基于msp430水下姿态记录仪的研究

李恒文 ,霍恩广

（山东科技大学　机械电子工程学院，山东　青岛　266590）

基于msp430水下姿态记录仪的研究

李恒文 ,霍恩广

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）

摘要：针对水下潜标系统在监测海洋环境中易受海洋环境因素的影响，设计了一款水下姿态记录仪。该设计以msp430单片机作为控制核心，三维数字罗盘HMR3000以及水压传感器GB-3000G等组成外围电路，完成对水下仪器的水下工作深度以及姿态等信息的记录。

关键词：潜标系统；数字罗盘；水压传感器；姿态记录

0　引言

水下潜标系统是对海洋环境监测的重要技术装备，可在恶劣的海洋环境下，无人值守的进行长期、连续、定点、自动的对海洋水文、气象诸要素进行全面综合的监测。潜标在海洋环境中布放工作，必然受到诸如海流、潮汐、风浪等海洋环境的影响，使潜标产生旋转、俯仰、倾斜等姿态变化，由于搭载潜标上的仪器设备大都需要潜标姿态稳定，因此，使潜标保持稳定状态是设计和布放需要研究解决的问题。本文介绍的姿态记录仪就是记录潜标在布放和水下工作期间的姿态变化情况，使研究人员能够结合当时的布放过程和海况等影响因素，研究分析潜标姿态变化的原因以及规律和提出相应的改进措施。

图1　姿态记录仪结构图

1　系统组成

姿态记录仪的结构框图如图1所示。由于姿态记录仪要长时间在水中进行工作，只能靠蓄电池来提供电源，所以微处理器选用的是具有超低功耗的msp430单片机，姿态传感器选用的是三维数字罗盘HMR3000来采集潜标三维姿态变化信息，该传感器与其他传感器相比具有以下优点：带有电子常平架即使倾达40°，也能给出精确的航向；内部全部使用表面贴装元件，不含任何的移动元件，非常可靠和坚固；低功耗、小体积的装置带有非铁磁性金属外壳，便于安装固定；另外用户可根据自己需要设置采样频率。水压传感器选用的是GB-3000G对水压进行实时采集，利用单片机内部的AD转换模块实施数据的模数转换，以得到潜标所处水下深度。微处理器将采集到的水下深度以及姿态信息送入外扩的存储器SD卡中进行存储，以便对数据进行研究分析。

水压传感器的作用。此设计选取水压传感器主要有三处作用：一是获得所处水下的深度；二是由于设备在被刚放入水中和快浮出水面时水体会产生明显晃动，因此在进入一定深度之前工作深度、姿态的信息没有参考意义，为了降低功耗，在这两个阶段罗盘是不工作的，即输出的电压值只有大于某一设定值，罗盘才工作，否则是不工作的；三是根据压力传感器的输出来判断设备是否出水，若输出电压值小于某一数值，则判断为出水，发出报警信号，工作人员前去打捞。

2　工作原理

数字罗盘以及水压传感器测量水下载体运动的实时姿态以及工作深度，微处理器对姿态数据进行采集，并将采集的数据存储到SD卡中，以便读取分析，采集的数据经上位机数据分析处理软件，可以实现水下载体运动姿态的复现。

2.1数据采集部分

图2　单片机与罗盘接口

数据采集主要是对三维姿态信息以及工作深度信息的采集。单片机与罗盘接口如图2所示，罗盘由三轴磁阻传感器、两轴倾斜传感器、信号采集于处理系统、微控器、通讯系统、AD转换模块等部分组成。磁阻传感器测量磁场的三个分量，倾斜传感器测量倾斜角，通过坐标变换将三轴磁阻传感器接收的运动坐标系下的地磁信号转换成大地坐标系下的地磁信号，在大地坐标系下即可获得其与地磁北的夹角从而实现其指向功能。单片机通过自身所带串口模块经过电平转换与罗盘进行通信，从而实现对罗盘的初始化和采集载体的三维姿态信息。利用软件PC Demo实现罗盘与PC机之间的通信，通过RS232对罗盘进行工作方式以及输出频率的配置，设置其工作方式为连续模式，即在可组态的速率下输出罗盘主动提供的NMEA标准信息，设置输出速率为60，即罗盘按每分钟60条句子的速率输出航向、俯仰和横滚数据，即采样频率设定为1HZ。

图3　单片机与SD卡接口电路

三线制（VCC、GND、IN）电压输出型扩散硅压力变送器GB-3000G是在单晶硅上扩散上一个惠斯通电桥，被测海水的压力直接作用于传感器的陶瓷扩散硅膜上，使膜片产生与介质压力成正比的微小位移，电子线路检测这一位移量后，即把这一位移量转换成对应于这一压力的电压信号，电压信号通过引脚IN与单片机连接，经过放大滤波后由430内部AD进行模/数转换，得到输出的电压值，根据传感器的输出规格 Range：0～100m , Output：0～5VDC 的线性关系计算出所处海水深度。单片机采用查询方式对压力信号进行采集，方式如下：用定时器方式每10秒查询一次，检测水深是否更新，若水深有更新，则对水压传感器进行上电，采集数据并进行处理，若无更新则直接存储上次采集数据。

2.2数据存储部分

微控制器对采集的姿态信息以及工作深度信息进行处理后，存储在SD卡中，SD卡与单片机采用SPI的连接方式，接口电路如图3所示，SD卡上电后的默认方式是SD模式，必须通过初始化命令进入串行外设协议（SPI）模式，SD卡向单片机返回0x01，进入idle_state模式，然后发送CMD1命令，发送成功，SD卡会返回0x00八位二进制数，通知主控器SD卡初始化完成。初始化完成后在SD卡上创建

FAT32文件系统，单片机对SD卡底层的读写，按照FAT32的格式对SD卡上数据进行操作，如创建文件、读文件和删除文件，从而实现数据的存储。

图4　一定时间内采集到的压力传感器的数据

3　记录仪的安装与试验

由于罗盘与电池都是密封在防水罐里的，罐子体积有限，罗盘放置离电池较近时会对罗盘数据造成较大干扰，使数据失去参考价值，因此应尽可能的把罗盘固定在离电池较远位置或在电池和罗盘之间添加电磁屏蔽层。使用msp430内部ADC采集水压信息，经过多次实验发现采集到的压力值会发生跳变，如图4，当发生跳变时会对设备所处状态（是否出水）进行错误判断，给工作人员发出错误信息。因此必须对数据进行软件滤波，采用的方法是算数平均滤波法即连续取N个采样值进行算数平均运算。

4　结束语

记录仪只对水下有参考意义的数据进行记录，对刚下水以及出水后数据不记录，并且在出水后能及时给工作人员发送报警信号，对安装方式以及数据处理方法进行反复试验，增加其可靠性。

参考文献：

[1]沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京航空航天出版社,2008（01）：28-87.

[2]卢筑飞，吴小兵.一种新型水下姿态记录仪的设计与应用[J].水雷战与舰船防护,2012（04）：34-37.

[3]侯广利，张颖.一种潜标的水下姿态变化规律分析[J].海洋技术,2010（03）：38-43.

[4]周以琳，新月顺.基于单片机的帆船姿态记录仪[J].自动化技术与应用,2009（07）：40-45.

[5]彭建新，段智文.HMR3000电子罗盘与DSP的接口设计及编程[J].电子设计工程,2010（09）：182-185.