適用于水下滑翔器的ctd傳感器電路系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，包括電導(dǎo)率傳感器、熱敏電阻、壓力傳感器、電導(dǎo)率信號處理板和主控板；所述電導(dǎo)率傳感器檢測海水的電導(dǎo)率，生成感應(yīng)信號經(jīng)由電導(dǎo)率信號處理板傳輸至所述的主控板，以轉(zhuǎn)換生成鹽度參數(shù)；所述主控板連接熱敏電阻和壓力傳感器，采集輸入信號并轉(zhuǎn)換成海水的溫度參數(shù)和深度參數(shù)，傳輸至水下滑翔器。本實用新型的CTD傳感器電路系統(tǒng)針對水下滑翔器搭載應(yīng)用需求專門設(shè)計，系統(tǒng)電路功耗低且微型化，通過減少了電路系統(tǒng)冗余以最大程度地縮小電路板尺寸，能夠很好地完成水下滑翔器實時連續(xù)測量海洋環(huán)境溫度、鹽度、深度數(shù)據(jù)的任務(wù)。
【專利說明】適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是涉及一種用于檢測海水電導(dǎo)率、溫度和深度的CTD傳感器電路系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]水下滑翔器是一種新型的水面水下監(jiān)測平臺，能夠滿足當前海洋環(huán)境監(jiān)測的需求。它是一種將浮標技術(shù)與水下機器人技術(shù)相結(jié)合、依靠自身凈浮力驅(qū)動的新型水下滑翔器系統(tǒng)，具有浮標和潛標的部分功能。水下滑翔器采用內(nèi)置的姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)和無外掛的驅(qū)動裝置，減少了載體的外置裝置，避免了對載體線型的破壞，大大改善了系統(tǒng)的水動力特性。水下滑翔器具有制造成本和維護費用低、可重復(fù)利用、投放回收方便、續(xù)航能力長等特點，適宜于大量布放，適用于大范圍海洋環(huán)境的長期監(jiān)測。水下滑翔器是海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的補充和完善，在海洋環(huán)境的監(jiān)測、調(diào)查、探測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]CTD傳感器是一種基本的海洋水文測量儀器，用于測量海洋海水的電導(dǎo)率(Conductivity)、溫度(Temperature)和深度(Depth)三個參數(shù)。作為水下滑翔器的主要搭載儀器，CTD傳感器應(yīng)具有微型化、低功耗、重量輕等特點，能夠快速響應(yīng)，連續(xù)測量海洋的溫度、深度和電導(dǎo)率等動力參數(shù)。
[0004]為了滿足水下滑翔器的搭載需求，需要設(shè)計出完善可靠的微型化、低功耗的CTD傳感器電路系統(tǒng)。而目前市場上還沒有完善的適用于水下滑翔器搭載的CTD傳感器，無法滿足水下滑翔器搭載儀器的測量需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型針對水下滑翔器的搭載應(yīng)用需求設(shè)計了一種適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，滿足了水下滑翔器對海洋動力參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與測量要求。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0007]—種適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，包括電導(dǎo)率傳感器、熱敏電阻、壓力傳感器、電導(dǎo)率信號處理板和主控板；所述電導(dǎo)率傳感器檢測海水的電導(dǎo)率，生成感應(yīng)信號經(jīng)由電導(dǎo)率信號處理板傳輸至所述的主控板，以轉(zhuǎn)換生成鹽度參數(shù)；所述主控板連接熱敏電阻和壓力傳感器，采集輸入信號并轉(zhuǎn)換成海水的溫度參數(shù)和深度參數(shù)，傳輸至水下滑翔器。
[0008]進一步的，在所述主控板上設(shè)置有單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通訊接口電路；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接電導(dǎo)率信號處理板、熱敏電阻和壓力傳感器，接收模擬量輸入信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送至所述的單片機，經(jīng)由單片機轉(zhuǎn)換生成鹽度參數(shù)、溫度參數(shù)和深度參數(shù)，通過通訊接口電路傳輸至水下滑翔器。
