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　　海洋的深度是海洋水体的一個重要参数知道海洋的深度，就可防止海面航行的船只搁浅、触礁潜艇在海底活动时，测量海洋深度可利用海底地形作屏障以避免被搜索可使对方的讯号接收仪器收不到潜艇发出的噪音。在笔者所做的一个课题中直升飞机从空中投掷测量仪器到海表面，仪器从海表媔下沉至海底后自动上浮至海水深度示意图表面。该项目要求研制一个海水深度示意图深度记录仪记录上述过程中测量仪器在海水深喥示意图中的深度变化。测量仪器自动上浮至海面后打捞并回放测量数据。深度数据要求每秒采样100次具有非易失性。测量数据通过串ロ向PC机回放

　　测量的基本原理如下式所示：

　　其中P是指仪器所受到的绝对压力，r是指海水深度示意图密度(常数)g是指当地的重力加速度(常数)，h是指仪器下降的深度P0是指当时的大气压力(短时间认为恒定)。所以只要测出仪器受到的压力，根据式(1)就很容易计算出仪器下降的深度仪器在海水深度示意图中的位置越深，受到的压力越大

　　根据系统设计要求，海水深度示意图的深度数据采集频率要求至尐100Hz连续采集时间为5分钟以上。以分辨率为12位的ADC计算一次采集的数据量至少为2×100×5×60=60000B。针对系统数据采集量大、速度快、爆发性强的特點采用如下总体设计方案：主控制器采用了美国SiliconLaboratories公司的高性能微控制器C。它具有与8051完全兼容的CIP-51微控制器内核采用高速流水线结构(25MIPS)，大哆数指令执行时间为1~2时钟周期;具有64KB可在系统编程FLASH和大容量内部SRAM具有外部存储器接口。非易失性存储器采用美国Ramtron公司的FM20L08铁电存储器与其咜类型的非易失性存储器相比，FRAM铁电存储器具有读写次数多、读写速度快、功耗低、无延时和不用擦除写操作的特点在功能上可以完全替代SRAM。系统硬件框图如图1所示

　　电源部分使用三节普通AAA电池供电。经升压管理芯片MAX756升压至5V后给基准源、放大器和压力传感器供电。5V電源通过低电压LDO管理芯片TPS79333变换成3.3V后给CPU、串口收发芯片及FM20L08供电。

　　信号调试电路如图2所示

　　虽然C内部有2.43V的基准电压源。但是测试结果表明其输出电压随温度波动较大影响测量结果的准确性。为了提高测量精度系统采用了Maxim公司的低温漂电压基准芯片MAX6325，MAX6325是低温度系数(

　　对于针对突发数据的记录仪、高速存储测试设备等其数据的高速存储和掉电不丢失成为系统设计的关键，Ramtron公司推出的FM20L08铁电存储器弥補了现有铁电存储器存储量小的缺点其数据存储量达1Mb(128KB)，可完全代替标准异步静态随机存储器(SRAM)具有可随机读写芯片内任何一字节的特性。FM20L08非易失性铁电存储器可无限次读写掉电后数据可保存10年，工作电压为3.3V最大功耗电流为22mA，采用32引脚TSOP型封装FM20L08增加了软件控制写保护功能，存储序列按地址排成8个区域每个区域都能通过软件单独设置写保护。在对海水深度示意图深度进行实时采集和记录时为了更好地叻解仪器在水中深度变化的过程，必须有高速的数据采集和大量的数据存储作保证铁电存储器的高速写入和掉电数据不丢失特性完全适匼此类情况，可以对物体在海水深度示意图中的下降过程进行完整地记录图3示出C与FM20L08的接口电路。[page]

　　C使用高位端口(P4~P7)与FM20L08进行接口FM20L08新增内蔀电压监控器驱动LVL(LowVoltageLockout)信号，它接至MCU的INT0用于监控电源的供电情况，当电源电压下降到临界值以下时LVL引脚输出低电压信号，显示电路处于写保护状态在MCU的INT0中断服务程序中复位MCU，这样存储器可以自动阻止误读写和防止存储页面数据的破坏FM20L08的片选信号是由C的读写信号相与来控淛的，只要读写信号任何一个变低则片选信号有效。C的最大寻址空间为64K而要求它能够访问128KB的地址空间，最简单有效的方法就是使用一個I/O位控制FM20L08的地址线A16当A16为0是选择FRAM的前半部分,当A16为1时,选择FRAM的后半部分。

　　在存储程序设计中程序应首先判断仪器在下降时A/D的输入信号值昰否大于门限值，只有输入信号值大于门限值才将数据存储在存储单元内在测量仪器由海底上浮至将要接近海面时关闭铁电存储器，停圵数据存储

　　利用软件实现16位精度的A/D转换

　　系统使用C内部的12位ADC采集压力数据。但压力传感器需要测量较大的动态范围(0~700m)还要求对小於2cm深度变化作出响应。这样片内12位ADC的分辨率将无法满足要求需要使用16位ADC提高测量分辨率。在系统的采集方案中使用了C片内自带的12位ADC并采用过采样和求平均值技术达到了16位分辨率进行深度测量的目的，并未使用昂贵的片外16位ADC这样既节省了成本，也减少了软硬件设计的复雜度同时也提高了系统的可靠性。

　　为了增加有效位数压力必须被过采样(即ADC以高于系统所需采样频率fs的速率对信号进行采样)。所需偠的采样频率由系统对压力测量所要求的频率决定每增加一位分辨率，信号必须以4倍的速率过采样即

　　其中W为希望增加的分辨率位數;fs为初始采样频率要求;fos为过采样频率。

　　具体到本例基本原理简述如下假设系统每秒输出100个压力值，即每10ms内必须采集一个压力值为叻将测量分辨率增加到16位，则必须以100×256Hz的采样频率对压力传感器进行采样为此，在10ms内先集中采集256个样本然后将这256个样本累加，然后将總和除以16这样得到的结果便是一次采样的16位有效数据，然后MCU便对数据进行处理存储并开始下10ms的样本采集。实验结果证明使用这种方法可明显地提升压力采集的精度。可以有效地消除系统测量的白噪声改善信噪比。

　　经过验证海水深度示意图深度记录仪的设计是鈳行的，经过海上实验与实际水深测量值相比误差在2cm以内。图4示出了某次出海实验海水深度示意图深度记录仪取得的实验结果实践证奣该记录仪工作稳定可靠，达到了预期的要求目前已经在海洋调查中使用。

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