摘要：設(shè)計了一種基于C8051F340單片機的海洋要素垂直剖面測量系統(tǒng)(簡稱“海馬”)的控制存儲電路。該控制存儲電路實現(xiàn)了“海馬”的部件—— 棘爪機構(gòu)單向抓緊、阻尼鎖定和自由上浮3個狀態(tài)的控制。它將采集的數(shù)據(jù)存儲到SD卡,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸,并且系統(tǒng)搭載的傳感器可以擴展。設(shè)計方法簡單新穎,同時實現(xiàn)了“海馬”下潛運動的能量全部來自波浪,上浮依靠自身浮力,存儲器方便與PC機接口的目標。

　　1 前言

　　海洋學(xué)研究，海洋生產(chǎn)，海洋軍事等活動都強烈地依賴海洋探測技術(shù)的發(fā)展。但是，長 期、定點、連續(xù)測量海洋環(huán)境參數(shù)，尤其是從海洋表面到海底的垂直剖面的監(jiān)測大多由船只 完成，耗費大量錢財和人力，卻無法得到極端風(fēng)浪條件下的珍貴信息，手段顯得落后。針對 這種狀況而設(shè)計的海洋要素垂直剖面測量系統(tǒng)(簡稱“海馬”)利用波浪能，通過其部件 棘爪機構(gòu)單向抓緊、阻尼鎖定和自由上浮等3種狀態(tài)，使得搭載傳感器的滑行器可以在水下 各個層面采集海洋要素，并實時將測量數(shù)據(jù)存儲到SD卡。作者采用C8051F340單片機和直流 電機為主要器件，結(jié)合電平轉(zhuǎn)換芯片和各種開關(guān)器件及SD存儲卡，設(shè)計了控制存儲電路，實 現(xiàn)了棘爪機構(gòu)的3種狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的海量存儲。所采用的單片機和開關(guān)器件功耗低、體積 小、可控性強。該控制存儲電路能夠使得“海馬”的工作達到節(jié)能、高效、可海量存儲的目 的，即能夠達到“海馬”下潛運動能量全部來自波浪，上浮依靠自身浮力，測量數(shù)據(jù)存入外 掛存儲器的目標。

　　2 外掛存儲器的“海馬”控制電路硬件設(shè)計

　　整個控制電路的硬件電路主要包括：MAX3223串行通訊接口、C8051F340單片機、SD 存儲卡、固態(tài)繼電器、延時繼電器、限位開關(guān)、直流電機等。電路的硬件原理框圖如圖1所 示，這個電路結(jié)構(gòu)簡單，與機械設(shè)計部分的棘爪機構(gòu)巧妙結(jié)合，實現(xiàn)了“海馬”水下3種狀 態(tài)。通過外掛SD卡存儲器，單片機作主控制器，利用SPI總線，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的實時存儲。

　　2.1 C8051F340單片機

　　C8051F340單片機屬于C8051F系列單片機。C8051F系列單片機是一種典型的高性能單 片機，使用Silicon Laboratories專有的CIP-51微控制器內(nèi)核，是完全集成的混合信號片上微控 制器，與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容。該系列單片機采用高速流水線處理技術(shù)，不再區(qū)分時 鐘周期和機器周期，能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令，提高了指令執(zhí)行效率。C8051F340 單片機具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗、ADC、DAC、電源管理器、定 時器、內(nèi)部低頻振蕩器等，并具備多種總線接口，包括USB、UARTs、SPI、SMBus/I2C。 它采用Flash ROM技術(shù)，具有64 kB的片內(nèi)Flash ROM存儲器、256B的片內(nèi)RAM和4KB的片內(nèi) XRAM，40個I/O端口(耐壓5 V)，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。Flash存儲器可以在系統(tǒng)重新 編程，提供非侵入式數(shù)據(jù)存儲及允許8051固件現(xiàn)場升級。用戶軟件可以控制所有外設(shè)以及 可以單獨地關(guān)閉任何一個或所有的外設(shè)以節(jié)約能源。片上Silicon Labs的2-Wire (C2)開發(fā)接口 允許使用安裝在終應(yīng)用系統(tǒng)上的MCU產(chǎn)品進行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。C8051F系 列單片機的諸多特點和優(yōu)越性，使其廣受單片機系統(tǒng)設(shè)計工程師的青睞，成為很多測控系統(tǒng) 設(shè)計的機型。

　　2.2 傳感器及接口電路模塊

　　與分立的傳感器和信號調(diào)理相比，集成的海洋用溫鹽深儀具有很好的優(yōu)勢，前者在設(shè)計 時復(fù)雜，干擾容易進入系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集后濾波處理等均增加了單片機的負擔。XR-420-CTD 是加拿大BRB公司生產(chǎn)的一款高的集成海洋專用溫鹽深儀，而且自身帶有一定的存儲容 量，可以測量溫度、鹽度、深度等參數(shù)，輸出直接是數(shù)字量，通過MAX3223接口芯片與單片 機相連接。如果要改變“海馬”的滑行器滑行的上限和下限深度，需要改變程序中預(yù)先設(shè)定 的上下限深度值。將預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)運動上、下限值存儲在這個單元內(nèi)，如需改變，則通過 串口將數(shù)據(jù)重新置人該芯片中。這樣，整個系統(tǒng)將不再局限于一個區(qū)間運動，可以在更大范 圍內(nèi)測量數(shù)據(jù)。