[0009]優(yōu)選的，在所述通訊接口電路中設(shè)置有RS232電平轉(zhuǎn)換芯片和RS485電平轉(zhuǎn)換芯片，對應(yīng)連接在單片機與RS232串口之間以及單片機與RS485串口之間，所述RS232串口和RS485串口分別通過RS232串行總線和RS485串行總線連接所述的水下滑翔器。由此可以根據(jù)水下滑翔器的接口通訊要求，選擇其中一種與其適配的串口通信方式，實現(xiàn)CTD傳感器電路系統(tǒng)與水下滑翔器的連接通信。
[0010]為了對電導(dǎo)率傳感器輸出的感應(yīng)信號進行前置處理，在所述電導(dǎo)率信號處理板上設(shè)置有放大器、比較器和濾波器，通過電導(dǎo)率傳感器輸出的感應(yīng)信號依次通過放大器、比較器和濾波器處理后，輸出至所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0011 ] 進一步的，在所述主控板上還設(shè)置有一電源模塊，接收直流輸入電源并轉(zhuǎn)換成不同幅值的工作電源，對應(yīng)傳輸至CTD傳感器電路系統(tǒng)中的不同用電負載。
[0012]為了降低系統(tǒng)功耗，適應(yīng)水下滑翔器的工作需求，在所述電源模塊中設(shè)置有一用于生成電導(dǎo)率信號處理板所需工作電源的第二穩(wěn)壓電源芯片，所述第二穩(wěn)壓電源芯片的輸入端連接直流輸入電源，使能端連接單片機，在單片機輸出的使能信號的控制下分時輸出工作電源至所述的電導(dǎo)率信號處理板。
[0013]為了獲得最佳的低噪聲輸出性能，在所述第二穩(wěn)壓電源芯片中包含有一參考旁路引腳，所述參考旁路引腳通過一顆0.01 μ F的旁路電容接地。
[0014]為了提高供電的穩(wěn)定性，在所述第二穩(wěn)壓電源芯片的輸入端和輸出端分別連接有并聯(lián)接地的高頻濾波電容和低頻濾波電容，用于濾除電源的高頻干擾和低頻干擾。
[0015]進一步的，在所述電源模塊中還設(shè)置有第一穩(wěn)壓電源芯片、第三穩(wěn)壓電源芯片和第四穩(wěn)壓電源芯片；所述第一穩(wěn)壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉(zhuǎn)換成3.3V工作電源分別傳輸至所述的單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通訊接口電路；所述第三穩(wěn)壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作所需的2.5V參考基準電壓輸出至所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述第四穩(wěn)壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉(zhuǎn)換成兩路5V基準供電電壓輸出至所述的壓力傳感器。
[0016]再進一步的，在所述主控板上還可以進一步設(shè)置時鐘電路和存儲器，分別連接所述的單片機，用于為單片機提供基準時鐘和保存檢測到的海洋動力參數(shù)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點和積極效果是:本實用新型的CTD傳感器電路系統(tǒng)針對水下滑翔器搭載應(yīng)用需求專門設(shè)計，系統(tǒng)電路功耗低且微型化，通過減少了電路系統(tǒng)冗余以最大程度地縮小電路板尺寸，能夠很好地完成水下滑翔器實時連續(xù)測量海洋環(huán)境溫度、鹽度、深度數(shù)據(jù)的任務(wù)。
[0018]結(jié)合附圖閱讀本實用新型實施方式的詳細描述后，本實用新型的其他特點和優(yōu)點將變得更加清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型所提出的CTD傳感器電路系統(tǒng)的一種實施例的電路原理框圖；
[0020]圖2是電源模塊的一種實施例的電路原理框圖；
[0021]圖3是圖2中第二穩(wěn)壓電源芯片的一種實施例的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細地說明。
