丁宝俊+唐晓庆

摘 要：针对某水下产品试验布放过程中绳索受力及其深度位置信息采集、记录和分析需求，以+3.3 V单片机和大容量闪存为硬件系统的核心，设计了一种低成本小型测试系统。该系统收集的数据可作为某水下产品研制过程中改进设计和考核试验的重要依据。

关键词：多传感器；低功耗；大容量；微型；测试

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）02-0020-03

在测试领域中，低功耗、大容量、小体积的设计特点已经成为竞争的主要目标，而水下微型测试系统对确定产品的性能指标有着重要的参考意义。本测试系统主要用于某水下产品试验过程中其绳索受力和产品深度位置两项参数的测量、实时采集和记录，并在试验结束后通过USB2.0通信接口将数据下载到计算机中，由专用的数据处理软件对信号进行分析和处理。下面详细阐述此测试系统的工作原理、系统组成、硬软件设计和所实现的性能指标，同时，对各信号测量的方法、记录器存储容量计算、信号调理电路设计、信号测量存储方法、系统基本结构和配置进行描述。

1 测试系统的组成和原理

该测试系统主要由采集记录器和授时回放软件（数据处理软件）两部分组成。采集记录器收录数据存储、读取程序，在产品试验前，完成与授时回放软件的时间同步；在试验过程中，进行两路传感器信号的水下采集，并记录时间信息；在试验结束后，将存入闪存的数据写入U盘后上传至PC机中。授时回放软件将记录的数据综合，解算出记录的拉力、深度和时间参数，并以数据、图表形式直观地展现出来。

在本测试系统的设计中，采集记录器满足了各项指标并解决了控制器与外围芯片难匹配的问题，从结构设计、原理设计和电源设计等多个环节满足体积小、容量大、功耗低的设计要点。

1.1 采集记录器主要硬件设计

采集记录器硬件主要由信号测量、数据采集、数据存储和数据下载四部分组成，其电原理框图详见图1. 电路设计选用单片2 GB大容量闪存作为存储单元，来满足连续24 h记录容量的需求。微控制单元（MCU）控制器选用3.3 V低电压PIC单片机，简化了与存储器的接口设计，配置双路ADC芯片、实时时钟、电压转换芯片、总线收发器和特种水密插座等，以实现产品入水采样控制、数据读取和记录过程时间的精确、同步等功能。

图1 采集记录器电原理框图

1.1.1 信号测量

采集绳索力信号选用柱式拉压力传感器，采用箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、长期运行稳定、密封性好等特点；也可选用变送器，它可直接产生0～5 V的标准输出信号，但其体积大、安装困难、可靠性低。本着小型化考虑，不选用变送器。线路板信号调理部分见图2.

采集水深信号选用不锈钢压阻式变送器，它体积小、结构紧密，精度为0.2%FS（满量程），且具有良好的稳定性，输入电压范围为8～28 V，输出0～5 V的标准信号，可直接供A/D进行采样。它采用标准的外螺纹，可直接安装到密封壳体上。

1.1.2 数据采集

这部分主要负责将小型传感器组输出的力和深度信息转换成数字信号。被测电压信号在进入记录器后，先转换成与ADC转换相匹配的电压信号，然后通过信号调理电路，将外部信号1∶1放大，并输出至ADC芯片。另外，它还加入了电压钳位功能，以保证信号不会对采集记录器造成任何影响，如图2所示。

图2 信号调理

AD采集选用双通道12位串行AD转换器、MAX144芯片和8-pin μMAX封装。MAX144的最大采集频率为108 kHz，具有转换速率高、功耗低等优点。两个模拟输入通道CH0与CH1可连接到两个不同的信号源上，上电复位后，MAX144将自动对CH0通道的模拟信号进行A/D转换。转换完毕后，自动切换到CH1通道，并对CH1通道模拟信号进行A/D转换。之后，交替地在CH0和CH1通道之间进行切换和转换，输出数据中包含通道标志位CHID来确定该数据为哪一通道转换得到。MAX144特别适合本系统使用，它的电池供电对功耗和空间有相应的要求。

