方案，它的核心是数据 采集系统和通信处理系统，主要任务是采集处理所需风速和风向数据。本文阐述了它的 工作原理，分析了这项研究中应用的关键技术和难点。在论文中，详细介绍了整个数据 采集系统的原理、具体方法、整体方案、硬件电路设计和软件设计，最后对这项研究的 试验部分进行了介绍。 本课题主要是对测风传感器和数据采集系统的研究，采用小飞机式测风传感器，它 利用螺旋桨测风速，利用尾翼测风向，其测量范围较广，分辨率高，技术水平已达到国 内先进水平。在设计数据采集系统的时候，考虑到实际应用的因素和节约成本的需要， 单片机采用了5 l 系列单片机8 9 s 5 2 ，同时使用大容量e 2 p r o m 存储数据，外扩一块液晶 显示模块，人机界面友好。采用v h f 电台作为数据收发设备，实现了实时接收数据，通 过通讯协议提高数据的可靠性。 数据采集系统是测风仪的重要组成部分，它的设计实现既要结合实际需要，又要尽 可能的做到低功耗、低成本、高性能。本次课题选用c 语言编写了系统的下位机软件， 用v b 编写了上位机软件，软件设计简洁、实用，可实现对数据采集系统的控制和管理。 论文最后对本课题做了总结并对下一步的工作进行了展望。 关键词；测风传感器；数据采集；风速；风向；v l t f 通信 r e s e a r c hf o rw i r e l e s sw i n dm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t u s e di nm a r i n ed a t ab u o y a b s t r a c t m a r i n ed a t ab u o yi sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h eo o e a no b s e r v a t i o n a c c o r d i n gt ot h e p u r p o s e sa n dw o r k i n gm e t h o d s ，t h e ya r ec l a s s i f i e di n t oh y d r o - m e t e o r o l o g i c a lb u o y s ，w a t e r q u a l i t yd a e c t i o nb u o y s , w a v eb u o y sa n ds oo n w o r k i n gu n d e rb a dw e a t h e ra l l - w e a t h e ra n d a l l - t i m et oa c q u k eo c e a ni n f o r m a t i o ni st h e i rm a i nf e a t u r e a c q u i r i n ga l ln e e d e dd a t a , r e c o r d i n gt h ed a t aa n dt r a n s m i t t i n gt h ed a t at ot h eb a s es t a t i o na r ei t sm a i nf u n c t i o n s s oh e r e , d a t aa c q u i s i t i o n , s e n s o rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yp l a ya ni m p o r t a n tr o l e o nt h i sa p p l i c a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t san e ww i r e l e s sw i n dm e a s u r e m e n ti n s t r u n a e n tu s e di nt h eo c e a nd a t a b u o y s t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi st h ec o r eo f t h i ss y s t e m i t s m a j o rt a s ki st oa c q u i r ed a t ao n 丽n ds p e e da n dw i n dd i r e c t i o nn e e d e dt od e a l 惭n 1 t h i s p a p e rd e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h i ss t u d ya n dt h ea p p l i c a t i o no fk e yt e c h n o l o g i e s a n dd i f f i c u l t i e s i nt h ep a p e r , ad e t a i l e da c c o u n to ft h ee n t i r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s p r e s e n t e d ，a n di ti n t r o d u c e st h es p e c i f i cm e t h o d s ，t h eo v e r a l lp r o j e c t , h a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g n a tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep