適用于水下滑翔器的ctd傳感器電路系統的制作方法
【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，包括電導率傳感器、熱敏電阻、壓力傳感器、電導率信號處理板和主控板；所述電導率傳感器檢測海水的電導率，生成感應信號經由電導率信號處理板傳輸至所述的主控板，以轉換生成鹽度參數；所述主控板連接熱敏電阻和壓力傳感器，采集輸入信號并轉換成海水的溫度參數和深度參數，傳輸至水下滑翔器。本實用新型的CTD傳感器電路系統針對水下滑翔器搭載應用需求專門設計，系統電路功耗低且微型化，通過減少了電路系統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測量海洋環境溫度、鹽度、深度數據的任務。
【專利說明】適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于海洋環境監測系統【技術領域】，具體地說，是涉及一種用于檢測海水電導率、溫度和深度的CTD傳感器電路系統。
【背景技術】
[0002]水下滑翔器是一種新型的水面水下監測平臺，能夠滿足當前海洋環境監測的需求。它是一種將浮標技術與水下機器人技術相結合、依靠自身凈浮力驅動的新型水下滑翔器系統，具有浮標和潛標的部分功能。水下滑翔器采用內置的姿態調整機構和無外掛的驅動裝置，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、可重復利用、投放回收方便、續航能力長等特點，適宜于大量布放，適用于大范圍海洋環境的長期監測。水下滑翔器是海洋環境立體監測系統的補充和完善，在海洋環境的監測、調查、探測等方面具有廣闊的應用前景。
[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率(Conductivity)、溫度(Temperature)和深度(Depth)三個參數。作為水下滑翔器的主要搭載儀器，CTD傳感器應具有微型化、低功耗、重量輕等特點，能夠快速響應，連續測量海洋的溫度、深度和電導率等動力參數。
[0004]為了滿足水下滑翔器的搭載需求，需要設計出完善可靠的微型化、低功耗的CTD傳感器電路系統。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。
【發明內容】
[0005]本實用新型針對水下滑翔器的搭載應用需求設計了一種適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，滿足了水下滑翔器對海洋動力參數的數據采集與測量要求。
[0006]為了解決上述技術問題，本實用新型采用以下技術方案予以實現:
[0007]—種適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，包括電導率傳感器、熱敏電阻、壓力傳感器、電導率信號處理板和主控板；所述電導率傳感器檢測海水的電導率，生成感應信號經由電導率信號處理板傳輸至所述的主控板，以轉換生成鹽度參數；所述主控板連接熱敏電阻和壓力傳感器，采集輸入信號并轉換成海水的溫度參數和深度參數，傳輸至水下滑翔器。
[0008]進一步的，在所述主控板上設置有單片機、模數轉換器和通訊接口電路；所述模數轉換器連接電導率信號處理板、熱敏電阻和壓力傳感器，接收模擬量輸入信號并轉換成數字信號發送至所述的單片機，經由單片機轉換生成鹽度參數、溫度參數和深度參數，通過通訊接口電路傳輸至水下滑翔器。
[0009]優選的，在所述通訊接口電路中設置有RS232電平轉換芯片和RS485電平轉換芯片，對應連接在單片機與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CTD傳感器電路系統與水下滑翔器的連接通信。
[0010]為了對電導率傳感器輸出的感應信號進行前置處理，在所述電導率信號處理板上設置有放大器、比較器和濾波器，通過電導率傳感器輸出的感應信號依次通過放大器、比較器和濾波器處理后，輸出至所述的模數轉換器。
[0011 ] 進一步的，在所述主控板上還設置有一電源模塊，接收直流輸入電源并轉換成不同幅值的工作電源，對應傳輸至CTD傳感器電路系統中的不同用電負載。
[0012]為了降低系統功耗，適應水下滑翔器的工作需求，在所述電源模塊中設置有一用于生成電導率信號處理板所需工作電源的第二穩壓電源芯片，所述第二穩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]為了提高供電的穩定性，在所述第二穩壓電源芯片的輸入端和輸出端分別連接有并聯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置有第一穩壓電源芯片、第三穩壓電源芯片和第四穩壓電源芯片；所述第一穩壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉換成3.3V工作電源分別傳輸至所述的單片機、模數轉換器和通訊接口電路；所述第三穩壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉換成模數轉換器工作所需的2.5V參考基準電壓輸出至所述的模數轉換器；所述第四穩壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉換成兩路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。