1.1.3 中心控制逻辑单元

MCU控制器是中心控制逻辑单元的核心，它具有实现系统启动、初始化设置、功能设置、数据读取和电源控制等功能。在系统上电后，MCU控制器会检测和判别记录器工作状态。当处于待触发状态时，它会开始检测，并启动触发信号（入水采集）。一旦确认为启动记录，MCU控制器就发出采集允许指令，开始采集、记录数据，直到存储单元记满才会停止采集。当MCU接收到数据下载指令后，MCU会将数据传输到计算机，由计算机保存和处理。本系统选用Microchip公司生产的PIC16LF 877APT单片机，采用44脚贴片封装，具有体积小、功耗低等特点。

要注意的是：AD转换器MAX144芯片模拟信号输入范围为0～VDD，而VDD范围为+2.7～+5.25 V，因其采集信号为0～5 V，所以采用+5 V供电，这样就与3.3V控制器MCU接口电平不一致。本设计采用2片具有方向控制功能的总线收发器，很好地解决了SPI信号流向和电平匹配的难题。ADC与控制器的接口设计见图3.

图3 ADC与控制器的接口设计

由于记录器记录时间长，系统时钟的精度会直接影响事后数据分析的结果，因此，在数据采集的过程中，引入实时时钟，使其在记录过程中与时钟精确同步。数据记录器在试验前通过计算机授时，即为PC机的时间（或GPS时间）。授时完毕后，记录器内部的高精度时钟芯片开始工作，实时时钟有内部备用电源，可以在记录器不上电的情况下工作。

电源控制由电池、电压转换芯片等组成。电池采用多节锂离子电池串并联而成，电池容量是由工作电流和工作时间决定。电源采用2节3.6V电池串联成电池组，同时再将3组电池组并联而成，预计电池容量为1.8A/h×2×3=10.8 A/h，数据记录器按0.3A/h计算，记录时间为（10.8 A/h）/（0.3 A/h）=36 h，可见，它可以满足24 h的记录任务。

电源电路采用降额设计，并使用高精度电源电路，它可以保证供电系统的可靠性。当触发引线为低电平时，输出电压为0 V；当触发引线为高电平触发后，电池组电压输出，系统上电过程详见图4. 电压转换芯片实现将电池电压7.2 V转换为系统所需要的12 V、5 V和3.3 V：12 V为小型传感器组工作电压，5 V为模拟电路的工作电压，3.3 V为数字电路的工作电压。

1.1.4 数据存储

数据存储选用FLASH存储芯片K9F2G08U0M（2GB），它可以在300μs内完成2 112字节的页编程操作，还可以在2 ms内完成128 K字节的擦除操作，同时，数据区内的数据能以30 ns/byte的速度读出。从接口角度看，虽然K9F2G08U0M的容量和寻址范围远远超过常见单片机的容量和寻址范围，但由于芯片上的控制器能自动控制所有编程和擦除操作，提供必要的重复脉冲、内部确认和数据空间，而且其I/O口既可以作为地址的输入端，也可以作为数据的输出端，同时它还可以作为指令的输入端。这样不仅省去了地址线，而且还解决了单片机控制系统中引脚资源有限的问题。它除了满足大容量要求外，还可在断电的情况下保证采集的数据不会丢失，确保数据的安全。闪存由于工艺的原因，其容量越大工作电压便会越低，而单片机最低的工作电压为+3.3 V，这为简化接口设计选用+3.3 V工作电压的闪存进行数据的存储提供了有力的支持。

容量计算示例：4（通道）×1 k/s×2（字节）×60×60×48/1024/1024/1024≈2 GByte。如果数据量更大，可根据实际需要选择容量更大的闪存或将多片存储芯片扩展使用。

1.1.5 数据下载

该接口是个备用模块，在试验结束后，它负责把记录到大容量闪存中的数据下载到PC机（上位机）。选用USB118AD型U盘数传接口，它有标准USB2.0接口和高速SPI接口，适用于本系统的外挂式存储（U盘或USB接口的移动硬盘等）。SPI口文件传输最大速度为150 kByte/s，记录形成FAT16/FAT32文件，便于处理操作。数据下载接口简单、拔插方便、操作性强，大大缩小了体积，提高了系统的可靠性。与MCU接口关系详见图5.

