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1系統實現方案

水上接收部分主要有主控模塊、電源管理模塊、顯示模塊、數據管理模塊4部分組成，水上接收部分的主控芯片為意法半導體公司的低功耗MCU（STM32F103VE），通過3.2寸觸摸顯示屏上的鋰離子電池充電開關命令，控制鋰離子電池充電并將充電狀態(tài)回顯到顯示屏上，觸摸無線傳輸開關命令，控制無線傳輸命令控制數據傳輸并將數據傳輸狀態(tài)顯示到顯示屏上，觸摸采樣間隔設置命令，設置水下探測器的采樣時間。

2硬件電路設計

硬件電路設計分為水下和水上兩部分。水下和水上都是以STM32F103VE芯片為核心，通過各自外圍電路以實現各自功能。STM32系列是專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的ARMCortex內核，本設計所用芯片主頻為72MHz,從閃存執(zhí)行代碼，功耗27mA，是32位市場上功耗最低的產品之一，相當于0.375mA/MHz。

2.1水下電路設計

水下部分電路主要有主控電路、流速測量電路、姿態(tài)解算電路、鋰離子電池充放電及其保護電路、數據存儲及傳輸電路，壓力、溫度采集電路5部分組成。

2.1.1流速測量

流速是本設計最重要數據，因此本設計選用低功耗、高溫度穩(wěn)定性霍爾器件A1220作為機械轉子轉速測量傳感器。A1220內部集成動態(tài)補償電路，低通濾波電路，施密特觸發(fā)器，電壓比較器等，我們可以看到霍爾器件輸出為規(guī)則方波，因此我們可直接由STM芯片采集這些方波信號就能達到我們的需求。

2.1.2姿態(tài)解算電路

本設計采用InvenSense公司的整合性6軸（3軸陀螺儀、3軸加速度計）運動處理組件MPU-6050和Honeywell公司的3軸數字羅盤HMC5883L來采集探測器角加速度W、線加速度A、磁場強度Η，用四元數的方法進行數據融合，計算探測器姿態(tài)角。

2.1.3電源電路

電源作為海流計運行的動力，其電路設計的優(yōu)劣不僅決定設備能否正常運行而且還決定了設備是否安全運行。本設計采用摩米士三星GalaxyNote3高容量鋰離子電池作為電源，采用LINEAR公司的可編程充電電流的單節(jié)鋰離子充電管理芯片LTC4054，自動檢測鋰離子電池電壓及充電電流變化使鋰離子電池充電過程自動在涓流充電、恒流充電、恒壓充電、充電終止這四個充電過程切換，避免了處理器的參與，減少處理器的負擔；采用TexasInstruments公司的單節(jié)鋰離子電池電量檢測和保護芯片BQ28Z560-R1，該芯片使用德州儀器ImpedanceTrackTM精確電量計算算法來報告電池狀態(tài)，同時提供續(xù)航時間（分鐘），充電所需時間（分鐘）、電池電壓和電池溫度等信息,此外該芯片還提供短路、過流充電和放電、過度充電和放電保護功能；采用LINEAR公司的寬輸入電壓同步降壓-升壓DC/DC轉換器，該芯片可由動態(tài)輸入電壓（1.8~5.5V）獲得穩(wěn)壓輸出，特別適合于鋰離子電池放電特點，改變了傳統先升壓再降壓的電路設計，降低了功耗。

2.1.4壓力、溫度采集電路設計

探測器所處的深度及該深度下的溫度同樣是海流計所需的數據，本設計采用MeasurementSpeclalties公司的工作深度0~3000m，高精度壓力傳感器89-03KA-4R，為了降低功耗每隔一段時間T單片機置位一次，BOOST管腳STM32采集Li_PRESSURE管腳上電壓，經轉化得到深度H。溫度傳感器采用pt100經24位模數轉換芯片AD7714轉換成數字信號，STM32采集數字信號，再轉化為溫度數據。為了提高精度，本設計采用高性能穩(wěn)壓芯片壓力提供參考電壓，采用耦合電路避免處理器數字信號干擾。壓力采集電路如圖7所示。

2.2水上電路設計

水上電路主要有主控電路、無線數據傳輸電路、無線充電電路、顯示觸摸電路4部分組成。無線數據傳輸電路采用GFSK單片式收發(fā)芯片NRF24L01。水上和水下電路各連接一塊NRF24L01模塊，將水下探測器數據傳輸給水上接收電路。

3軟件設計

本設計軟件以Keil4為編譯平臺，采用模塊化編程思想，分別為水下探測部分和水上數據接收部分編寫了代碼，增加了代碼的可讀性，使設備易于升級維護。

3.1水下探測電路軟件設計

水下探測電路主要任務是采集機械轉子轉速、探測器姿態(tài)、壓力、溫度等信息，并將數據增加時間戳后存儲到SD卡中，其程序圖如圖9所示。

3.2水上接收電路軟件設計

水上接收電路主要功能是接收水下探測器測量的數據，此外還有控制鋰離子電池充電，控制數據傳輸，設置水下探測器采樣間隔，指示充電狀態(tài)，數據傳輸狀態(tài)的功能。

4結果與討論

本設計的電路經過實際測試，設備可連續(xù)運行1個月，姿態(tài)角測量精度可達到±1°，此外本設計采用無線充電和無線傳輸技術，降低了維護難度、成本。該電路設計與SLC9-2型直讀海流計電路性能對比。通過對比結果可知，設計電路具有功耗低，重量輕，流向測量精度高，易維護等優(yōu)點，完全滿足各種海洋作業(yè)中海流測量需求，具有很大的實用價值。由于沒有對機械式海流計的機械結構進行改進，因此該設計還存在啟動流速低，在超淺水域工作不穩(wěn)定的缺點。在之后的研究工作中，將對機械式海流計的機械結構進行優(yōu)化，以使其能夠在超淺水域穩(wěn)定工作。

作者:張旭光張凱臨單位:中國海洋大學