[0017]與現有技術相比，本實用新型的優點和積極效果是:本實用新型的CTD傳感器電路系統針對水下滑翔器搭載應用需求專門設計，系統電路功耗低且微型化，通過減少了電路系統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測量海洋環境溫度、鹽度、深度數據的任務。
[0018]結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傳感器電路系統為滿足水下滑翔器的特殊搭載要求，設置有電導率傳感器、熱敏電阻、壓力傳感器、電導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，所述電導率傳感器連接電導率信號處理板，接收電導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率，并生成感應信號(例如感應電勢)回傳至所述的電導率信號處理板。在所述電導率信號處理板上可以具體設置放大器、比較器和濾波器等信號處理電路，以用于對電導率傳感器輸出的感應電勢進行前置處理。具體來講，通過電導率傳感器輸出的感應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，進而輸出穩定的模擬信號傳輸至所述的主控板。所述主控板根據海水的電導率即可間接地換算出海水的鹽度參數。
[0024]所述主控板作為整個CTD傳感器電路系統的控制核心，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；通過采集壓力傳感器感應輸出的壓力信號，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、溫度參數和深度參數上傳至水下滑翔器，以滿足水下滑翔器對海水動力參數的采集和測量需求。
[0025]作為本實施例的一種優選設計方案，在所述主控板上優選設置有單片機、模數轉換器、通訊接口電路和電源模塊，參見圖1所示。其中，所述模數轉換器分別連接電導率信號處理板、熱敏電阻和壓力傳感器，采集模擬量輸入信號并轉換成數字信號發送至單片機，通過單片機完成各項海水動力參數的換算處理任務。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傳感器電路系統中其他各功能模塊協調工作；另一方面接收模數轉換器輸出的數字信號，并結合其內部存儲的對應關系表或者對應關系換算公式，換算出待測海域海水的鹽度參數、溫度參數和深度參數，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，優選設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傳感器電路系統之間的數據傳輸要求。
[0027]具體來講，在所述RS232串口電路中具體設置有RS232電平轉換芯片和RS232串口，參見圖1所示。將所述RS232電平轉換芯片連接單片機，接收單片機輸出的上行數據并轉換成RS232協議的串行數據，通過RS232接口經由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電平轉換芯片，進而經由RS232電平轉換芯片轉換成滿足單片機接口接收要求的數據格式，發送至所述的單片機，以實現水下滑翔器對CTD傳感器電路系統的控制。
[0028]同樣的，在所述RS485串口電路中可以具體設置RS485電平轉換芯片和RS485串口，參見圖1所示。將所述RS485電平轉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傳感器電路系統之間的雙向數據傳輸要求。
[0029]在所述主控板上還設置有用于為CTD傳感器電路系統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，并轉換成不同幅值的工作電源，對應傳輸至CTD傳感器電路系統中的不同用電負載。
[0030]作為本實施例的一種優選設計方案，在所述電源模塊中優選設置四顆穩壓電源芯片，參見圖2所示，分別為第一穩壓電源芯片、第二穩壓電源芯片、第三穩壓電源芯片和第四穩壓電源芯片。將四顆穩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，第一穩壓電源芯片將12V直流輸入電源轉換成3.3VDC的工作電源，為單片機、模數轉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；第二穩壓電源芯片將12V直流輸入電源轉換成一路5VDC的工作電源，為電導率信號處理板供電；第三穩壓電源芯片將12V直流輸入電源轉換成2.5VDC的工作電源，為模數轉換器提供參考基準電壓，以提高模數轉換器的轉換精度；第四穩壓電源芯片將12V直流輸入電源轉換成兩路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定。
[0031]為了達到降低系統功耗的目的，將第二穩壓電源芯片U7的使能端EN連接單片機，結合圖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，以對第二穩壓電源芯片U7的運行進行開關控制，進而通過第二穩壓電源芯片U7對電導率信號處理板進行分時斷續供電，以降低系統功耗，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，第二穩壓電源芯片U7進入工作狀態，通過其輸出端VOUT輸出5VDC工作電源，為電導率信號處理板供電，并采集電導率傳感器輸出的感應信號；當單片機通過其RBO 口輸出低電平的使能信號時，第二穩壓電源芯片U7進入休眠狀態，關斷其電源輸出，使電導率信號處理板和電導率傳感器停止運行，以降低系統功耗。