a r to f e x p e r i m e n t s t u d yo nw i n dm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o ni st h ei s s u e se o r ep a r ta n d m a i nt a s k w i n dm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tu s e sad e v e l o p i n gs m a l l a i r c r a f tw i n ds e n s o r ， w h i c hu s i n gs e r e wp r o p e l l e rt od e t e r m i n ew i n ds p e e da n du s i n gi t st a i lt od e t e r m i n ew i n d d i r e c t i o n i th a sw i d em e a s u r e m e n tr a n g e h i g hr e s o l u t i o na n di t st e c h n i c a ll e v e lh a st e a c h e d t h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l i nt h ed e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t a k i n gi n t o a c c o u n tt h ep r a c t i c a lf a c t o r s ，a n dc o n s i d e r i n gt h en e e dt oc u tc o s t s ，t h i ss y s t e mu s e st h e 8 9 s 5 2o f5 1s e r i e sa n de 2 p r o m 器m e m o r yc h i p s f i n a l l yh a v i n gr e g a r dt ot h el o w c o s t o p e r a t i o n , i n s t a n tc o m m u n i c a t i o nf e a t u r e s ，t h i sp a p e rc h o o s e sav h fr a d i oa st h ed a t a t r a n s c e i v e rs e t m e a n w h i l et h i ss y s t e ma d d sa na d d i t i o n a ll c dm o d l l l ef o rt h ec o n v e n i e n c e o f e x p e r i m e n t sa n df a u l td e t e c t i o n d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tp a r tf o ro c e a nd a t ab u o y , a n di t s d e s i g ni sn o to n l yt om e e tt h ea c t u a ln e e d s ，b u ta l s ot om a k ei tl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o w c o s ta n dh i 曲p e r f o r m a n c a sm u c ha sp o s s i b l e t h ev bl a n g u a g ew a sc h o s e nf o rt h eh o s t c o m p u t e rs y s t e ms o f t w a r e , a n dm a k e st h es o f t w a r ed 眵i g ns i m p l ea n dp r a c t i c a l t h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mc a nb ec o n t r o l l e da n dm a n a g e d a tl a s t , t h i sp a p e rm a k e sas u m - u pf o rt h e s t u d ya n dv i e w st h es t u d yi nf u t u r e k e y w o r d s ：w i n ds e n s o r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；w i n ds p e e d ；w i n dd i r e c t i o n ；v h f c o m m u n i c a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含未获得l 注；翅遗直墓他盖要 挂剔直明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：容诰象签字日期：两卞6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：喙希缸 导师签字： 签字r 期：历刀年( 月易日 f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 烈嵌 签字日期：二一刁年占月z 日 ， 电话： 通讯地址： 邮编： 堆十海洋资料浮标的尤线测风仪的埘 究 第一章前言 1 1 现代海洋开发以及海洋资料浮标 海洋是一个新兴的具有战略意义的开发领域，海洋占地球表面的7 0 9 6 ，蕴藏 着无尽的资源，如何利用这一资源，是当前世界各国密切关注的问题，随着科学 文化的发展，人类对资源的需要一天比一天多，依靠现代科学技术探索海洋的奥 秘，深化人类对海洋的认识，丰富人类的科学知识宝库，又可以在海洋发现新的 可开发资源。 