可變參數式深水網箱系纜力采集儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可變參數式深水網箱系纜力采集儀，它主要由模擬量力傳感器、信號調理裝置、采樣保持器、A/D轉換器、微處理器、數據存儲器、鍵盤和電源供應裝置組成，其中，采樣頻率和低通濾波截止頻率的數值較小，且可以用軟件程序控制兩者同時改變，從而使兩者的比例關系在任何情況下都滿足要求，避免系纜力采樣數據混頻失真；A/D轉換器的位數多，故轉換精度高。本發明解決了信號頻率成分不完全確定時的系纜力不失真測量問題，在保證采樣精度的前提下，科研人員可針對不同波浪情況和不同研究目標的需要靈活設置系纜力采樣參數，此外，本發明采用鍵盤方式和無線傳輸兩種方式輸入命令，可同時滿足現場采集和遠程采集的需要。
【專利說明】可變參數式深水網箱系纜力采集儀
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種測量海洋浮體系泊力的儀器，具體是一種深水網箱系纜力采集 儀。
【背景技術】
[0002] 人類對食物不斷增長的需求越來越依賴于海水養殖，一個HDPE C43深水網箱的產 出可以達到傳統網箱的40倍，發展規模化深水網箱養殖是我國漁業發展的重要戰略。然 而，深水網箱養殖存在致命的安全性問題。由于養殖地點位于開放海域，在強臺風作用，網 箱上起系泊作用的系纜經常斷裂，失去有效系泊功能的網箱在臺風作用下將發生漂移、相 互撞擊等現象，箱內養殖的魚苗將大量死亡。例如，2011年9月底到10月初，納沙和尼格兩 大臺風在湛江徐聞縣連續登陸，造成徐聞縣深水網箱業的重大經濟損失。
[0003] 系纜力異常是引起網箱失效的直接原因，要解決深水網箱安全性問題，有必要掌 握系纜力的特點和變化規律。我國在深水網箱系纜力的研究上基本停留在實驗室尺度模型 階段，僅有個別研究機構開展了系纜力的實測研究工作。
[0004] 深水網箱系纜力是波浪和水流對網箱作用的結果，在臺風天氣時，波浪對系纜力 的影響較大。波浪是動態信號，其頻率成分復雜。而且波浪頻率不是固定值，存在各種1HZ 以下頻率的波浪，這些波浪往往是非正弦波，因而存在各次諧波，波浪的高次諧波頻率遠大 于波浪頻率，其頻率較高。波浪是系纜的激勵信號，則系纜力的動態特性和波浪相似，因而 系纜力也是動態信號，其頻率成分復雜，主要為低頻成分，也可能存在一些不能忽略的高次 諧波成分。
[0005] 動態信號的精確采集需要通過濾波將信號的頻帶截斷，以將信號轉變成有效的帶 寬，防止出現混頻失真的問題。此外，一個時刻點的信號值不能反映動態信號的全貌，動態 信號的測量需要一次采樣多個點，以將完整的波形測量出來，兩個相鄰的采樣點之間的時 間間隔通過設置采樣頻率來實現。根據測試理論，濾波的截止頻率和采樣頻率要求以被測 信號的頻率為依據，然而，鑒于在波浪頻率成分上尚沒有成熟的研究結論，系纜力的頻率成 分不能完全確定，這使得系纜力采集中截止頻率和采樣頻率的設置沒有充分的依據。
[0006] 目前系纜力的測量方法主要采用固化截止頻率和采樣頻率的方式，由于系纜力的 頻率成分的不確定性，截止頻率都采用通用的高頻，例如，以1000Hz作為截止頻率。這種方 式保留的信號成分較多，但遵照采樣定理，要精確地測量到信號，采樣頻率至少需要為截止 頻率的兩倍，若采樣頻率設置得較低，則違背測試理論，測試結果可能失真，若采樣頻率設 置得較高，則單位時間內的采樣次數過多，電能消耗過快，而深水網箱養殖點遠離海岸，存 在能源供應的問題，通常采用蓄電池來供電，若采樣太頻繁，將造成蓄電池所蓄電能快速耗 盡。此外，在臺風等惡劣天氣下，因安全問題，測量人員不能出海，若采用遠程傳輸的方式將 測量數據傳輸到陸地，因高頻采樣方式在單位時間內的采樣數據大量增加，這些數據都需 要遠程傳輸到陸地，這將增加遠程傳輸系統的負擔。在科學研究工作中，因為研究對象的未 知性，需要根據研究目的動態調整采樣頻率值，以較好地采集到所需要的系纜力特征，固化 截止頻率和采樣頻率的測量方法不符合科研工作的要求。
[0007] 在其他領域有很多得到廣泛應用的信號采集儀，由于測試對象的特性不同，不能 用于采集深水網箱的系纜力。例如機械工程領域的切削力測試儀，其采樣頻率也可以變化， 但由于其采用電網供電，本地數據采集方式，且切削力信號的頻率較高，因此在硬件低通濾 波中采用固化的高截止頻率，而這些不符合海洋浮體系泊力測量的要求，因而不能應用于 深水網箱系纜力測量。
