一种海洋参数现场监测通用设备的设计

张颖颖，马 然，张 颖，程 岩，汤永佐，侯广利

（山东省海洋环境监测技术重点实验室 山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛266001）

一种海洋参数现场监测通用设备的设计

张颖颖，马 然，张 颖，程 岩，汤永佐，侯广利

（山东省海洋环境监测技术重点实验室 山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛266001）

海洋监测数据的有效采集、存储、处理和显示、输出及控制操作，是自动化海洋参数现场监测系统都需要设计和开发的重要内容。提出了一种海洋参数现场监测通用数据采集处理设备的设计方法。设备可以提供多路模拟量、数字量、脉冲量和串口信号形式的海洋监测信息自动采集，现场的大容量信息存储、实时信息显示、键盘输入操作和便捷打印输出，以及滞后的实验室信息显示、分析、查询和处理等丰富功能。该设备简单设置可以灵活应用于各种海洋参数的现场监测任务，具有推广应用的现实前景。

海洋监测；现场监测；通用；数据采集处理

海洋参数现场监测仪器在目前的海洋监测领域中发挥着重要的作用，现场提供实时的海洋参数信息，进行快速、自动的分析和处理，因此，弥补了传统实验室的滞后检测不具备时效性的缺点。

从宏观角度讲，海洋参数现场监测仪器都是由传感器测量海洋参数，采集监测信息，执行数据的直接存储或者某些数据处理，然后根据需要现场显示和输出数据或者带回试验室进行详细的分析。海洋参数现场监测任务的控制操作和数据的采集处理在整个海洋监测仪器中具有很重要的作用。从海洋参数现场监测的发展趋势看，越来越趋向于多站点、多要素、全天候、全天时的长期和连续自动化监测，数据的采集、处理和控制更是关系海洋监测任务能否自动化长期和可靠执行的关键。

海洋环境与陆地环境不同，海洋监测有自己的特点。其一，测量的参数不尽相同；其二，测量环境不同；其三，仪器要求不同。因此，执行不同任务的海洋参数现场监测仪器就需要配备不同类型和规格的海洋监测传感器，测量到的海洋参数也需要针对性的设计数据的采集和处理过程，根据任务具体要求的输入输出操作将这些数据实时显示或者现场输出。在每一个海洋监测任务中，信息采集处理设备的设计都是重要环节[1-4]。

本文提出一种海洋参数现场监测通用信息采集处理设备的设计方法。该设备可以灵活应用于各种海洋参数的现场监测任务，避免各种海洋监测任务开发过程中人力物力的重复性损耗，而且，可以利用专业优势研制高性能设备以确保海洋参数现场监测信息的采集、处理和控制更加可靠、高效。

1 系统设计要求

海洋参数的现场监测仪器可以布放在沿岸、近海或者船只上，现场往往有技术人员实时观察和执行必要的控制操作。因此，海洋参数的现场监测设备作为整个海洋监测系统重要的组成部分，主要功能是实时、准确、可靠地采集、处理、存储和显示海洋现场监测数据，具有即时报警、数据查询和便捷输出以及滞后的实验室信息处理等丰富功能，满足监测系统对功耗和可靠性等诸多要求，为海洋参数现场监测任务的执行者提供研究和使用便利。

海洋参数现场监测通用设备的设计要适应各种海洋监测任务使用的传感器数量和类型。因此，设计8路模拟量信号输入，精度12位或以上，输入信号范围0～+5VDC，提供各种电压模拟量测量，以连接风向、气温、气压、温度、湿度等海洋监测常用传感器。8路数字脉冲输入通道提供风速等数字脉冲量传感器信号测量。8个数字控制输出通道，作为设备的数字控制和触发控制。10个RS232端口，采集波浪、海流、水质和生态等传感器的串行信息，并提供串行通讯接口。大容量SD卡标准数据存储空间，采集数据以表格形式存储。为适应现场操作的需要，设计液晶显示器和输入键盘实现人机对话，实时显示数据、调整系统参数和控制系统自动运行。便携式打印机可现场提供监测参数的打印输出。另外，适应海洋监测的工作环境，甚至恶劣环境，设备要求满足强抗干扰、高可靠性和低功耗等要求。

2 系统设计方法

海洋参数现场监测设备由硬件设备和配套软件两部分组成。硬件设备的基本功能包括：与海洋监测任务需要的各种传感器有效连接；根据监测任务的要求实时采集、处理并存储各种监测信息；实现海洋监测任务现场的信息显示和输入操作控制；实现海洋监测信息的现场打印输出。配套软件作为辅助工具，以滞后方式提供对监测信息的丰富处理功能。

2.1 硬件设计和工作原理

综合考虑海洋参数现场监测对系统和功耗的要求，硬件设备以PC104工控机为控制核心，AVR单片机实现信息采集功能。具体功能模块包括模拟量信息采集通道、数字量信息采集通道、脉冲计数通道、串行信息采集通道、数字控制通道、信息存储、液晶显示、键盘输入、打印输出和设备供电。硬件设备外部12 V（9～18 V范围）直流供电。为实现良好的扩展能力，采用总线设计方式以提供更多的设备接口。具体的硬件设计方案如图1所示。