海洋资源的研究是随着科学技术的不断进步不断深化的，尤其是电子技术应 用于海洋石油开发以后，形成了海洋石油工业，后来又逐步形成了更多新兴的海 洋开发产业。而海洋观测技术更是开发海洋的先行，当前海洋观测技术发展的主 要特点是：点面结合，对海洋环境进行立体观测，并与先进的通信手段相结合， 形成实时观测网，充分利用新技术，发展轻便，快速，智能，高效，优质的观 测仪器设备。 海洋资料浮标是随着科学技术的发展和海洋观测环境监测，预报的需要而迅 速发展起来的新型海洋环境监测工具，具有长期、定点、连续、实时、全天候自 动观测的优点，能直接为海洋水文气象预报、防灾减灾、海洋资源开发、海上交 通、沿海工农业生产、海上军事活动等服务。 海洋资料浮标一方面为海洋预报提供实时资料，一方面供海洋开发和研究部 门使用，因此，在当代海洋调查观钡和研究中，海洋资料浮标已经成为一种重要 的海洋观测设备，它具有观测精度高和连续观测地特点，根据这些观测资料，探 讨海洋环境要素的变化规律和物理机制，提出新的理论预报，以适应预报的需要。 1 2 本次课题提出的背景和意义 随着人们对海洋的认识不段深化，开发利用蕴藏在海洋中的丰富的资源，必 须优先发展海洋观测技术，海洋观测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础。 现代海洋检测技术是融合现代检测技术、传感器技术、通信技术等等现代高科技 而形成的知识密集型学科，它加快了产业化进程，有效的促进了海洋经济的发展， 提高了海洋资源的勘探能力。 世界各国对于海洋环境自动观测、数据采集、处理、控制和信息传输非常重 视，尤其是几个主要的大国，都相继建立了完善的海洋台站监测网，不但遥测、 遥感、通讯、卫星等高技术的发展和应用成为重要的研究课题，计算机技术、数 堆卡海洋资料浮标的无线测风仅的研究 据通讯技术及高性能可靠性器件和新材料在数据采集处理控制装置上得以应用， 因此，研制通用型模块化的数据采集和处理控制系统是我国海洋气象事业发展的 需要。 在现代社会中随着科学技术的飞速发展，各个领域中，对数据采集和处理的 需要越来越多，数据采集技术应用越来越广泛而利用无线传输通讯模块可以使 m c u 数据采集系统很准确快捷地把测量数据传输给p c 机或其他接收设备，组成 了无线通讯传输系统。随着现代海洋开发事业的迅速发展，对准确、实时的海洋 学和气象学资料的需求量迅速增加。本次课题是基于海洋资料浮标的无线测风仪 研究，它工作在特定无人职守的海洋环境下，并自动定时采集风速风向数据，自 动存储记录，最后将数据通过v h f 通信机发送到接收站的小型测量仪器中。该风 速仪主要用于海洋资料浮标的沿岸海洋环境监测站和近海环境工程的监测工作。 也可以工作在其他场合，只需修改部分参数即可，因需要而定。 1 3 国内外对海洋浮标的数据采集系统的研究现状以及发展动态 国外在这个领域的研究发展较早在第二次世界大战结束之后就开始研制海 洋资料浮标，起初仅用于海洋科学研究试验，2 0 世纪7 0 年代达到可以业务使用 的程度，8 0 年代开始成为某些国家海洋环境监测的一种常规手段。他们主要的 发展趋势有以下几个方向： 1 研制新型传感器，增加测量项目，扩大浮标的监测能力 在种类方面，国外着重发展两类传感器，一是供海一气交换研究使用的传感 器，二是，供海洋污染监测使用的传感器。在性能方面，国外着重发展智能化传 感器( s m a r ts e n s o r ) 。就是在原来浮标使用的普通传感器内再引入单片机技术， 使其性能获得显著提高。 2 数据采集、控制、遥测装置通用化、标准化、在浮标和其他监测系统上 大规模的推广使用代表性的是美国n d b c 的数据采集，控制、遥测装置( d a 阱) 。 3 ，使用卫星等方式双向数据传输技术，实现遥测遥控，增强浮标应变能力。 4 广泛使用太阳能供电，开辟浮标能源新途径。 5 不断开发并采用新工艺、新材料制作浮标以及浮标中的设备。 新技术和新材料的使用促进了浮标总体技术的发展，采用了先进的传感器和 仪器，增加的测量传感器，扩大了功能是数据采集系统更精确、功能增加。先进 的数据采集和通讯系统提供多用户、多编程过程保护和网络等这些现代桌面工作 站才有的功能。 我国海洋浮标的发展，首先是从海洋仪器的发展，初期是把海洋浮标作为一 种海洋仪器设备列入这序列，而不是作为一个系统，直至4 现在已形成有一定授模 肇十海洋资料浮标的无线测风仪的研究 的有了配套保障条件的浮标网，更为全面的采集数据和更多的应用。 4 课题研究的主要任务和意义 序言部分使用了较多的篇幅对本次课题的载体，即海洋资料浮标和它的发展 和意义作了大致的介绍，由于本次课题的小型无线测风仪工作环境特殊，所以对 其工作环境的了解可以更好的有针对性地涉及整个系统。 本次论文的主要工作是：利用小飞机式测风传感器采集风速风向数据，设计 风速风向数据采集处理电路，每隔2 s 采集一次风速风向数据，通过数据处理， 获得l o 分钟平均风速、3 小时最大风速、l o 分钟平均风向的资料，存储并可以 查询，要求风速的测量范围为0 7 5 m s ，测量准确度0 5 m s ( 当v 5 o m s ) 1 0 ( 当v 5 o n s ) ，风向测量范围0 3 6 0 。