【發明內容】
[0008] 為了解決信號頻率成分不完全確定時的系纜力不失真測量問題，克服現有的浮體 系泊力測量裝置不能根據需要動態改變采樣參數的不足，本發明提供一種可變參數式深水 網箱系纜力采集儀。該采集儀可以按照采集人員具體的采集需要動態改變采樣頻率和低通 濾波截止頻率，從而對不同頻率的波浪作用下的深水網箱系纜力都能實現不失真測量。
[0009] 為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是： 可變參數式深水網箱系纜力采集儀，它主要由模擬量力傳感器、信號調理裝置、采樣 保持器、A/D轉換器、微處理器、數據存儲器、鍵盤和電源供應裝置組成，所述模擬量力傳感 器感知到系纜力信號并輸出與系纜力大小相對應的微弱電壓，經過信號調理裝置中的放大 器放大成較強的電壓，放大器輸出的較強電壓經過信號調理裝置中的低通濾波器濾波后變 成低頻電壓信號，低頻電壓信號經過采樣保持器中采樣保持電路的采樣保持后變成離散信 號，離散信號經A/D轉換器后變成數字信號，該數字信號即為所采集的數據，所述微處理器 將該數據存儲到數據存儲器中；電源供電裝置包括蓄電池和電源適配器，蓄電池通過電源 適配器給整個采集儀提供電源；鍵盤將采樣頻率設置信息和采樣命令傳送給微處理器，微 處理器將接收到的所設置的采樣頻率值的1/2作為截止頻率值，并保存該采樣頻率和截止 頻率值；微處理器接收到采樣命令后，則按照所保存的截止頻率值產生低通濾波器的截止 頻率控制信號，該控制信號用以控制信號調理裝置中的低通濾波器，并按照所保存的采樣 頻率值產生采樣開關通斷控制信號，該信號控制采樣保持器中的采樣開關。
[0010] 還包括無線傳輸模塊，無線傳輸模塊通過串行接口與微處理器電連接，微處理器 接收無線傳輸裝置接收轉發的采樣頻率設置信息和遠程采樣命令，并將接收到的所設置的 采樣頻率值的1/2作為截止頻率值，再保存該采樣頻率和截止頻率值；微處理器接收到采 樣命令后，則按照所保存的截止頻率值產生低通濾波器的截止頻率控制信號，該控制信號 用以控制信號調理裝置中的低通濾波器，并按照所保存的采樣頻率值產生采樣開關通斷控 制信號，該信號控制采樣保持器中的采樣開關；所述微處理器從數據存儲器中讀出采集的 數據并經過無線傳輸模塊轉發給陸地采集人員。
[0011] 所述模擬量力傳感器采用6?10噸的模擬量力傳感器。
[0012] 所述A/D轉換器采用轉換位數大于14位的A/D轉換器。
[0013] 所述無線傳輸模塊的傳輸距離為l〇km以上。
[0014] 所述采樣保持器中，采樣開關的有效通斷頻率大于40Hz。
[0015] 所述信號調理裝置中，低通濾波器的最大有效截止頻率大于等于10Hz。
[0016] 所述采樣頻率的設置范圍為20?80Hz。
[0017] 所述低通濾波器采用MAX291CPA型低通濾波器，所述采樣保持器采用Philips公 司生產的LF398型采樣保持器，LF398型采樣保持器內集成了采樣保持電路和采樣開關， 放大后的系纜力電壓信號輸入到MAX291CPA型低通濾波器的IN引腳，經過低通濾波后從 MAX291CPA型低通濾波器的OUT引腳輸出，用MAX291CPA型低通濾波器的外部時鐘控制其截 止頻率。
[0018] 所述A/D轉換器采用ADC1143J型多路16位A/D轉換器；所述微處理器采用ATMEL 公司生產的AT89S52型控制器，用外部中斷引腳P3. 2接收ADC1143J型多路16位A/D轉 換器轉換結束的中斷信號，用P1. 4輸出ADC1143J型多路16位A/D轉換器的啟動信號；高 位地址引腳P2. 6和RD引腳的輸出信號作為74LS244 (1)的啟動控制信號，高位地址引腳 P2. 7和RD引腳的輸出信號作為74LS244 (2)的啟動控制信號，微處理器的P0接口用于接 收74LS244 (1)和74LS244 (2)的輸出數據；用P3. 4引腳輸出采樣開關的通斷控制信號； 用P3. 5引腳輸出低通濾波器的時鐘信號，作為低通濾波截止頻率的控制信號。