1.2 采集记录器主要软件设计

采集记录器的软件为数据存储读取汇编程序，包括ADC采样，闪存读、写和擦除，时钟读、写，写U盘等。限于篇幅关系，在此仅给出闪存页编程子模块程序以作示例，具体详见图6.

图6 闪存页编程子模块程序

1.3 授时回放软件

授时回放软件，即将数据处理软件运行在PC机上，依照面向对象编写为集成控制软件，以菜单方式选择功能。它的主要功能有通信、时间同步、读取数据、数据解算、图表显示和存盘等。软件的结构见图7，在此不详细介绍其程序。

图7 软件结构框图

2 小型化设计

本系统在实现技术指标和满足性能要求的前提下，简化设计目标，尽可能地减少产品组成单元的数量和其相互间的关联，采用模块化设计，选用低功耗器件。为了使装置便于安装操作，选用贴片元器件和高可靠性小型插座，同时，省掉了对接水密插头（用于入水触发采样），采用引线方式、预留外挂U盘数传接口等来确保装置的小型化。

3 抗干扰设计

布线时，尽可能减短两路模拟信号的输入通路，避免平行，用地线对其进行屏蔽。在模拟输入前端，即在输入信号前串接470 Ω的电阻，并接入0.01 μF的旁路电容，以削弱开关电容滤波器所产生的时钟噪声。设计电源线时，根据印制线路板电流的大小尽量加粗电源线的宽度，使电源线地线中的供电方向与数据信号的传递方向相反，即从末级向前级推进供电，这样做有助于增强抗噪声能力等。

4 结束语

本文完整地介绍了多传感器的水下微型测试系统的设计和研制，硬件和软件均经过实践检验，并成功地将其应用在某测试装置中。从样机的运行结果来看，本文设计方案不仅可行，还保证了其在数据采样处理方面的诸多性能指标，而且系统的可靠性较高、实用性较强。它为水下测试系统小型化提供了一种新的思路。

参考文献

[1]徐泽善，胡爱民.传感器与压电器件[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2]高光天.模数转换器应用技术[M].北京：科学出版社，2001.

[3]张念淮，江浩.USB总线接口开发指南[M].北京：国防工业出版社，2002.

〔编辑：白洁〕

Underwater Miniature Multi-sensor Test System

Ding Baojun， Tang Xiaoqing

Abstract： In the course of the rope force put its depth position information collection， recording and analysis needs to +3.3 V single-chip and large-capacity flash memory is the core of the systems hardware products for a certain underwater test cloth， designed a low-cost small-scale test systems. Data collected by the system can be used as a product development process improvement underwater important basis for the design and assessment tests.

Keywords： multi-sensor； low power consumption； capacity； miniature； tests

电源电路采用降额设计，并使用高精度电源电路，它可以保证供电系统的可靠性。当触发引线为低电平时，输出电压为0 V；当触发引线为高电平触发后，电池组电压输出，系统上电过程详见图4. 电压转换芯片实现将电池电压7.2 V转换为系统所需要的12 V、5 V和3.3 V：12 V为小型传感器组工作电压，5 V为模拟电路的工作电压，3.3 V为数字电路的工作电压。

1.1.4 数据存储

数据存储选用FLASH存储芯片K9F2G08U0M（2GB），它可以在300μs内完成2 112字节的页编程操作，还可以在2 ms内完成128 K字节的擦除操作，同时，数据区内的数据能以30 ns/byte的速度读出。从接口角度看，虽然K9F2G08U0M的容量和寻址范围远远超过常见单片机的容量和寻址范围，但由于芯片上的控制器能自动控制所有编程和擦除操作，提供必要的重复脉冲、内部确认和数据空间，而且其I/O口既可以作为地址的输入端，也可以作为数据的输出端，同时它还可以作为指令的输入端。这样不仅省去了地址线，而且还解决了单片机控制系统中引脚资源有限的问题。它除了满足大容量要求外，还可在断电的情况下保证采集的数据不会丢失，确保数据的安全。闪存由于工艺的原因，其容量越大工作电压便会越低，而单片机最低的工作电压为+3.3 V，这为简化接口设计选用+3.3 V工作电压的闪存进行数据的存储提供了有力的支持。