，测量准确度f ，收集到的风 速脉冲信号和风向信号，经过调理，最后数据并用v h f 电台发送到接收站。 针对提出的课题得主要工作，所以本次研究的主要任务是： 1 根据这次研究的主要工作内容，提出可行的设计方案。 2 元器件的选择。在考虑系统的功耗、精度、测量范围、稳定性等各方面的特点 的基础上选择适于本系统的各种器件 3 硬件电路的设计。硬件电路采用了模块化设计方法，主要包括电源电路设计、 数据采集电路设计、信号调理电路设计、时钟电路设计等，在保证各功能模块功 能实现的情况下再进行整体电路设计。 4 采用c 语言编写驱动程序并调试电路。 5 用v b 编写上位机软件。功能是实现数据的实时显示、存储、查询等功能。 对海洋资料浮标的测风仪的研究对整个海洋资料浮标是重要的任务。其中小 型无线测风仪的研究，是十分有意义而且紧迫的任务，这次研究的意义和必要性 如下： 1 ) 更大程度的满足我国气象及沿海勘测工作的需求。 2 ) 不断完善的浮标以及采集系统的研究增强了我国海洋科学的竞争能力。 桀十海洋资抖f 7 标的光线测风仪的研究 第二章小飞机式风速风向传感器的介绍 2 1 传感器技术的介绍 2 1 i 传感器技术的发展和概述 传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水 平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器产业也是国内外公 认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、 市场前景广等特点为世人瞩目。 传感器技术及其产业的特点是：基础，应用两头依附；技术、投资两个密集： 产品、产业两大分散 基础、应用两头依附，基础依附是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏 感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别，敏感材料多种多 样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支持，传感器 技术难以为继。 传感器技术的发展，主要有以下几个方面： l 发现并利用新现象 利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象 与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。例如日 本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突 破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器 件简单。可用于磁成像技术。有广泛推广价值。 2 利用新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各 种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器：光导纤维能制成压力、 流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。商分子聚合物能随周 围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子 能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化， 即可得出相对湿度。利用这个原理可制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感 器。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信技术。在光通信 利用中发现当温度、压力、电场、磁场等环境条件变化时，引起光纤传输的光波 强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波 4 毓十海洋资料浮标的无线测风仪的研究 量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导 纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度商，结构简单、 体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。光纤传感受器与 集成光路技术相结合，加速光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光 学元件和无源光器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠性高， 成本低。 3 微机械加工技术 半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，各向 导性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新 型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应 的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。 