[0019] 本發明的有益效果：1.在保證采樣精度的前提下，動態改變采樣頻率和低通濾波 截止頻率，從而使得科研人員可以針對不同波浪情況和不同研究目標的需要靈活采集深水 網箱系纜力數據。2.采用鍵盤方式和無線傳輸兩種方式輸入命令，可同時滿足現場采樣和 遠程采樣的需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明： 圖1是本發明可變參數式深水網箱系纜力采集儀的結構框圖； 圖2是本發明模擬量力傳感器和信號放大器的電路原理圖； 圖3是本發明電源適配器的電路原理圖； 圖4是本發明的低通濾波器和采樣保持器的電路原理圖； 圖5是本發明的A/D轉換器的電路原理圖； 圖6是本發明的微處理器的電路原理圖； 圖7是本發明的數據存儲器的電路原理圖； 圖8是本發明的鍵盤電路原理圖； 圖9是本發明的地址鎖存器的電路原理圖； 圖10是本發明的并行接口 8255A控制芯片和顯示器的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0021] 如圖1所示，可變參數式深水網箱系纜力采集儀，它主要由模擬量力傳感器、信號 調理裝置、采樣保持器、A/D轉換器、微處理器、數據存儲器、鍵盤、顯示器、無線傳輸模塊和 電源供應裝置組成，所述模擬量力傳感器感知到系纜力信號并輸出與系纜力大小相對應的 微弱電壓，經過信號調理裝置中的放大器放大成較強的電壓，放大器輸出的較強電壓經過 信號調理裝置中的低通濾波器濾波后變成低頻電壓信號，低頻電壓信號經過采樣保持器中 采樣保持電路的采樣保持后變成離散信號，離散信號經A/D轉換器后變成數字信號，該數 字信號即為所采集的數據，所述微處理器將該數據存儲到數據存儲器中；電源供電裝置包 括蓄電池和電源適配器，蓄電池通過電源適配器給整個采集儀提供電源；鍵盤將采樣頻率 設置信息和采樣命令傳送給微處理器，微處理器將接收到的所設置的采樣頻率值的1/2作 為截止頻率值，并保存該采樣頻率和截止頻率值；微處理器接收到采樣命令后，則按照所保 存的截止頻率值產生低通濾波器的截止頻率控制信號，該控制信號用以控制信號調理裝置 中的低通濾波器，并按照所保存的采樣頻率值產生采樣開關通斷控制信號，該信號控制采 樣保持器中的采樣開關。另外，將電源適配器做在一塊開關電路板上，將信號調理裝置和采 樣保持器集成在一塊信號調理板上，將A/D轉換器、微處理器、數據存儲器、顯示器及鍵盤 集成在一塊信號控制板上，蓄電池、模擬量力傳感器和無線傳輸模塊均為獨立的外購器件。
[0022] 如圖2所示，為模擬量力傳感器和放大器的電原理圖，所述模擬量力傳感器采用 YZC516型模擬量力傳感器，YZC516型模擬量力傳感器的量程為10噸，它有1個電源引腳， 1個電源地引腳，1個輸出信號引腳，1個信號地引腳，YZC516型模擬量力傳感器的輸出信號 引腳和信號地引腳通過跳線JP2分別接信號調理裝置的放大器中的INA118P型芯片的IN+ 和IN-輸入端，放大后的系纜力電壓信號從INA118P型芯片的OUT引腳輸出；跳線JP1連接 電源適配電路的輸出，為YZC516型模擬量力傳感器供電。
[0023] 如圖3所示，電源供應裝置中，蓄電池采用Panasonic公司生產的LC-P1224型24V 蓄電池，用該蓄電池的輸出作為電源適配器電路中的LM2940CT-12穩壓器和LM2940CT-5 穩壓器的輸入，LM2940CT-12穩壓器輸出+12V電壓，LM2940CT-5穩壓器輸出+5V電壓，用 Maxim公司生產的ICL7660A型小功率極性反轉電源轉換器將12V電壓轉換為-12V電壓輸 出，電源適配電路共輸出+12V、-12V和+5V三種電壓，通過跳線JP5,為采集儀各部分供電。
[0024] 如圖4所示，低通濾波器采用MAX291CPA型低通濾波器，所述采樣保持器采用 Philips公司生產的LF398型采樣保持器，LF398型采樣保持器內集成了采樣保持電路和采 樣開關，放大后的系纜力電壓信號輸入到MAX291CPA型低通濾波器的IN引腳，經過低通濾 波后從MAX291CPA型低通濾波器的OUT引腳輸出，用MAX291CPA型低通濾波器的外部時鐘 控制其截止頻率，MAX291CA的時鐘引腳CLK接跳線JP3的引腳1 ;從LF398型采樣保持器的 引腳8輸入控制信號，控制LF398型采樣保持器內部采樣開關的通斷，該引腳接跳線JP3的 引腳3,經采樣后的離散信號接跳線JP3的引腳2。