图1 海洋参数现场监测通用设备的硬件设计方案

研华PC-104系统作为硬件核心处理模块，组合Atmel ATmega64型AVR单片机作为数据采集模块。PC-104系统采用12 V供电，并嵌入Windows XP Embedded操作系统。其主要功能是实现数据的存储、分析、显示、人机操作等功能。其中，数据通过一块80 G日立硬盘实现存储和运算处理，处理后数据的实时显示经PC-104系统中的LCD模块处理后，通过一块7寸24位色LCD液晶屏显示出来。人机界面的操作是通过矩阵按键实现。通过SD卡将数据随时加密拷贝调出或者用于程序的更新下载。硬件核心处理模块与数据采集模块的数据传输是通过PC-104系统的UART接口进行串行通信。

数据采集模块中的电源选用LM2576电源芯片，将系统+12 V开关电源转换成+5 V稳压供电。串口扩展电路将ATmega64中的2路USART通信端口扩展为1路RS-232串口通信端口（包括与硬件核心处理模块通信和数据打印设备）和备用的6路传感器串行信号接口模块。设备实现海洋监测信息采集和处理功能时，外接传感器采集的模拟信息依次经过多路可编程放大器、整形滤波、12位高精度A/D转换、隔离等模块处理，最后将数字信号送入ATmega64单片机。部分外接的数字/脉冲传感器采集到的数字/脉冲信息直接经整形、隔离等模块传给ATmega64单片机进行信息处理。单片机按照一定的通信协议将部分采集信息经内部SRAM存储和扩展串口连接方式发送到外接的数据打印设备，方便将现场实时监测信息及时打印。同时，单片机的全部采集信息将按照一定的协议要求以表格形式，通过RS-232传输至PC-104系统的UART接口，并存储到硬盘中，提供海洋参数现场监测用户长期持久的信息存储功能。为了保证系统的能耗最小化，平时整套系统工作分成正常运行和睡眠两种模式，而ATmega64单片机具有8路传感器控制端口，将工作频率较低的传感器在待机状态时处于断电的状态。

除了完成数据采集与处理功能之外，为保证信息采集的时间准确，设计有硬件和软件的时钟同步操作，以及硬件设备的工作温度范围和紧凑、抗干扰等重要性能。

2.2 软件设计方案

海洋参数现场监测通用设备设计两套应用软件-初始化设置软件和数据处理软件。初始化设置软件执行setup安装程序，以安装向导的形式一步步提示用户完成软件安装。根据设备实际应用时连接的传感器数量和类型、数据采集与处理的方式方法、海洋监测项目采用的数据通信和输出方式等具体应用背景，由上位机直接串行通讯方式进行设备的硬件相关设置。数据处理软件以实验室滞后处理的方式，负责采集数据的各种显示、查询及简单与复杂的数据处理功能。两套软件都采用Windows操作环境下的图形化交互操作界面，追求美观而且强调方便用户使用和操作，提供在线帮助功能。

初始化软件按照流程依次执行软件操作向导、硬件设备选型、通讯设置、传感器采集设置、通讯测试、时间位置设置、数据输出设置、预约设置功能，直到初始化设置结束。数据处理软件包括数据实时显示、数据图形显示、历史数据查询、数据常规处理和复杂处理的功能模块。

3 结论

本文从海洋参数现场监测任务的多样化和通用性特征出发，设计了一种海洋参数现场监测通用设备。该设备可以针对海洋参数现场监测任务的不同要求，连接多数量多类型的传感器灵活配置并直接使用，对监测信息实现从采集、存储、显示到分析处理，再到现场控制输入输出的全过程操作，不仅避免了各种海洋参数现场监测项目重复开展相似的研发工作，节省人力物力和开发成本，而且，专业开发优势可以形成过硬的设备质量，确保海洋参数现场监测信息的采集、处理和控制更加系统高效。

[1]卜照蓬,刘岩.FZF321型海洋资料浮标系统[J].海洋技术,2003,2(22)：59-65.

[2]武东生,张齐.海洋站数据采集器的设计要点[J].海洋技术,2001,1(20)：59-61.

[3]张毅,孙思萍,齐尔麦,等.海床基自动监测系统中央控制单元设计与实验[J].海洋技术,2007,26(4)：1-3.

[4]唐原广,王金平.SZF型波浪浮标系统[J].海洋技术,2008,27(2)：31-33.

Design of Common Data Acquisition System for Marine Parameters Site Monitoring

ZHANG Ying-ying,MA Ran,ZHANG Ying,CHENG Yan,TANG Yong-zuo,HOU Guang-li
(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology,Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation,Qingdao Shandong 266001,China)

It is a very important content for the automatic marine parameters site monitoring system to conduct data acquisition,storage,processing,display,output and control operations.A special design method of common data acquisition equipment is presented,which provides a great deal of signal acquisition patterns including analog quantity,digital quantity,pulsed quantity and serial port signal for the marine monitoring information automatic collection.It provides huge information storage,real-time display,keyboard input and print output on spot.And it also provides plenty of functions of information display,analysis,reference and processing in the lab later.The equipment is designed as a simple setup that can be flexibly applied to all kinds of marine site monitoring projects,which illustrates a good prospect of application and extension.

marine monitoring;site monitoring;common;data acquisition and processing

TP274；P71

B

1003-2029（2011）04-0016-03

2011-04-10

国家高技术研究发展计划（863计划）基金资助项目（2006AA09Z144）；山东省科技攻关项目资助（2009GG10005007）

张颖颖(1979-),女,博士,副研究员,主要从事海洋信息探测和处理研究。 Email:triciayyz@163.com