4 集成传感器 集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感 器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、 补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量，例如美国l u c a s 、 n o v a s e n s o r 公司开发的这种血压传感器，每星期能生产l 万只。 5 智能化传感器 智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的 成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点： 具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，因而提高测 量精度； 可实现多传感器多参数测量； 有自诊断和自校准功能，提高可靠性； 测量数据可存取，使用方便； 有数据通信接口，能与微型计算机直接通信 把传感器、信号调节电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化 的高级智能传感器。智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航 局在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器( s m a r ts e n s o r ) ，在宇宙飞船 上这种传感器是非常重要的。我国在这方面的研究与开发还很落后，主要是因为 我国半导体集成电路工艺水平有限。 传感器的发展日新月异，特别是8 0 年代人类由高度工业化进入信息时代以 来，传感器技术向更新、更高的技术发展美国、日本等发达国家的传感器技术 发展最快，我国由于基础薄弱，传感器技术与这些发达国家相比有较大的差距。 因此，我们应该加大对传感器技术研究、开发的投入，使我国传感器技术与外国 差距缩短，促进我国仪器仪表工业和自化化技术的发展，因此对传感器的研究是 娃十海洋资科浮标的光线涮风仪的研究 什么有意义的。 而技术推动是加速传感器技术发展的保证和机遇。几十年来，以微电子技术 为基础，促进了传感器技术的发展。同时，多学科、多种高新技术的交叉融合， 推动了新一代传感器的诞生与发展。 2 1 2 传感器原理和测风仪中风速风向传感器的设计 传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信 号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、 显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果计算 机是大脑，传感器就相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量， 对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传感器要求越高。在今天 的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，卸传感技术、通信 技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速 发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信 息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感器因功能、特 性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加快对传感 器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。 s e n s o r ( 传感器) ：由个转换器和一些信号调节电路组合而成。转换器把 一些诸如风速、风向、温度、压力、湿度等的物理务件转换成一个电信号( 典型 信号为电压或者电流) 。信号调节电路也许接着再进行放大和滤波，或者进行其 他类型的校正。 国家标准g b 7 6 6 5 - 8 7 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一 定的规律转换成可用信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成”。传 感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一 定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、 存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 广义上，传感器就是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器 件。国际电工委员会i e c 的定义为：“传感器是测量系统中的一种前嚣部件，它 将输入变量转换成可供测量的信号”。 下图是传感器的原理框图： 6 娃十海洋资料浮标的无线测风仪的研究 磅v 信疆形嚣 _ 八 蜘 j 琏跫躺 爿麟e ) - - i 1 、 传感器系统j 图2 1 传感器系统原理图 随着现代科技不段的进步，微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广 泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的 作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系 统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。 