[0033]作為本實施例的一種優選設計方案，將所述第二穩壓電源芯片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的穩定性。同樣的，為了提高通過第二穩壓電源芯片U7輸出的5VDC工作電源的穩定性，在所述第二穩壓電源芯片U7的輸出端VOUT還連接有并聯接地的電容CT12和電容C26，參見圖3所示，分別對通過第二穩壓電源芯片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，供監測人員日后調用。但是，為了降低系統功耗，可以將CTD傳感器電路系統配置成直讀式傳感器系統，省略這兩部分電路，以減少系統幾余。
[0036]本實施例的CTD傳感器電路系統針對水下滑翔器搭載應用需求而專門設計，體積小、功耗低，可以實時連續測量海洋海水的溫度、鹽度、深度參數，并可根據水下滑翔器的控制指令配置系統參數，改變數據采樣頻率與格式，除可適用于水下滑翔器搭載外，還可以應用在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選實施方式而已，應當指出的是，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，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被視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:包括電導率傳感器、熱敏電阻、壓力傳感器、電導率信號處理板和主控板；所述電導率傳感器檢測海水的電導率，生成感應信號經由電導率信號處理板傳輸至所述的主控板，以轉換生成鹽度參數；所述主控板連接熱敏電阻和壓力傳感器，采集輸入信號并轉換成海水的溫度參數和深度參數，傳輸至水下滑翔器。
2.根據權利要求1所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:在所述主控板上設置有單片機、模數轉換器和通訊接口電路；所述模數轉換器連接電導率信號處理板、熱敏電阻和壓力傳感器，接收模擬量輸入信號并轉換成數字信號發送至所述的單片機，經由單片機轉換生成鹽度參數、溫度參數和深度參數，通過通訊接口電路傳輸至水下滑翔器。
3.根據權利要求2所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:在所述通訊接口電路中設置有RS232電平轉換芯片和RS485電平轉換芯片，對應連接在單片機與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.根據權利要求2所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:在所述電導率信號處理板上設置有放大器、比較器和濾波器，通過電導率傳感器輸出的感應信號依次通過放大器、比較器和濾波器處理后，輸出至所述的模數轉換器。
5.根據權利要求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，其特征在于:在所述主控板上還設置有一電源模塊，接收直流輸入電源并轉換成不同幅值的工作電源，對應傳輸至CTD傳感器電路系統中的不同用電負載。
6.根據權利要求5所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:在所述電源模塊中設置有一用于生成電導率信號處理板所需工作電源的第二穩壓電源芯片，所述第二穩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率信號處理板。
7.根據權利要求6所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:在所述第二穩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.根據權利要求6所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:在所述第二穩壓電源芯片的輸入端和輸出端分別連接有并聯接地的高頻濾波電容和低頻濾波電容。
9.根據權利要求6所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:在所述電源模塊中還設置有第一穩壓電源芯片、第三穩壓電源芯片和第四穩壓電源芯片；所述第一穩壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉換成3.3V工作電源分別傳輸至所述的單片機、模數轉換器和通訊接口電路；所述第三穩壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉換成模數轉換器工作所需的2.5V參考基準電壓輸出至所述的模數轉換器；所述第四穩壓電源芯片接收所述的直流輸入電源，并轉換成兩路5V基準供電電壓輸出至所述的壓力傳感器。
10.根據權利要求5所述的適用于水下滑翔器的CTD傳感器電路系統，其特征在于:在所述主控板上還設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 優先權日:2013年9月11日
【發明者】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