　　2.3 開關(guān)控制電路模塊

　　所設(shè)計的控制電路中電機與棘爪機構(gòu)的驅(qū)動，主要依靠開關(guān)控制模塊來實現(xiàn)。電路中 采用固態(tài)繼電器(SSR)和雙刀雙擲延時電磁繼電器。除此之外，限位開關(guān)作為單片機的一個 輸入端，當電機轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置時，限位開關(guān)閉合，發(fā)送低電平信號給單片機，單片機收到 信號后發(fā)出使電機停轉(zhuǎn)的指令。固態(tài)繼電器(SSR，又稱無觸點開關(guān)器件)是近年來發(fā)展并廣泛應(yīng)用的一種新型器件，是由固態(tài)元件組成的無觸點開關(guān)器件。它具有驅(qū)動功率小、噪聲低、 可靠性好以及抗干擾能力強等優(yōu)點。由于單片機的輸出無法提供給電磁繼電器足夠的電壓， 所以選用固態(tài)繼電器來帶動電磁繼電器。

　　2.4 SD卡存儲模塊

　　長期、定點、連續(xù)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器具有容量大，可靠性高的要求。 SD卡因其耐用、可靠、安全、容量大、體積小、便于攜帶和兼容性好等優(yōu)點而非常適合用于 海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲。 SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于Flash技術(shù)的存儲卡，SD卡的特點是容量 大(容量為4 G，現(xiàn)在已有1 GB的產(chǎn)品)，性價比很高(高于1 MB／元)，體積小(32 mmx24 mmx2．1 mm)，重量只有幾克而且功耗低、接口簡單。SD卡支持SD模式和SPI模式，其中SPI 模式中使用的SPI接口在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，本設(shè)計中就采用SPI模式接口與 C8051F340單片機連接。

　　3 “海馬”控制存儲電路軟件設(shè)計

　　控制存儲電路的功能是實現(xiàn)棘爪機構(gòu)的單向抓緊、阻尼鎖定和自由三個運動狀態(tài)及將測 量數(shù)據(jù)實時存儲。當其處于單向抓緊態(tài)時，滑行器只能向下運動，當波浪提升時，嚙合松開， 滑行器因慣性滯留原位，當波浪下降時，嚙合咬緊，滑行器下潛。錨定纜不停地做升沉運動， 滑行器在此運動驅(qū)動下，直達海底或控制系統(tǒng)預(yù)置的測量深度。在控制電路的作用下，當棘 爪機構(gòu)處于自由態(tài)勢時，滑行器與錨定纜失去嚙合力，完全處于自由狀態(tài)，由于滑行器是一 正浮力載體，所以，滑行器將在浮力作用下沿錨定纜上浮，并在上浮的過程中完成對海洋要 素的采集，由單片機完成對SD卡的讀寫操作，將數(shù)據(jù)存儲在SD卡中。 “海馬”的整個運動 過程可以分為單向下潛過程和自由上浮過程，在這兩個過程中，系統(tǒng)依靠寫入單片機的程序 來控制滑行器的運動狀態(tài)。程序采用KEILC編寫。

　　3.1 主函數(shù)

　　主函數(shù)要實現(xiàn)很多功能，如單片機初始化（時鐘、交叉開關(guān)配置、SPI串口、UART0串口、 定時器0）、SD卡初始化、FAT文件系統(tǒng)初始化、新建文件、潛標下潛、潛標上浮時讀取參數(shù)、 寫文件等。

　　3．2 載體下潛過程

　　在滑行器不斷下潛的過程中，單片機從傳感器中讀取深度值，并不斷與預(yù)先設(shè)置的深度 值相比較，如果達到預(yù)定深度或比預(yù)定深度值大時，單片機發(fā)出*信號，棘爪機構(gòu)松開， 載體在浮力作用下自由上浮。

　　3．3 載體上浮過程

　　載體在自由上浮的過程中，不僅要繼續(xù)讀取傳感器中的深度信號，同時開始了對海洋要 素的采集。根據(jù)預(yù)先設(shè)置，傳感器將每秒鐘存儲數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力以及電導(dǎo)率等。 當滑行器到達上限深度時，單片機將發(fā)出閉鎖信號，棘爪抓緊纜繩，重新在波浪能的驅(qū)動下 開始下潛過程，至此，“海馬”完成一個周期的測量。不論是“海馬”運動的上限值還是下 限值，都可以通過串口，利用計算機來改變，這樣“海馬”就能適應(yīng)不同海域、不同深度的 測量的要求。

　　4 結(jié)語

　　實驗證明,本文設(shè)計的控制存儲電路能夠地實現(xiàn)“海馬”的3種運動狀態(tài)和數(shù)據(jù)的實 時存儲，它的硬件部分功耗低、體積小、可控性強，軟件部分高、可移植性好、靈活性 強、適用的海域范圍廣，真正實現(xiàn)了海洋要素垂直剖面測量系統(tǒng)下潛運動能量全部來自波浪， 上浮依靠自身浮力的目標，并且外掛海量存儲器，海洋要素實時存儲，便于在PC機上進行數(shù) 據(jù)的分析、處理、顯示、打印等操作。

　　本文作者的創(chuàng)新之處在于將SD卡存儲方式運用到海洋要素垂直剖面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，簡化 了采集系統(tǒng)的設(shè)計，減小了系統(tǒng)尺寸，提高了系統(tǒng)的可靠性，使采集數(shù)據(jù)的讀出變得簡單易 行。由于原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用8051單片機作主控制器，本次設(shè)計選用與8051完全兼容的 高性能單片機C8051F340，既繼承了原有采集系統(tǒng)的設(shè)計，又滿足了訪問SD卡的功能要求， 加快了整個系統(tǒng)的設(shè)計進程。設(shè)計的電路可以與機械設(shè)計部分的棘爪機構(gòu)巧妙結(jié)合，實現(xiàn)了 測量平臺運行狀態(tài)的自如轉(zhuǎn)換，并充分利用了海洋中無處不在的波浪能。