传感器系统的原则框图示于上图，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混 杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳 特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一 些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻 的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。 对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有 只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合 均需要的基本要求是： 高灵敏度抗干扰的稳定性( 对噪声不敏感) 线性容易调节( 校准简易) 高精度高可靠性无迟滞性工作寿命长( 耐用性) 可重复性抗老化高响应速率抗环境影响的能力 选择性安全性( 传感器应是无污染的)互换性低成本 宽测量范围小尺寸、重量轻和高强度宽工作温度范围 2 2 小飞机式测风传感器的硬件设计 本次课题用到的传感器，是测量风速和风向的传感器，它的风速风向的采 集是低频信号( 如机械运动量) 的测量，本文所提到的测风传感器，是由a b s 工程塑料模压成型的外形比较类似飞机模型，故称为小飞机式测风传感器。 它是由螺旋桨、机身和尾翼3 部分组成，螺旋桨具有4 片叶片。风吹叶片使螺 旋桨转动，转动速度与风速大小成正比，尾翼起舵的作用，使整个测风仪永远 处在顺风方向，利于风向测量。 牲于海洋资料浮标的无线测风仪的研究 小飞机式测风传感器系统电路原理如图： 尾翼 i ( 风向) 格。 | | | 伽 格光 并行输出 禹1 敏 一放大整形 l 管 管 盘 扩 由渡 】i 一l 厂 ( 风速) 脉 永譬 螺旋桨l 久尔 - 1 整形黜卜_ 一 l 磁开 钢关 轮 2 1 1 格雷码的介绍 图2 2 传感器系统结构原理图 图2 3 小飞机式传感器外观实物图 出 ( 英文：g r a y c o d e0 1 g r e y c o d c , 二进制循环码) 是1 8 8 0 年由法国工程师 j e a n - m a u f i c e - e m l l eb a u d o t 发明的一种编码，是一种绝对编码方式，典型的格雷 码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随 机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。另外格 璀十海洋资料浮标的无线测风仪的埘究 雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，因为，虽然自然二进制码 可以直接由数，模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的3 转 换为4 时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而 格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减 少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。由于这种编码相邻的两个码组之间 只有一位不同，因而在用于风向的转角位移量一数字量的转换中，当风向的转角 位移量发生微小变化( 而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，这样 与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。 但格雷码不是权重码，每一位码没有确定的大小，不能直接进行比较大小和 算术运算，要经过一次码变换，变成自然二进制码，再由上位机读取。解码的方 法是用0 和采集来的4 位格雷码的最高位( 第4 位) 异或，结果保留到4 位， 再将异或的值和下一位( 第3 位) 相异或，结果保留到3 位，再将相异或的值和 下一位( 第2 位) 异或，结果保留到2 位，依次异或，直到最低位，依次异或转 换后的值( 二进制数) 就是格雷码转换后自然码的值。 2 1 2 小飞机式测风传感器的主要性能 测量范围：风速：l 一7 5 m s ；风向：0 - - 3 6 0 。 分辨率：风速：0 i m s ；风向：5 。 启动风速： 1 8 0 耐 1 2 筚f 海洋资料浮标的无线测风仪的研究 2 5 传感器接口的抗干扰设计 2 5 1 传感器干扰简介 许多干扰因素影响着传感器的测量精度，如各种信号线绑扎在一起或走同一 根多芯电缆，信号会受到干扰，特别是信号线与交流动力线同走一个长的管道中 干扰尤甚；多路开关或保持器性能不好，也会引起通道信号的窜扰；空蚓各种电 磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干扰传感器的正常工作；此外，现场 温度、湿度的变化可能引起电路参数发生变化，腐蚀性气体、酸碱盐的作用，模 拟传感器输出的一般都是小信号，都存在小信号放大、处理、整形以及抗干扰问 题，也就是将传感器的微弱信号精确地放大到所需要的统一标准信号( 如i v d c 5 v d c 或4m a i c 2 0 m a d o ，并达到所需要的技术指标。