[0023]實施例一，本實施例的CTD傳感器電路系統(tǒng)為滿足水下滑翔器的特殊搭載要求，設(shè)置有電導(dǎo)率傳感器、熱敏電阻、壓力傳感器、電導(dǎo)率信號處理板和主控板等主要組成部分，參見圖1所示。其中，所述電導(dǎo)率傳感器連接電導(dǎo)率信號處理板，接收電導(dǎo)率信號處理板提供的激勵信號，用于感測待測海域中海水的電導(dǎo)率，并生成感應(yīng)信號(例如感應(yīng)電勢)回傳至所述的電導(dǎo)率信號處理板。在所述電導(dǎo)率信號處理板上可以具體設(shè)置放大器、比較器和濾波器等信號處理電路，以用于對電導(dǎo)率傳感器輸出的感應(yīng)電勢進行前置處理。具體來講，通過電導(dǎo)率傳感器輸出的感應(yīng)電勢首先通過放大器進行信號幅值的放大處理后，依次輸出至比較器和濾波器進行信號波形的整形處理，進而輸出穩(wěn)定的模擬信號傳輸至所述的主控板。所述主控板根據(jù)海水的電導(dǎo)率即可間接地換算出海水的鹽度參數(shù)。
[0024]所述主控板作為整個CTD傳感器電路系統(tǒng)的控制核心，分別連接所述的熱敏電阻和壓力傳感器，通過檢測熱敏電阻的阻值變化，可以間接地換算出海水的溫度參數(shù)；通過采集壓力傳感器感應(yīng)輸出的壓力信號，可以間接地換算出水下滑翔器當前所處的海水深度。主控板將換算生成的鹽度參數(shù)、溫度參數(shù)和深度參數(shù)上傳至水下滑翔器，以滿足水下滑翔器對海水動力參數(shù)的采集和測量需求。
[0025]作為本實施例的一種優(yōu)選設(shè)計方案，在所述主控板上優(yōu)選設(shè)置有單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通訊接口電路和電源模塊，參見圖1所示。其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別連接電導(dǎo)率信號處理板、熱敏電阻和壓力傳感器，采集模擬量輸入信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送至單片機，通過單片機完成各項海水動力參數(shù)的換算處理任務(wù)。所述單片機作為主控板的核心控制部件，一方面輸出控制信號，控制CTD傳感器電路系統(tǒng)中其他各功能模塊協(xié)調(diào)工作；另一方面接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，并結(jié)合其內(nèi)部存儲的對應(yīng)關(guān)系表或者對應(yīng)關(guān)系換算公式，換算出待測海域海水的鹽度參數(shù)、溫度參數(shù)和深度參數(shù)，通過通訊接口電路上傳至水下滑翔器。
[0026]在本實施例的通訊接口電路中，優(yōu)選設(shè)置兩種串口通訊電路，例如RS232串口電路和RS485串口電路，在實際使用過程中可以選擇其中一種連接水下滑翔器，滿足水下滑翔器與CTD傳感器電路系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸要求。
[0027]具體來講，在所述RS232串口電路中具體設(shè)置有RS232電平轉(zhuǎn)換芯片和RS232串口，參見圖1所示。將所述RS232電平轉(zhuǎn)換芯片連接單片機，接收單片機輸出的上行數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成RS232協(xié)議的串行數(shù)據(jù)，通過RS232接口經(jīng)由RS232串行總線上傳至水下滑翔器。通過水下滑翔器輸出的下行控制指令可以通過RS232接口傳輸至RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，進而經(jīng)由RS232電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成滿足單片機接口接收要求的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送至所述的單片機，以實現(xiàn)水下滑翔器對CTD傳感器電路系統(tǒng)的控制。
[0028]同樣的，在所述RS485串口電路中可以具體設(shè)置RS485電平轉(zhuǎn)換芯片和RS485串口，參見圖1所示。將所述RS485電平轉(zhuǎn)換芯片連接在單片機與RS485串口之間，將所述RS485串口通過RS485串行總線連接所述的水下滑翔器，由此可以采用RS485串行通信方式，滿足水下滑翔器與CTD傳感器電路系統(tǒng)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸要求。
[0029]在所述主控板上還設(shè)置有用于為CTD傳感器電路系統(tǒng)中各個用電負載供電的電源模塊，接收直流輸入電源，例如12VDC，并轉(zhuǎn)換成不同幅值的工作電源，對應(yīng)傳輸至CTD傳感器電路系統(tǒng)中的不同用電負載。
