抛弃式海水温度测量仪数据传输系统设计

摘要：提出一种抛弃式海水温度测量仪数据传输系统的设计方案。针对传输信道距离长，波形畸变大的特点，采用频率调制的方法克服传输信道自身和海洋环境的不利条件。系统选用单片调制解调芯片MSM7512B对信号进行FSK调制和解调，实现了水下探头和水面控制单元的通信。采用低功耗的MSP430单片机作为运算处理器，软件设计上充分利用其多种低功耗工作模式，降低了系统的功耗。
关键词：海水温度测量；抛弃式探头；FSK调制；低功耗

0 引言
    温度、盐度等海洋水文环境参数的获取日益重要。抛弃式温探测系统是快速获取大面积海域温度剖面资料的仪器，为海洋调查、科学研究、军事应用提供了先进的测量手段。国外发达国家自20世纪60年代开始，研制了机载可抛弃式海洋水文探测系统，其系列产品(已有温、盐、深、流)主要应用于美国海军，能够在一次任务航线上，利用同一种探测平台快速获取远海目标海域的多要素实时数据，是至今机动性最好的远海现场探测手段。其优点是：海洋水文要素获取的机动性强；远海探测成本、信息获取的机动性、实时性均显著优于船载系统。美国海军使用的机载投弃式温度计利用热敏传感器测量海水剖面温度，温度准确度达0．5℃。我国国家海洋局海洋技术研究所于1998年自主研制了机载投弃式温深浮标，温度准确度达±0．2℃。
    新型远海机动水文环境监测系统(NMOHEMS)通过采用无人机机载方式，将多枚被投掷单元投放到目标区域，然后由被投掷单元受控释放测温探头，实现多点、同步获取海水剖面温度的信息。

1 NMOHEMS被投掷单元的构成和工作原理
    NMOHEMS被投掷单元由被投掷单元主体和探头组成，如图1所示。探头位于水下，包括数据采集单元和数据发送单元。数据采集单元完成海水剖面温度的测量和数据处理，数据发送单元将测量数据经信号传输线发送到被投掷单元主体。被投掷单元主体位于水面，包括数据接收单元和控制处理单元。数据接收单元接收由水下探头发送的温度测量数据，控制处理单元负责对系统的控制和与地面主站的联系。

    被投掷单元由无人机携带，抵达目标海域后投放，通过降落伞放慢下降速度，当触及海面时降落伞自动脱落。当被投掷单元接收到测量控制信号时，探头开始下沉测量海水剖面温度。探头内的数据采集单元采用低功耗、高性能、多外设的MSP430单片机作为微处理器同时完成数据的采集和处理任务，使用灵敏度高、响应速度快的NTC热敏电阻作为温度传感器以获得海水温度。探头在测量温度的同时将测量数据发送到被投掷单元的主体，然后由控制处理单元通过流星余迹的通信方式将数据传回地面主站。
    探头与被投掷单元主体的通信为有线传输，传输信道处于复杂的海洋环境中，传输性能的好坏直接影响到测量结果的有效性和完整性，因此数据传输系统的设计是非常重要的。

2 传输信道的特性
    温度测量过程中，被投掷单元要将测温探头释放到水下1 000 m左右，二者使用信号线连接。系统采用1 000 m长，0．1 mm线径的聚氨酯漆包线。由于线径很细，传输导线的直流电阻很大，线间电容和等效电感的数值也很大，并且随着线轴展开，传输信号的波形畸变较大，使数据在传输过程中产生严重衰减和形变。
    除了传输介质自身对信号传输的不利影响外，海洋环境噪声的影响也是不容忽视的。海洋环境噪声对于信号的干扰是很明显的，噪声的组成复杂，与海域的地理位置、探头的深度、周围船只都有关系。根据产生的原因可以分为以下几类：
    (1)海洋动力噪声。与海水的流动有关，包括海浪噪声、雨噪声等。
    (2)交通噪声与工业噪声。是人为产生的噪声，包船只噪声、海上油田噪声。
    (3)地震噪声。由地震、火山、海啸等自然现象产生的噪声。
    综上所述，对此传输距离长、幅度衰减和波形畸变严重且信道参数快速时变的不利条件，需采取方法使信号适合在信道上传输。系统设计对传输信号进行调制处理，采用FSK调制，可以克服传输距离长、信道参数快速时变等不利条件导致的信号衰减、形变，保障数据传输的可靠性。