这就要求设计制作者 必须注意到模拟传感器电路图上未表示出来的某些问题，即抗干扰问题。只有搞 清楚模拟传感器的干扰源以及干扰作用方式，设计出消除干扰的电路或预防干扰 的措施，才能达到应用模拟传感器的最佳状态。 凡是传感器接口电路都存在小信号处理问题，因为传感器的输出一般都是小 信号，将其精确的放大到所需要的信号( 如0 5 v ) ，并能达到所需要的技术指标， 就必须注意到电路图上未表示出来的某些问题，即抗干扰问题，在进一步讨论电 路元件的选择、电路和系统应用之前，有必要进行讨论。 2 5 2 干扰源、干扰种类及干扰现象 传感器及仪器仪表在现场运行所受到的干扰多种多样，具体情况具体分析， 对不同的干扰采取不同的措施是抗干扰的原则。这种灵活机动的策略与酱适性无 疑是矛盾的，解决的办法是采用模块化的方法，除了基本构件外，针对本课题传 感器运行场合，仪器可装配不同的选件以有效地抗干扰、提高可靠性。在进一步 讨论电路元件的选择、电路和系统应用之前，有必要分析影响模拟传感器精度的 干扰源及干扰种类。 l 、主要干扰源 1 ) 静电感应；静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容，使 一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去，因此又称电容性耦合。 2 ) 电磁感应；当两个电路之间有互感存在时，一个电路中电流的变化就会 通过磁场耦合到另一个电路，这一现象称为电磁感应。 3 ) 漏电流感应：由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电 容内部介质或外壳等绝缘不良，特别是传感器的应用环境湿度较大，绝缘体的绝 壤十海洋资料浮标的光线测风仪的研究 缘电阻下降，导致漏电电流增加就会引起干扰。尤其当漏电流流入测量电路的输 入级时，其影响就特别严重。 4 ) 射频干扰；主要是大型动力设备的启动、操作停止的干扰和高次谐波干 扰。如可控硅整流系统的干扰等。海洋浮标上其他的大型设备比较多，因为对传 感器有射频干扰。 5 ) 其他干扰；除了易受以上干扰外，由于本系统工作环境较差，还容易受 到机械干扰、热干扰及化学干扰等。 2 、干扰的种类 1 ) 常模干扰；常模干扰是指干扰信号的侵入在往返2 条线上是一致的。常 模干扰来源一般是周围较强的交变磁场，使仪器受周围交变磁场影响而产生交流 电动势形成干扰，这种干扰较难除掉。 2 ) 共模干扰；共模干扰是指干扰信号在2 条线上各流过一部分，以地为公 共回路，而信号电流只在往返2 个线路中流过。共模干扰的来源一般是设备对地 漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。由于线路的不平衡状态，共模干扰 会转换成常模干扰，就较难除掉了。 3 ) 长时干扰：长时干扰是指长期存在的干扰，此类干扰的特点是干扰电压 长期存在且变化不大，用检测仪表很容易测出。 4 ) 意外的瞬时干扰：意外瞬时干扰主要在电气设备操作时发生，如合闸或 分闸等，有时也在伴随雷电发生或无线电设备工作瞬间产生。 干扰的产生可分为3 个方面： ( 1 ) 局部产生( 即不需要的热电偶) ： ( 2 ) 子系统内部的耦合( a p 地线的路径问题) ； ( 3 ) 外部产生( b p 电源频率的干扰) 。 3 、干扰现象 在应用中，在本次课题的运行环境中常会遇到以下几种主要干扰现象： ( 1 ) 信号等于零时，数字显示表数值乱跳； ( 2 ) 传感器工作时，其输出值与实际参数所对应的信号值不吻合，且误差 值是随机的、无规律的； ( 3 ) 当被测参数稳定的情况下，传感器输出的数值与被测参数所对应的信 号数值的差值为一稳定或呈周期性变化的值： ( 4 ) 与交流伺服系统共用同一电源的设备( 如显示器等) 工作不正常。 干扰进入定位控制系统的渠道主要有两类：信号传输通道干扰，干扰通过与 系统相联的信号输入通道、输出通道进入；供电系统干扰。 信号传输通道是控制系统或驱动器接收反馈信号和发出控制信号的途径，因 为脉冲波在传输线上会出现延时、畸交、衰减与通道干扰，所以在传输过程中， 4 堆十海洋资料浮标的尤线测风仪的研究 长线的干扰是主要因素。任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起 了电源的噪声干扰，如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，线路中 也不会建立起任何干扰电压；此外，交流伺服系统驱动器本身也是较强的干扰源， 它可以通过电源对其它设备进行干扰。 2 5 3 抗干扰措施 1 局部产生误差的消除 在低电平测量中，对于在信号路径中所用的材料必须给予严格的注意，在 简单的电路中遇到的焊锡、导线以及接线柱等都可能产生实际的热电势。由于他 们经常是成对出现，尽量使这些成对的热电偶保持在相同的温度下是很有效的措 施，为此一般用热屏蔽、散热器、沿等温线排列或者将大功率电路和小功率电路 分开等办法，其目的是使热梯度减小到最小，两个不同厂家生产的标准导线的接 点可能产生0 2 1 v 的温漂，这相当于高精度低漂移的运放管的温漂，而 为斩波放大器温漂的两倍。 虽然采用插座开关、接插件、继电器等形式能使更换电器元件或组件方便 一些，但缺点是可能产生接触电阻，热电势或两者兼而有之，他比直接连接系统 的分辨力要差，精度要低，噪声增加，可靠性降低，因为在低电平放大中尽可能 不使用开关，接插件是减少故障，提高精度的重要措施。 2 接地问题及其处理办法 在低电平放大电路中合理接地是减少低噪声干扰的重要措施，必须予以特别 注意。 