[0030]作為本實施例的一種優(yōu)選設(shè)計方案，在所述電源模塊中優(yōu)選設(shè)置四顆穩(wěn)壓電源芯片，參見圖2所示，分別為第一穩(wěn)壓電源芯片、第二穩(wěn)壓電源芯片、第三穩(wěn)壓電源芯片和第四穩(wěn)壓電源芯片。將四顆穩(wěn)壓電源芯片的輸入端分別連接至所述的直流輸入電源，接收12V直流供電。其中，第一穩(wěn)壓電源芯片將12V直流輸入電源轉(zhuǎn)換成3.3VDC的工作電源，為單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通訊接口電路等需要3.3V工作電源的用電負載供電；第二穩(wěn)壓電源芯片將12V直流輸入電源轉(zhuǎn)換成一路5VDC的工作電源，為電導(dǎo)率信號處理板供電；第三穩(wěn)壓電源芯片將12V直流輸入電源轉(zhuǎn)換成2.5VDC的工作電源，為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供參考基準電壓，以提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度；第四穩(wěn)壓電源芯片將12V直流輸入電源轉(zhuǎn)換成兩路5VDC的工作電源，輸出至壓力傳感器，為壓力傳感器提供基準供電電壓，以確保壓力傳感器輸出信號的穩(wěn)定。
[0031]為了達到降低系統(tǒng)功耗的目的，將第二穩(wěn)壓電源芯片U7的使能端EN連接單片機，結(jié)合圖1、圖3所示，具體連接單片機的其中一路IO 口 RB0，接收單片機輸出的使能信號，以對第二穩(wěn)壓電源芯片U7的運行進行開關(guān)控制，進而通過第二穩(wěn)壓電源芯片U7對電導(dǎo)率信號處理板進行分時斷續(xù)供電，以降低系統(tǒng)功耗，滿足水下滑翔器的工作需求。
[0032]具體來講，當單片機通過其RBO 口輸出高電平的使能信號時，第二穩(wěn)壓電源芯片U7進入工作狀態(tài)，通過其輸出端VOUT輸出5VDC工作電源，為電導(dǎo)率信號處理板供電，并采集電導(dǎo)率傳感器輸出的感應(yīng)信號；當單片機通過其RBO 口輸出低電平的使能信號時，第二穩(wěn)壓電源芯片U7進入休眠狀態(tài)，關(guān)斷其電源輸出，使電導(dǎo)率信號處理板和電導(dǎo)率傳感器停止運行，以降低系統(tǒng)功耗。
[0033]作為本實施例的一種優(yōu)選設(shè)計方案，將所述第二穩(wěn)壓電源芯片U7的輸入端VIN連接直流輸入電源12VDC，并連接對地并聯(lián)的兩顆電容C25和電容CTlI。利用電容C25濾除直流輸入電源中的高頻干擾，利用電容CTll濾除直流輸入電源中的低頻干擾，以提高直流輸入電源12VDC的穩(wěn)定性。同樣的，為了提高通過第二穩(wěn)壓電源芯片U7輸出的5VDC工作電源的穩(wěn)定性，在所述第二穩(wěn)壓電源芯片U7的輸出端VOUT還連接有并聯(lián)接地的電容CT12和電容C26，參見圖3所示，分別對通過第二穩(wěn)壓電源芯片U7輸出的5VDC工作電源進行低頻濾波和高頻濾波，以降低電源干擾。
[0034]此外，在所述第二穩(wěn)壓電源芯片U7的參考旁路引腳BYP上還連接有一顆0.01 μ F的旁路電容C27，參見圖3所示。所述旁路電容C27接地，用于濾除輸入信號的高頻噪聲，以獲得最佳的低噪聲輸出性能。
[0035]另外，在本實施例的主控板上還可以進一步設(shè)置時鐘電路和存儲器，參見圖1所述，分別連接主控板上的單片機。通過時鐘電路可以為單片機提供其工作所需的基準時鐘；通過存儲器可以保存單片機換算生成的海水動力參數(shù)，供監(jiān)測人員日后調(diào)用。但是，為了降低系統(tǒng)功耗，可以將CTD傳感器電路系統(tǒng)配置成直讀式傳感器系統(tǒng)，省略這兩部分電路，以減少系統(tǒng)幾余。
[0036]本實施例的CTD傳感器電路系統(tǒng)針對水下滑翔器搭載應(yīng)用需求而專門設(shè)計，體積小、功耗低，可以實時連續(xù)測量海洋海水的溫度、鹽度、深度參數(shù)，并可根據(jù)水下滑翔器的控制指令配置系統(tǒng)參數(shù)，改變數(shù)據(jù)采樣頻率與格式，除可適用于水下滑翔器搭載外，還可以應(yīng)用在AUV、ROV等水下機器人以及其它水下自航式潛水器等載體上。
