一种海洋监测数据采集器设计

摘 要： 为了有效地解决海洋监测领域传感器搭载集成以及扩展问题，设计了一种海洋监测数据采集器。独立的CAN与电控模块将传感器电源管理与数据采集控制集成在一起，采用独立模块化管理，在可扩展性、稳定可靠性等方面具有一定的技术优势。同时，与目前海洋监测领域常用的传感器相比较，该数据采集器可灵活搭载常见标准接口的传感器，Υ感器接口兼容性更好，并且传感器搭载不再受数量限制，可广泛应用于滨海观测站、浮标监测系统、海底观测平台、海底观测链等系统建设中。

关键词： 数据采集器； 海洋监测； 扩展集成； 传感器接口

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）01?0061?02

Abstract： In order to solve the problems of sensor carry integration and expansion in marine monitoring field effectively， a marine monitoring data collector was designed. The independent CAN and electrical control nodule are used to integrate the sensor power management and data collection control together. The independent modular management has certain technical advanta?ges in the aspects of scalability， stability and reliability. In comparison with the sensor commonly?used in the marine monitoring field， the data collector can carry the sensor with common standard interface， has good compatibility with sensor interface， is no longer limited by the carry quantity of sensors， and can be widely used in the system construction of coastal observation station， buoy monitoring system， seafloor observation platform and seafloor observation chain.

Keywords： data collector； marine monitoring； expansion and integration； sensor interface

0 引 言

21世纪，对海洋资源的探测与开发利用已经成为产业革命的前沿领域，是国家安全、环境保护、资源开发和灾害预警不可缺少的基础技术和信息获取手段，为国家的发展提供了新的背景，越来越多的国家将其列为重要课题[1?2]。

随着当前海洋研究的深入和研究范围的扩大，海洋探测技术也在不断的发展与改进，从传统的调查船舶到如今先进的卫星遥感、水下自主导航、海底原位观测等。基于以上背景，本文设计实现的海洋监测数据采集器，相比传统数据采集器，系统整体集成度更高、独立性更强、配置更加灵活方便。

1 整体设计

海洋监测数据采集器集传感器供电与管理于一体，兼容数字量、模拟量、开关量、脉冲量、频率量等接口传感器，可以广泛地应用在各种海洋监测平台系统建设中，能够满足在线观测与自容监测的设计需要[3]。在扩展集成时，仅需增加或裁减相应的CAN与电控模块和进行简单的应用软件配置即可完成，方便灵活。采集器的整体框图如图1所示。

海洋监测数据采集器主要由供电模块、控制模块、CAN与电控模块三部分组成。供电模块负责为控制模块与CAN模块提供电源；控制模块与CAN模块通过现场CAN总线通信，负责CAN模块管理和控制；CAN与电控模块兼容不同接口标准类型的传感器，负责传感器数据传输与电源管理。

2 供电模块设计

根据实际的需求，当应用在线观测系统时，海洋监测数据采集器主要通过外接海底电缆进行中高压能源供给；当应用在自容监测系统时，主要通过外接电池组进行低压能源供给。其中涉及到中高压部分的电压转换，选择通用外部电压输入48 V。

供电模块主要负责为控制模块、CAN与电控模块提供能源。通常外部电压输入为48 V，可采用48 V/5 V DC/DC转换器、48 V/24 V DC/DC转换器为控制模块供电；采用并联48 V输出为CAN与电控模块供电。

3 CAN与电控模块

CAN与电控模块是该设计的关键部分，主要负责传感器电源管理与数据传输[4]。CAN模块作为模块化传感器搭载平台，能够兼容不同接口类型的传感器，实际上是通过单片机软硬件共同完成接口协议转换，将不同接口转换成CAN接口，比如RS 232转CAN，RS 485转CAN，模拟信号转CAN，开关信号转CAN，脉冲信号转CAN等。

单片机硬件电路负责接收处理搭载传感器的数字信号、模拟信号、开关信号等；单片机软件应用层解析组装CAN数据包转发至控制模块。在进行传感器扩展集成时，仅需根据接口类型完成硬件物理连线，并配套相应的数据采集软件即可。

如图2所示，针对搭载仪器独立设计的CAN与电控模块，通过CAN总线与控制模块通信，通过信号线与动力线等兼容接口与挂载传感器通信。硬件电路主要包括CAN协议转换与电源控制两部分，由可以扩展的CAN总线协议转换器和适应于不同传感器供电电压的DC/DC转换器设计实现，如图3所示。软件程序负责将RS 232，RS 485等接口数据转化成CAN数据转发。

相比于主控模块，CAN与电控模块主要承担CAN协议转换与电源管理，资源消耗少，任务简单，采用8位单片机即可。这里选用高性能、低功耗的AVR 8位微理器AT90CAN128， 内置128 KB的可重编程FLASH，4 KB的E2PROM，4 KB的内部SRAM，完全能够满足设计需要[5?8]。

4 控制模块

控制模块通过现场CAN总线和CAN与电控模块通信，负责传感器数据采集控制与电源管理控制。承担传感器数据解析处理是整个数据采集器的控制核心部分，也是系统稳定运行的关键。为了保证稳定可靠性，主要由双冗余的主控制模块与从控制模块组成。在硬件设计上，采用核心板加底板方案：核心板选用QY?9263K，搭载处理器ATMEL AT91SAM9263，其主频高达200 MHz，系统资源SDRAM 64 MB，NandFLASH 512 MB[8]，完全满足设计需要；而底板则根据应用进行适当裁剪设计，保留必要接口电路，比如RS 232接口、以太网接口、SD卡接口、CAN控制器接口等，从而减小电路板面积。

5 结 语

该设计主要应用于海洋监测领域，可以根据不同监测任务的需要，灵活搭载多数量多类型传感器，避免重复开展类似研发工作。采用模块化处理方式，设计独立的CAN与电控模块，并将各模块集供电管理与数据采集于一体，不需要额外处理传感器电源管理，使得系统稳定性、可靠性均得到提高。

参考文献

[1] 张颖颖，张颖，马然，等.一种海洋监测通用数据采集与处理系统的设计[J].海洋技术，2010（4）：9?11.

[2] 张洪磊.基于CAN总线网络的海洋环境监测平台的研究[D].青岛：中国海洋大学，2008：12?39.

[3] 卜志国.海洋生态环境监测系统数据集成与应用研究[J].青岛：中国海洋大学，2010.

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[5] 李肇庆.串行端口技术[M].北京：国防工业出版社，2004：45?103.

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[8] 郝寿朋.基于AT91SAM9263的CEMS数据采集与分析系统的研究与开发[D].青岛：中国海洋大学，2011：7?20.

[9] 时旭，付成伟.基于FPGA的CAN总线通信系统的设计[J].现代电子技术，2015，38（22）：59?61.

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