当使用单电源供给多只传感器时，其连接方法如图2 5 所示，以尽量减少接 地电阻引进的干扰，若供电电源的压降必须减到最小，则电源高端导线也可按相 似的方法接线。 基于海洋资料浮标的光线测风仪的研究 图2 5 单电源供给多只传感器的连接( x ，y ，z 为传感器) 包括有多个电源和多个传感器的系统则需要考虑更多一些，通常不管电源是 谁供给，将地线汇集到公共点，然后和系统的公共端接在一起，如图2 6 所示。 所有电源l 的负载都回到电源l 公共端，所有电源2 负载都回到电源2 的公共端， 最后用一条粗导线将公共端连在一起，在多电源系统中，可能需要进行判断性试 验，确定地线接法，以达到最佳的解决方案。 图2 6 多个电源供给多只传感器的连接 数字地线通常有很大的噪声，而且有大的电流尖峰，所有的模拟公共地线应 该和数字公共地线分开走线，然后只在一点汇集在一处，如图2 7 所示，这种接 法使模拟和数字地线间的公共阻抗最小 同 图2 7 地线的连接 除了直流和低频地线问题以外，还有快速变化的交流电压的耦合以及高电平 电路对低电子电路通过公共的电源和连线的阻抗产生的瞬态信号，这个信号另一 个可能的耦合途径是由于许多内外补偿的集成运放没有公共接地点，如果积分器 输出的参考点接到电源一端，就会使得输出随电源而波动，这些都需要适当地接 入电容器以便旁路调制在较慢的模拟电路上的高频信号，并要求此电容直接从放 6 堆f 海洋资料浮标的无线测风仪的埘f 究 大器的电源端子接到低阻抗的公共点。 图2 8 说明这样一种方法，他应用于模拟量输出运算放大器对于数模转换 器数字驱动噪声的去耦，如果旁路电容随意地直接接到电源的两根母线之间，旁 路电容起不到应有的作用，甚至可能有害，他从”不干净的到清洁的v s ，为 噪声提供低阻抗的交流通路。 不能用简单路径旁路 图2 8 应用电路 3 外部和本机干扰的消除 交流信号可以通过分布电容和电感耦合到低电子模拟电路上，直流高压经过 漏电导可以耦合到高阻抗的输入端，这些都可能引入干扰，通过适当的布局元件， 屏蔽和防护可以消除这些干扰。 元件的适当布局包括在商能量和低能量之问以及数字电路和模拟电路之间 保持尽可能大的距离，而在地线之问的连线要求尽可能短。 屏蔽包括静电和电磁屏蔽。电源变压器产生的干扰场是熟知的，而且是不好 说明的干扰源，可以采用屏蔽式变压器或者将电源放到远离高敏感电路的地方。 但同一电路既需要靠近变压器中心抽头以达到高质量的接地，又可能受到强磁场 干扰，必要时要通过试验的方法来确定合理布局。 总之，接口电路的防干扰问题是得到高质量信号的重要措施之一，传感器 的输出信号越低，接口电路的放大元件的选择，以及防干扰措施要求越严格，但 要求传感器的信号大，又会影响传感器输出的非线性等特性，这是矛盾的。在实 际运用中应考虑在线性度允许的条件下，尽可能地提高传感器的输出灵敏度，包 括提高桥压等措施，一般情况下传感器的输出灵敏度可达到l 3 m v v ，不希望 以降低传感器的灵敏度来换取接口的其他技术指标的提高。 鼎十海洋资抖浮标的无线测风仪的研究 2 6 本章小结 本篇主要讲述了本次设计用到的采集风速风向的测风传感器，介绍了它的风 速风向的普通数据处理过程和方法和在浮标的特殊环境下的数据处理方法，为了 提高性能，还介绍了抗干扰的措施，这是整个测风仪的重要部分，为整个采集处 理系统作基础。 8 捧f 海洋资抖浮标的尤线测风仪的i o d 第三章采集和数据处理系统的研究 3 1 系统总体方案的设计 针对在海洋资料浮标中的测风仪的整体系统要求实现的基本功能是： a 每天各整点进行自动采集与处理观测数据。 b 定时采用v h f 通信方式发送采样数据。 c 实时数据可在接收站任意查询。 d 全部测量数据储存，储存介质容量应满足连续工作1 年的需要。 e 存储数据能在计算机上回放读出，并按有关规定和要求进行数据处理。 f 系统具有自检功能。 g 支持a c 2 2 0 v 及d c l 2 v 两种供电方式。 h 微功耗 整个系统主要由几个部分组成：采集处理系统、通信系统、测风传感器、接 收站等。根据系统要求实现的基本功能，确定采集处理系统有以下几个部分组成： 信号调理电路、存储电路、时钟电路、单片机。 采集处理系统完成自动采集传感器信号、处理并存贮数据、然后通过通信机 将数据发往岸站。下面是测风仪的采集处理系统设计实施的基本原理的结构： 传感器风速佰号h 信号调理电路 兰 刊懈骺机 片 机 0 。一 刊存储电路 。一鬻蝴p p 蝴 图3 1 采集处理系统原理框图 罐十海洋资科浮标的无线测风仪的研究 3 2 系统硬件平台的选择 3 2 1 传感器的选择 小飞机型风传感器符合本次设计的技术要求，精度高，坚固耐用，抗腐蚀性 能比较好，测量范围也较同类其他产品有较大的提高，前面的章节已经有了具体 的介绍，此处不再重复。 3 2 2 采集处理系统硬件选择 为整个系统的核心，完成自动采集传感器信号、处理并存储数据、然后通过 通信机将数据发往岸站。采用5 l 系列单片机，主要由采集板、电池等组成。采 集处理系统在指定的观测整点根据一定的时序采集并处理各类传感器的信号和 数据，然后通过通信系统发送到接收站，同时将原始数据保存到存储器中，还随 时响应计算机的各类读数据、写数据、检测等命令。采集处理系统每隔一小时或 指定间隔( 可设) 定时进行数据采集和处理。 主控电路由一片单片机及其编程配置电路组成( i s p ) 、看门狗电路、时钟电 路、电压转换电路组成。 3 2 2 i 单片机的选择 考虑到风速仪需要在海上工作且采用电池供电，因此单片机采用a t m e l 公司 的a t 8 9 s 5 2 ，a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