专利名称：一种水上助航设施二线式多参数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水上助航设施的多参数测量装置，特别是一种水上助 航设施的二线式多参数测量装置。
背景技术：
水上助航设施是指供船舶定位、导航或者用于其他专用目的的辅助设施， 包括视觉航标(航标灯)、无线电导航设施和音响航标等，是保障水上交通安全 的最基本设施，对支持水上交通运输、海洋开发、渔业捕捞、国防建设和维护 国家主权均起着重要作用。水上助航设施作为传统的目测导航工具之一，仍在 我国各港口和航道中扮演着重要角色，其安装位置一般离供电电网较远，甚至 电网达不到的地方(如江中、海上、岛屿)，因此通常采用太阳能供电系统为水 上助航设施提供电能。白天，由太阳能电池为蓄电池供电，水上助航设施不工 作。到了晚上，水上助航设施自动启动，发出预先设置好的亮暗间歇的提示信 号，即为一种标准灯质，通过光色、灯光节奏和灯光周期指示该位置的状况及 航道。我国航标维护和管理仍然停留在劳动密集型阶段，主要依靠巡检船定时 巡检和过往船只的义务报告等形式进行维护，航标维护周期长，特别是由于自 然或人为的突发因素，造成航标损坏、漂离，电池老化或水上助航设施器损坏 等情况时，往往不能及时发现并修复，给来往的船只造成危险，极大地影响航 道安全和航道的使用率。这种维护方式已经明显滞后于航运发展的需要，迫切 需要提高航道管理和航标维护的水平，实行航标维护和管理的自动化、智能化。
为了实现航标维护人员足不出户，在电脑前就可了解几百公里外的水上助航设施当前状态(包括蓄电池电压、水上助航设施工作电流、灯质等参数)，及 时地预见和了解远程航标将会出现或已经出现的问题，并及时进行针对性的维 护，这对避免盲目性、减少维护费用、保障航道安全具有重要的意义。实用新
型专利(ZL 200620110833.4)发明了一种航标遥测遥控装置，通过GPRS将航 标的各种异常状态信息发送控制中心；实用新型专利(ZL 200620112495.8)发 明了一种航标灯灯质测量的信号预处理装置，微处理器两个A/D端分别连接到 灯泡的供电端和参考电压，根据A/D结果的判断完成对灯质信号的调理；专利 (申请号200610074413.X)公开了一种航标灯灯质测量的信号调理装置，微 处理器内部一个比较器分别连接到灯泡的供电端和参考电压，根据比较器输出 电平的判断以期实现对灯质信号的调理；专利(申请号200710009152.8)公开 了一种航标遥测终端的三线串入式接口方法，终端和蓄电池、航标灯之间仅需 三根线连接，即可实现对蓄电池电压、工作电流、以及灯质等航标参数的测量。 总体来看，这些发明装置都需要对原有水上助航设施进行多多少少地改造，属 于串入式的连接方式，即需要剪断原有水上助航设施的电源线路串入到装置电 流测量电路中，实现水上助航设施工作电流以及灯质等参数测量。由于装置与 水上助航设施串联，工作环境恶劣，接线头易老化、接触不良、电流测量电路 中出故障均会引起水上助航设施不能正常工作，必然存在着影响船舶航运的安 全隐患。 发明内容
任何一组蓄电池都有一定大小的内阻，当水上助航设施工作时亮暗变化(工 作电流时大时小)，蓄电池端电压必然存在一定大小的电压变化，而电压变化的 规律与水上助航设施的工作一致，电压变化的幅度与水上助航设施的工作电流 成正比，因此，只需要监测蓄电池端电压的变化情况，就能够实现对水上助航设施的工作与工作电流的测量，无需改动水上助航设施的任何连接线，即实现 二线式的监测方法。因而本实用新型目的在于提供一种水上助航设施二线式多 参数测量装置，无需对原有水上助航设施的连接线进行任何改动，完成对水上 助航设施工作电流、灯质、蓄电池工作电压等参数的测量，具有安装更加简单、 可靠性高、可适应不同工作电压、不同类型水上助航设施等优点，克服了现有 测量装置串入式连接的缺点。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案和措施是
测量装置由电桥取样电路、差分放大器、电压-电流-电压变换电路、增益控 制电路、信号整形电路、恒流放电电路、微处理器、ADC电路、供电电路、蓄
电池电压采样电路、RS232通信电路、GPRS模块、GPS模块组成。其中电桥取 样电路、差分放大器、电压-电流-电压变换电路、增益控制电路、ADC电路、 蓄电池电压采样电路依次顺序串联，同时ADC电路、GPS模块、GPRS模块、 RS232通信电路、供电电路、恒流放电电路、信号整形电路分别与微处理器相连。
通过电桥取样电路一方面将蓄电池端电压的电压变化取样输出，另一方面 作为差分放大器的直流偏置电路；经差分放大器放大后的信号含有一定的直流 分量，不宜直接与ADC直连接，电压-电流-电压变换电路将直流分量去掉，只 留下交流分量；增益控制电路用于调节电压-电流-电压变换电路的变换系数，使 输入到ADC的电压不超过参考电压，因此测量装置可适应不同工作电压、不同 类型水上助航设施实现了工作电流的监测；信号整形电路将电压-电流-电压变换 电路输出的信号进行整形，实现了水上助航设施灯质的监测；恒流放电电路用 于对水上助航设施工作电流监测作定标；蓄电池电压釆样电路将蓄电池端电压 进行分压后输出给ADC电路进行转换，实现蓄电池工作电压的监测。本实用新型的有益效果是不需要改动原有水上助航设施的任何连接线， 只要将测量装置的电源引线与蓄电池的正负极相连接，实现了水上助航设施工 作电流、灯质、蓄电池工作电压等参数的测量，具有安装更加简单、可靠性高、 可适应不同工作电压、不同类型水上助航设施。