容量计算示例：4（通道）×1 k/s×2（字节）×60×60×48/1024/1024/1024≈2 GByte。如果数据量更大，可根据实际需要选择容量更大的闪存或将多片存储芯片扩展使用。

1.1.5 数据下载

该接口是个备用模块，在试验结束后，它负责把记录到大容量闪存中的数据下载到PC机（上位机）。选用USB118AD型U盘数传接口，它有标准USB2.0接口和高速SPI接口，适用于本系统的外挂式存储（U盘或USB接口的移动硬盘等）。SPI口文件传输最大速度为150 kByte/s，记录形成FAT16/FAT32文件，便于处理操作。数据下载接口简单、拔插方便、操作性强，大大缩小了体积，提高了系统的可靠性。与MCU接口关系详见图5.

1.2 采集记录器主要软件设计

采集记录器的软件为数据存储读取汇编程序，包括ADC采样，闪存读、写和擦除，时钟读、写，写U盘等。限于篇幅关系，在此仅给出闪存页编程子模块程序以作示例，具体详见图6.

图6 闪存页编程子模块程序

1.3 授时回放软件

授时回放软件，即将数据处理软件运行在PC机上，依照面向对象编写为集成控制软件，以菜单方式选择功能。它的主要功能有通信、时间同步、读取数据、数据解算、图表显示和存盘等。软件的结构见图7，在此不详细介绍其程序。

图7 软件结构框图

2 小型化设计

本系统在实现技术指标和满足性能要求的前提下，简化设计目标，尽可能地减少产品组成单元的数量和其相互间的关联，采用模块化设计，选用低功耗器件。为了使装置便于安装操作，选用贴片元器件和高可靠性小型插座，同时，省掉了对接水密插头（用于入水触发采样），采用引线方式、预留外挂U盘数传接口等来确保装置的小型化。

3 抗干扰设计

布线时，尽可能减短两路模拟信号的输入通路，避免平行，用地线对其进行屏蔽。在模拟输入前端，即在输入信号前串接470 Ω的电阻，并接入0.01 μF的旁路电容，以削弱开关电容滤波器所产生的时钟噪声。设计电源线时，根据印制线路板电流的大小尽量加粗电源线的宽度，使电源线地线中的供电方向与数据信号的传递方向相反，即从末级向前级推进供电，这样做有助于增强抗噪声能力等。

4 结束语

本文完整地介绍了多传感器的水下微型测试系统的设计和研制，硬件和软件均经过实践检验，并成功地将其应用在某测试装置中。从样机的运行结果来看，本文设计方案不仅可行，还保证了其在数据采样处理方面的诸多性能指标，而且系统的可靠性较高、实用性较强。它为水下测试系统小型化提供了一种新的思路。

参考文献

[1]徐泽善，胡爱民.传感器与压电器件[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2]高光天.模数转换器应用技术[M].北京：科学出版社，2001.

[3]张念淮，江浩.USB总线接口开发指南[M].北京：国防工业出版社，2002.

〔编辑：白洁〕

Underwater Miniature Multi-sensor Test System

Ding Baojun， Tang Xiaoqing

Abstract： In the course of the rope force put its depth position information collection， recording and analysis needs to +3.3 V single-chip and large-capacity flash memory is the core of the systems hardware products for a certain underwater test cloth， designed a low-cost small-scale test systems. Data collected by the system can be used as a product development process improvement underwater important basis for the design and assessment tests.

Keywords： multi-sensor； low power consumption； capacity； miniature； tests

电源电路采用降额设计，并使用高精度电源电路，它可以保证供电系统的可靠性。当触发引线为低电平时，输出电压为0 V；当触发引线为高电平触发后，电池组电压输出，系统上电过程详见图4. 电压转换芯片实现将电池电压7.2 V转换为系统所需要的12 V、5 V和3.3 V：12 V为小型传感器组工作电压，5 V为模拟电路的工作电压，3.3 V为数字电路的工作电压。

