深海浮标数据采集系统的设计

论文摘要

21世纪,人类对海洋的探索进入了新的历史阶段。海洋经济占国民经济的比重不断攀升,海洋在军事上的重要战略地位日益显著。海洋俨然已经成为我们不可忽视的一片区域。海洋资料浮标是海洋监测的重要手段之一。它具有能够长期、连续在无人值守的情况下测量指定海域的气象、水文信息的能力。能够为航运、海洋勘探、海洋大气研究和军事行动提供有效数据支持。我国浮标研究起步较晚,因此在部分浮标技术方面落后于其他海洋大国。为促进我国浮标技术长足发展,推进浮标技术国产化进程,本文自主开发了一套深海浮标数据采集系统。系统设计的各个环节(包括芯片选型、电路设计、PCB制作、程序编写和系统校验)均自主完成。主控制器以STM32F103系列单片机为核心,此芯片外设丰富,支持多种通信接口。以亚德诺24位高精度AD转换芯片采集传感器的模拟量信号。采用高精度、低噪声的ADR43X系列芯片为AD转换芯片提供可靠电压基准。并且在PCB设计过程中,做到了单点接地、数模电源隔离、数模地隔离等。这样的设计有效提高了模拟信号测量的精度,同时降低了AD转换中的系统噪声。系统可同时测量多路差分模拟量电压信号和多个热敏电阻类传感器,可满足浮标的风速、湿度、气压、长波辐射、短波辐射、罗盘、雨量和温度等气象参数的测量。系统采用感应耦合传输来读取水下CTD数据。浮标在0m至700m的水深范围内搭载不同种类的CTD共13个。控制器串口接收CTD通过感应耦合定时传回的数据,而与模数转换芯片的通信,则采用SPI总线的方式进行。同时,控制器会将接收到的各种传感器的测量数据存于SD卡中,并每三小时通过铱星发送给地面岸站系统。最后对系统进行了校准和拷机实验。经系统校准后,本数采装置的模拟量测量精度高于0.1mV。针对系统稳定性进行了充分的拷机工作,过程中系统运行正常,测量的数据与气象台发布数据基本一致。表明本系统性能可靠,能够完成深海浮标数据采集工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究意义
•   1.2 浮标研究现状
•   1.3 本文研究内容
• 第2章 浮标数据采集系统的整体设计与分析
•   2.1 浮标整体设计
•   2.2 气象传感器
•     2.2.1 风速传感器
•     2.2.2 温湿度探头
•     2.2.3 雨量计
•     2.2.4 罗盘
•     2.2.5 气压计
•     2.2.6 长、短波辐射
•     2.2.7 PT100 温度传感器
•   2.3 温盐深仪CTD
•   2.4 感应耦合数据传输
•   2.5 本章小结
• 第3章 浮标模拟信号采集部分硬件设计
•   3.1 芯片选型
•     3.1.1 AD转换芯片
•     3.1.2 电源芯片
•     3.1.3 基准电压源芯片
•   3.2 模拟电路设计
•     3.2.1 电压模拟信号采集电路
•     3.2.2 电阻类传感器测量电路
•     3.2.3 电压基准电路
•     3.2.4 供电系统电路
•   3.3 PCB布局设计
•     3.3.1 模块化设计
•     3.3.2 电路单点接地
•   3.4 本章小结
• 第4章 浮标数据采集系统数字部分设计
•   4.1 系统控制器
•   4.2 串口通信
•   4.3 SPI通信
•     4.3.1 AD7793 芯片的通信过程
•     4.3.2 AD7193 芯片的通信过程
•   4.4 存储设备
•   4.5 本章小结
• 第5章 浮标数据采集系统运行流程与软件设计
•   5.1 系统的整体工作流程
•   5.2 RTC时钟配置与时间同步
•   5.3 SPI通信程序设计
•     5.3.1 单片机的SPI总线配置
•     5.3.2 AD转换芯片操作流程
•   5.4 控制器与CTD的通信流程
•   5.5 数据存储及文件系统
•   5.6 本章小结
• 第6章 系统校准与联调试验
•   6.1 AD转换的系统校准
•   6.2 多传感器联调实验
•   6.3 CTD数据采集
•   6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 在学期间公开发表论文情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王肖闯

导师: 郭景富

关键词: 浮标,海洋监测,数据采集,转换,系统校准

来源: 东北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,自动化技术

单位: 东北师范大学

分类号: P715.2;TP274.2

DOI: 10.27011/d.cnki.gdbsu.2019.000211

总页数: 71

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