[0037]當然，以上所述僅是本實用新型的一種優(yōu)選實施方式而已，應(yīng)當指出的是，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)被視為本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:包括電導(dǎo)率傳感器、熱敏電阻、壓力傳感器、電導(dǎo)率信號處理板和主控板；所述電導(dǎo)率傳感器檢測海水的電導(dǎo)率，生成感應(yīng)信號經(jīng)由電導(dǎo)率信號處理板傳輸至所述的主控板，以轉(zhuǎn)換生成鹽度參數(shù)；所述主控板連接熱敏電阻和壓力傳感器，采集輸入信號并轉(zhuǎn)換成海水的溫度參數(shù)和深度參數(shù)，傳輸至水下滑翔器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述主控板上設(shè)置有單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通訊接口電路；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接電導(dǎo)率信號處理板、熱敏電阻和壓力傳感器，接收模擬量輸入信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送至所述的單片機，經(jīng)由單片機轉(zhuǎn)換生成鹽度參數(shù)、溫度參數(shù)和深度參數(shù)，通過通訊接口電路傳輸至水下滑翔器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述通訊接口電路中設(shè)置有RS232電平轉(zhuǎn)換芯片和RS485電平轉(zhuǎn)換芯片，對應(yīng)連接在單片機與RS232串口之間以及單片機與RS485串口之間，所述RS232串口和RS485串口分別通過RS232串行總線和RS485串行總線連接所述的水下滑翔器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述電導(dǎo)率信號處理板上設(shè)置有放大器、比較器和濾波器，通過電導(dǎo)率傳感器輸出的感應(yīng)信號依次通過放大器、比較器和濾波器處理后，輸出至所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述主控板上還設(shè)置有一電源模塊，接收直流輸入電源并轉(zhuǎn)換成不同幅值的工作電源，對應(yīng)傳輸至CTD傳感器電路系統(tǒng)中的不同用電負載。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述電源模塊中設(shè)置有一用于生成電導(dǎo)率信號處理板所需工作電源的第二穩(wěn)壓電源芯片，所述第二穩(wěn)壓電源芯片的輸入端連接直流輸入電源，使能端連接單片機，在單片機輸出的使能信號的控制下分時輸出工作電源至所述的電導(dǎo)率信號處理板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述第二穩(wěn)壓電源芯片中包含有一參考旁路引腳，所述參考旁路引腳通過一顆0.0l μ F的旁路電容接地。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述第二穩(wěn)壓電源芯片的輸入端和輸出端分別連接有并聯(lián)接地的高頻濾波電容和低頻濾波電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述電源模塊中還設(shè)置有第一穩(wěn)壓電源芯片、第三穩(wěn)壓電源芯片和第四穩(wěn)壓電源芯片；所述第一穩(wěn)壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉(zhuǎn)換成3.3V工作電源分別傳輸至所述的單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通訊接口電路；所述第三穩(wěn)壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作所需的2.5V參考基準電壓輸出至所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述第四穩(wěn)壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉(zhuǎn)換成兩路5V基準供電電壓輸出至所述的壓力傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統(tǒng)，其特征在于:在所述主控板上還設(shè)置有時鐘電路和存儲器，分別連接所述的單片機。
【文檔編號】G01D21/02GK203479329SQ201320561080
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】吳承璇, 杜立彬, 呂斌, 賀海靖, 劉杰, 雷卓, 祁國梁, 張 浩, 王秀芬, 陳超, 李先欣 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所