1.1.4 数据存储

数据存储选用FLASH存储芯片K9F2G08U0M（2GB），它可以在300μs内完成2 112字节的页编程操作，还可以在2 ms内完成128 K字节的擦除操作，同时，数据区内的数据能以30 ns/byte的速度读出。从接口角度看，虽然K9F2G08U0M的容量和寻址范围远远超过常见单片机的容量和寻址范围，但由于芯片上的控制器能自动控制所有编程和擦除操作，提供必要的重复脉冲、内部确认和数据空间，而且其I/O口既可以作为地址的输入端，也可以作为数据的输出端，同时它还可以作为指令的输入端。这样不仅省去了地址线，而且还解决了单片机控制系统中引脚资源有限的问题。它除了满足大容量要求外，还可在断电的情况下保证采集的数据不会丢失，确保数据的安全。闪存由于工艺的原因，其容量越大工作电压便会越低，而单片机最低的工作电压为+3.3 V，这为简化接口设计选用+3.3 V工作电压的闪存进行数据的存储提供了有力的支持。

容量计算示例：4（通道）×1 k/s×2（字节）×60×60×48/1024/1024/1024≈2 GByte。如果数据量更大，可根据实际需要选择容量更大的闪存或将多片存储芯片扩展使用。

1.1.5 数据下载

该接口是个备用模块，在试验结束后，它负责把记录到大容量闪存中的数据下载到PC机（上位机）。选用USB118AD型U盘数传接口，它有标准USB2.0接口和高速SPI接口，适用于本系统的外挂式存储（U盘或USB接口的移动硬盘等）。SPI口文件传输最大速度为150 kByte/s，记录形成FAT16/FAT32文件，便于处理操作。数据下载接口简单、拔插方便、操作性强，大大缩小了体积，提高了系统的可靠性。与MCU接口关系详见图5.

1.2 采集记录器主要软件设计

采集记录器的软件为数据存储读取汇编程序，包括ADC采样，闪存读、写和擦除，时钟读、写，写U盘等。限于篇幅关系，在此仅给出闪存页编程子模块程序以作示例，具体详见图6.

图6 闪存页编程子模块程序

1.3 授时回放软件

授时回放软件，即将数据处理软件运行在PC机上，依照面向对象编写为集成控制软件，以菜单方式选择功能。它的主要功能有通信、时间同步、读取数据、数据解算、图表显示和存盘等。软件的结构见图7，在此不详细介绍其程序。

图7 软件结构框图

2 小型化设计

本系统在实现技术指标和满足性能要求的前提下，简化设计目标，尽可能地减少产品组成单元的数量和其相互间的关联，采用模块化设计，选用低功耗器件。为了使装置便于安装操作，选用贴片元器件和高可靠性小型插座，同时，省掉了对接水密插头（用于入水触发采样），采用引线方式、预留外挂U盘数传接口等来确保装置的小型化。

3 抗干扰设计

布线时，尽可能减短两路模拟信号的输入通路，避免平行，用地线对其进行屏蔽。在模拟输入前端，即在输入信号前串接470 Ω的电阻，并接入0.01 μF的旁路电容，以削弱开关电容滤波器所产生的时钟噪声。设计电源线时，根据印制线路板电流的大小尽量加粗电源线的宽度，使电源线地线中的供电方向与数据信号的传递方向相反，即从末级向前级推进供电，这样做有助于增强抗噪声能力等。

4 结束语

本文完整地介绍了多传感器的水下微型测试系统的设计和研制，硬件和软件均经过实践检验，并成功地将其应用在某测试装置中。从样机的运行结果来看，本文设计方案不仅可行，还保证了其在数据采样处理方面的诸多性能指标，而且系统的可靠性较高、实用性较强。它为水下测试系统小型化提供了一种新的思路。

参考文献

[1]徐泽善，胡爱民.传感器与压电器件[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2]高光天.模数转换器应用技术[M].北京：科学出版社，2001.

[3]张念淮，江浩.USB总线接口开发指南[M].北京：国防工业出版社，2002.

〔编辑：白洁〕

Underwater Miniature Multi-sensor Test System

Ding Baojun， Tang Xiaoqing

Abstract： In the course of the rope force put its depth position information collection， recording and analysis needs to +3.3 V single-chip and large-capacity flash memory is the core of the systems hardware products for a certain underwater test cloth， designed a low-cost small-scale test systems. Data collected by the system can be used as a product development process improvement underwater important basis for the design and assessment tests.

Keywords： multi-sensor； low power consumption； capacity； miniature； tests