[0025] 如圖5所示，跳線JP4集成在信號控制板上，其引腳和信號調理板的跳線JP3的引 腳對應。JP4的引腳1輸入MAX291CPA型低通濾波器的時鐘信號，引腳3輸入LF398型采樣 保持器的采樣開關通斷控制信號，引腳2輸出采樣后的離散信號，A/D轉換器采用ADC1143J 型多路16位A/D轉換器，ADC1143J型多路16位A/D轉換器將跳線JP4輸出的離散采樣信 號作為第一路輸入信號，ADC1143J型多路16位A/D轉換器的高8位輸出接第一片總線驅 動器74LS244 (1)，低8位輸出接第二片總線驅動器74LS244 (2)，STATUS信號是該A/D轉換 器的結束標識，輸出到微處理器的中斷引腳P3. 2,以將該信號作為中斷請求信號，CC0M信 號是A/D轉換的啟動信號，由微處理器輸入該信號。
[0026] 如圖6所示，所述微處理器采用ATMEL公司生產的AT89S52型控制器，AT89S52型 控制器采用11. 059MHZ的時鐘。用P3. 4引腳接跳線JP4的引腳3,輸出采樣開關的通斷控 制信號；用P3. 5引腳接跳線JP4的引腳1，輸出低通濾波器的時鐘信號，作為低通濾波截止 頻率的控制信號。
[0027] 用外部中斷引腳P3. 2接收ADC1143J型多路16位A/D轉換器轉換結束的中斷信 號，用P1.4輸出ADC1143J型多路16位A/D轉換器的啟動信號。高位地址引腳P2.6和RD 引腳的輸出信號作為74LS244( 1)的啟動控制信號，高位地址引腳P2. 7和RD引腳的輸出信 號作為74LS244 (2)的啟動控制信號，微處理器的P0接口用于接收74LS244 (1)和74LS244 (2)的輸出數據。微處理器的串行接口引腳RxD和TxD和無線傳輸模塊的串行接口相連，以 和無線傳輸模塊串行通信，微處理器接收無線傳輸裝置接收轉發的采樣頻率設置信息和遠 程采樣命令，所述微處理器從數據存儲器中讀出采集的數據并經過無線傳輸模塊轉發給陸 地米集人員。
[0028] 如圖7所示，數據存儲器采用6116型數據存儲器，接收和發送6116型數據存儲器 的數據，微處理器的高位地址P2. 0?P2. 2分別輸出6116型數據存儲器的三個高地址位。 高位地址P2. 3的輸出取反后作為6116型數據存儲器的片選信號。微處理器的RD引角輸 出6116型數據存儲器的讀控信號。WR引角輸出6116型數據存儲器的寫控信號。
[0029] 如圖8所示，鍵盤采用3*4行列式鍵盤，微處理器的P1. 7?P1. 5分別接3*4行列 式鍵盤的第〇行?第2行。微處理器的P1. 3?P1. 0分別接鍵盤的第0列?第3列。微處 理器的外部中斷引腳P3. 3接收有鍵按下的標識信號。
[0030] 如圖9所示，還包括地址鎖存器74LS373,其輸出Q0?Q7作為6116的低8位地 址，Q0和Q1也作為8255A控制芯片的地址A0和A1。
[0031] 如圖10所示，為并行接口 8255A控制芯片和顯示器，所述顯示器采用4個共陰極 LED顯示器，用8255A控制芯片控制其顯示。顯示器采用動態顯示的方式，8255A控制芯片的 A端口經過第三片74LS244后輸出顯示器的段碼，8255A控制芯片的B端口的第4位ΡΒ0? PB3輸出顯示器的控制字。微處理器的高位地址P2. 3的輸出作為8255A控制芯片的片選 信號。微處理器的RD引角輸出8255A控制芯片的讀控制信號。微處理器的WR引角輸出 8255A的寫控制信號。
[0032] 以上所述是本發明的優選實施方式而已，當然不能以此來限定本發明之權利范 圍，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，對本發明的技術方案進行修改或者等 同替換，都不脫離本發明技術方案的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：它主要由模擬量力傳感器、 信號調理裝置、采樣保持器、A/D轉換器、微處理器、數據存儲器、鍵盤和電源供應裝置組成， 所述模擬量力傳感器感知到系纜力信號并輸出與系纜力大小相對應的微弱電壓，經過信號 