海流计电路设计论文

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1系统实现方案

水上接收部分主要有主控模块、电源管理模块、显示模块、数据管理模块4部分组成，水上接收部分的主控芯片为意法半导体公司的低功耗MCU（STM32F103VE），通过3.2寸触摸显示屏上的锂离子电池充电开关命令，控制锂离子电池充电并将充电状态回显到显示屏上，触摸无线传输开关命令，控制无线传输命令控制数据传输并将数据传输状态显示到显示屏上，触摸采样间隔设置命令，设置水下探测器的采样时间。

2硬件电路设计

硬件电路设计分为水下和水上两部分。水下和水上都是以STM32F103VE芯片为核心，通过各自外围电路以实现各自功能。STM32系列是专门为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARMCortex内核，本设计所用芯片主频为72MHz,从闪存执行代码，功耗27mA，是32位市场上功耗最低的产品之一，相当于0.375mA/MHz。

2.1水下电路设计

水下部分电路主要有主控电路、流速测量电路、姿态解算电路、锂离子电池充放电及其保护电路、数据存储及传输电路，压力、温度采集电路5部分组成。

2.1.1流速测量

流速是本设计最重要数据，因此本设计选用低功耗、高温度稳定性霍尔器件A1220作为机械转子转速测量传感器。A1220内部集成动态补偿电路，低通滤波电路，施密特触发器，电压比较器等，我们可以看到霍尔器件输出为规则方波，因此我们可直接由STM芯片采集这些方波信号就能达到我们的需求。

2.1.2姿态解算电路

本设计采用InvenSense公司的整合性6轴（3轴陀螺仪、3轴加速度计）运动处理组件MPU-6050和Honeywell公司的3轴数字罗盘HMC5883L来采集探测器角加速度W、线加速度A、磁场强度Η，用四元数的方法进行数据融合，计算探测器姿态角。

2.1.3电源电路

电源作为海流计运行的动力，其电路设计的优劣不仅决定设备能否正常运行而且还决定了设备是否安全运行。本设计采用摩米士三星GalaxyNote3高容量锂离子电池作为电源，采用LINEAR公司的可编程充电电流的单节锂离子充电管理芯片LTC4054，自动检测锂离子电池电压及充电电流变化使锂离子电池充电过程自动在涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止这四个充电过程切换，避免了处理器的参与，减少处理器的负担；采用TexasInstruments公司的单节锂离子电池电量检测和保护芯片BQ28Z560-R1，该芯片使用德州仪器ImpedanceTrackTM精确电量计算算法来报告电池状态，同时提供续航时间（分钟），充电所需时间（分钟）、电池电压和电池温度等信息,此外该芯片还提供短路、过流充电和放电、过度充电和放电保护功能；采用LINEAR公司的宽输入电压同步降压-升压DC/DC转换器，该芯片可由动态输入电压（1.8~5.5V）获得稳压输出，特别适合于锂离子电池放电特点，改变了传统先升压再降压的电路设计，降低了功耗。

2.1.4压力、温度采集电路设计

探测器所处的深度及该深度下的温度同样是海流计所需的数据，本设计采用MeasurementSpeclalties公司的工作深度0~3000m，高精度压力传感器89-03KA-4R，为了降低功耗每隔一段时间T单片机置位一次，BOOST管脚STM32采集Li_PRESSURE管脚上电压，经转化得到深度H。温度传感器采用pt100经24位模数转换芯片AD7714转换成数字信号，STM32采集数字信号，再转化为温度数据。为了提高精度，本设计采用高性能稳压芯片压力提供参考电压，采用耦合电路避免处理器数字信号干扰。压力采集电路如图7所示。

2.2水上电路设计

水上电路主要有主控电路、无线数据传输电路、无线充电电路、显示触摸电路4部分组成。无线数据传输电路采用GFSK单片式收发芯片NRF24L01。水上和水下电路各连接一块NRF24L01模块，将水下探测器数据传输给水上接收电路。

3软件设计

本设计软件以Keil4为编译平台，采用模块化编程思想，分别为水下探测部分和水上数据接收部分编写了代码，增加了代码的可读性，使设备易于升级维护。

3.1水下探测电路软件设计

水下探测电路主要任务是采集机械转子转速、探测器姿态、压力、温度等信息，并将数据增加时间戳后存储到SD卡中，其程序图如图9所示。

3.2水上接收电路软件设计

水上接收电路主要功能是接收水下探测器测量的数据，此外还有控制锂离子电池充电，控制数据传输，设置水下探测器采样间隔，指示充电状态，数据传输状态的功能。

4结果与讨论

本设计的电路经过实际测试，设备可连续运行1个月，姿态角测量精度可达到±1°，此外本设计采用无线充电和无线传输技术，降低了维护难度、成本。该电路设计与SLC9-2型直读海流计电路性能对比。通过对比结果可知，设计电路具有功耗低，重量轻，流向测量精度高，易维护等优点，完全满足各种海洋作业中海流测量需求，具有很大的实用价值。由于没有对机械式海流计的机械结构进行改进，因此该设计还存在启动流速低，在超浅水域工作不稳定的缺点。在之后的研究工作中，将对机械式海流计的机械结构进行优化，以使其能够在超浅水域稳定工作。

作者:张旭光张凯临单位:中国海洋大学