3 系统硬件电路
    系统采用日本OKI公司的可编程异步频移键控调制解调芯片MSM7512B实现FSK调制和解调。它具有体积小、功耗低、温度适应范围广、外围元件少、有较宽的电压工作范围等特点，使用和调试也很方便。MSM7512的基本特征是：符合ITU2T V．23规则，半双工工作方式，1 200 b／s；具有75 b／s的反向传输信道；3～5 V电源工作范围；低功耗，工作模式25 mW(VDD=5 V)，9 mW(VDD=3 V)，节能模式100 μW；内置混合阻容回路；内置模拟回路环自检功能；内置3．58 MHz晶体振荡回路；数字输入／输出接口与TTL电平兼容。1 200 b／s可以满足探头和被投掷单元主体之间的数据传输要求；3 V的工作电源与数据采集单元相同，简化了电源电路；低功耗特性适用于系统的工作环境；TTL电平方便与单片机接口。
    MSM7512B的引脚MOD1和MOD2为工作方式选择端，可选择四种工作方式。方式一和方式二的工作状态如表1所示。方式三(MOD1=0，MOD2=1)为自环测试模式，此模式下MSM7512B的发送端与接收端内部相接，发送滤波器、接收滤波器都与同一个信道相连。测试时，发送数据应与接收数据一致。方式四(MOD1=1，MOD2=1)为节能模式。

    系统工作在方式一模式下。为测试信道的频率幅度特性，使用信号发生器模拟MSM7512B的发送频率信号，通过1 000 m导线后用示波器接收，3 V电源测量结果如下：信号频率2 100 Hz时，示波器显示3．26 V，信号频率为1 300 Hz时，示波器显示3．14 V，可以看出信号幅度基本不变，理想状况下可由MSM7512B芯片直接连接传输信道。由于海洋环境复杂，有动力噪声、环境噪声、地震噪声等各种干扰因素，可在信道两端增加信号放大器。
    MSM7512B支持TTL电平，可与MSP430单片机直接相连，接口电路如图2所示。

    数据接收端“RD”和数据发送端“XD”与MSP430单片机串行通信模块USART接口相连，实现与MSP430单片机之间的数据通信。由MSP430单片机的I／O口输出控制电平控制MSM7512B的工作方式选择、载波检测、信号使能以及环路自检功能。X1和X2之间内置了1 MΩ的反馈电阻，同时X1和X2对地分别接了一个近似10 pF的电容，3．58 MHz的晶体振荡器可直接与X1和X2引脚相连。接收端“AI”和发送端“AO”通过2．2μF的电容与外部信号相连，电容起到通交流隔直流的作用。与电源相连的“VDD”端通过去耦电容接地，消除交流分量。

4 系统软件设计
    系统利用MSP430单片机内部的USART0模块实现串口通信。数据传输程序采用中断方式，主程序和中断服务程序的流程图如图3所示。首先进行系统初始化；然后设置串口参数，主要设置通信波特率和通信模式；最后进入低功耗状态等待中断发生。当数据采集单元完成测量时产生中断，发送测量数据。系统在不发送数据时处于低功耗工作模式，MSP430单片机的低功耗工作模式耗电量非常低，有效降低了系统的功耗。

    数据传输主程序如下：
   
   

5 结语
    NMOHEMS探头和被投掷单元主体通过长距离的有线信道进行通信。系统采用MSM7512B调制解调芯片对传输信号进行FSK调制，可以克服传输信道自身和海洋环境的不利条件导致的信号衰减、形变，保障数据传输的可靠性。MSP430单片机和MSM7512B调制解调芯片均为低功耗芯片，软件设计充分利用MSP430的低功耗模式，降低了系统的功耗。系统设计电路简单，易实现，可以推广应用到其他抛弃式测量系统的通信中。