調理裝置中的放大器放大成較強的電壓，放大器輸出的較強電壓經過信號調理裝置中的低 通濾波器濾波后變成低頻電壓信號，低頻電壓信號經過采樣保持器中采樣保持電路的采樣 保持后變成離散信號，離散信號經A/D轉換器后變成數字信號，該數字信號即為所采集的 數據，所述微處理器將該數據存儲到數據存儲器中；電源供電裝置包括蓄電池和電源適配 器，蓄電池通過電源適配器給整個采集儀提供電源；鍵盤將采樣頻率設置信息和采樣命令 傳送給微處理器，微處理器將接收到的所設置的采樣頻率值的1/2作為截止頻率值，并保 存該采樣頻率和截止頻率值；微處理器接收到采樣命令后，則按照所保存的截止頻率值產 生低通濾波器的截止頻率控制信號，該控制信號用以控制信號調理裝置中的低通濾波器， 并按照所保存的采樣頻率值產生采樣開關通斷控制信號，該信號控制采樣保持器中的采樣 開關。
2. 根據權利要求1所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：還包括無 線傳輸模塊，無線傳輸模塊通過串行接口與微處理器電連接；所述微處理器從數據存儲器 中讀出采集的數據并經過無線傳輸模塊轉發給陸地采集人員。
3. 根據權利要求1或2所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：所述 模擬量力傳感器采用6?10噸的模擬量力傳感器。
4. 根據權利要求3所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：所述A/D 轉換器采用轉換位數大于14位的A/D轉換器。
5. 根據權利要求3所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：所述無線 傳輸模塊的傳輸距離為l〇km以上。
6. 根據權利要求3所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：所述采樣 保持器中，采樣開關的有效通斷頻率大于40Hz。
7. 根據權利要求3所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：所述信號 調理裝置中，低通濾波器的最大有效截止頻率大于等于10Hz。
8. 根據權利要求3所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：所述采樣 頻率的設置范圍為20?80Hz。
9. 根據權利要求3所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：所述低通 濾波器采用MAX291CPA型低通濾波器，所述采樣保持器采用Philips公司生產的LF398型 采樣保持器，LF398型采樣保持器內集成了采樣保持電路和采樣開關，放大后的系纜力電壓 信號輸入到MAX291CPA型低通濾波器的IN引腳，經過低通濾波后從MAX291CPA型低通濾波 器的OUT引腳輸出，用MAX291CPA型低通濾波器的外部時鐘控制其截止頻率。
10. 根據權利要求9所述的可變參數式深水網箱系纜力采集儀，其特征在于：所述A/ D轉換器采用ADC1143J型多路16位A/D轉換器；所述微處理器采用ATMEL公司生產的 AT89S52型控制器，用外部中斷引腳P3. 2接收ADC1143J型多路16位A/D轉換器轉換結束的 中斷信號，用P1. 4輸出ADC1143J型多路16位A/D轉換器的啟動信號；高位地址引腳P2. 6 和RD引腳的輸出信號作為74LS244 (1)的啟動控制信號，高位地址引腳P2. 7和RD引腳的 輸出信號作為74LS244 (2)的啟動控制信號，微處理器的P0接口用于接收74LS244 (1)和 74LS244 (2)的輸出數據；用P3. 4引腳輸出采樣開關的通斷控制信號；用P3. 5引腳輸出低 通濾波器的時鐘信號，作為低通濾波截止頻率的控制信號。
【文檔編號】G01L5/00GK104089734SQ201410335847
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月15日 優先權日:2014年7月15日
【發明者】劉璨, 何真, 劉樂, 趙耀 申請人:廣東海洋大學