图1是本实用新型所述的水上助航设施二线式多参数测量装置安装结构示意图。
图2是本实用新型所述的水上助航设施二线式多参数测量装置组成框图。 图3是本实用新型所述的水上助航设施二线式多参数测量装置电桥取样电 路原理图。
图4是本实用新型所述的水上助航设施二线式多参数测量装置电压-电流-电压变换电路原理图。
图5是本实用新型所述的水上助航设施二线式多参数测量装置定标、水上 助航设施工作电流、蓄电池端电压测量软件流程图。
具体实施方式
为了进一步说明本实用新型的具体实施方式
，下面将结合附图，详细叙述 本实用新型的具体结构和实施例。
图1中，l是测量装置，2是水上助航设施，3是蓄电池。其中蓄电池3的 正负极输出端分别与测量装置1、水上助航设施2的电源输入端相连接。
图2中，201是电桥取样电路、202是差分放大器、203是电压-电流-电压 变换电路、204是增益控制电路、205是ADC电路、206是蓄电池电压采样电路、 207是微处理器、208是GPS模块、209是GPRS模块、210是RS232通信电路、 211是供电电路、212是恒流放电电路、213是信号整形电路。其中电桥取样电路201、差分放大器202、电压-电流-电压变换电路203、增益控制电路204、 ADC 电路205、蓄电池电压采样电路206依次顺序串联，同时ADC电路205、 GPS 模块208、 GPRS模块209、 RS232通信电路210、供电电路211、恒流放电电路 212、信号整形电路213分别与微处理器207相连。
图3中，由电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R5构成电桥结构。其中电 容Cl与Rl并联且一端接地另一端电源正极输入端；电容C3与电阻R4并联后 一端接地另一端通过电阻R3与电源正极输入端相连。这样电容C3与电阻R4 并联得到1/2W"的平灼电压仏作为参考电压，使单电源供电的运放工作于线性 区。电容d与电阻Ri并联，其时间常数
r = / l||7 8xCl =50xl03 x220xl0—6 =1柳
使得^ / =厶4，不会受R1、 R5分压导致Af/。^lAP;，信号幅度变小的问 题。电阻R8和电容C4作为一阶低通滤波，上限截止频率
/ =丄 =159陶
消除水上助航设施中开关电源高频脉冲电流导致的高频干扰。 图4中，由运放U1B、 U3A、 U3B、 U4B，电阻R6、 R9、 RIO、 Rll、 R12、 R15、 R16，电容C8、 CIO， 二极管D3构成电压-电流-电压变换电路。其中U1B 的7脚与CIO、 D3相连；CIO、 D3的另一端与U1B的6脚、U3B的5脚、R6、 C8相连；U3B的7脚与6脚、Rll相连；U3A的1与RIO、 R15相连；U3A的 2月却与R9、 R10的另一端相连；U3A的3脚与R11另一端、R12相连；U4B的 7胆P与6脚、R12的另一端相连；U4B的5脚与R15的另一端、R16相连。
由于差分放大器输出的信号^/。=-10Af/。+"，含有直流分量Ub-l/2V,"因此无法直接与ADC电路直接连接，必须将直流电压仏去掉，只留下纯交流分量:
△(7。 一10AC/。
运放U1B、 U3B和电阻R6、电容C8、电容CIO、 D3构成峰值跟踪电路， 实现自动连续跟踪输入信号f4的峰值电压，以确保电压-电流-电压变换电路正 常工作。电阻R6与电容C8决定了当^的峰值电压下降时连续跟踪的速度T，
当某灯质的周期较长时大于1S，也能基本保持^的峰值电压。
U3A、 U4B和电阻R9 电阻R12、电阻R15构成电压-电流变换电路，其中
U4B为电压跟随器，提高电压-电流的转换精度，不受U3A、后级电路输入电阻
的影响。输出电流/。为
从/。电流表达式可见，输出的电流/。与R16无关。通过电阻R16将电流/ 转 换成电压输出纯交流电压分量输出，直流分量为O。
t;。 =/。 《雄
At/,. *扁/
可见，只要改电阻R16与电阻R15的比值，也可以改变电压-电流-电压变
换电路的增益。
实施过程包括附图5所属的以下步骤
歩骤501:微处理器启动，初始化各I/0口及内、外部功能模块及器件。 步骤502:蓄电池内阻随着容量的变化而变化，蓄电池端电压变化幅度与输
出电流的关系也发生了变化，为了准确测量水上助航设施的工作电流，需要在 一定的时间内作定标，修正蓄电池端电压变化幅度与输出电流的关系系数。判断定标时间到，则执行步骤503，否则执行步骤510。
步骤503:所设定的定标时间到，则需要进行定标；定标时用一个已知的恒 流源让蓄电池放电，测量蓄电池端电压变化幅度，以得到蓄电池端电压变化幅 度与输出电流的关系系数；所以需要避开水上助航设施的工作期间(即亮期间)， 判断是否在水上助航设施的暗期间，则执行步骤504，否则执行步骤510。
步骤504:水上助航设施在暗期间，则开启恒流放电电路。
步骤505:启动ADC电路，采集蓄电池端电压的变化幅度。
步骤506:采集结束后，关闭恒流放电电路。
步骤507:计算蓄电池端电压变化幅度与输出电流的关系系数。
步骤508:复位定标时间。
步骤509:退出定标任务，执行其它任务。
步骤510:上一步骤502判断定标时间没到，判断水上助航设施在亮期间， 则执行步骤511，否则执行步骤509。
步骤511:启动ADC电路，采集蓄电池端电压的变化幅度。 步骤512:再次启动ADC电路，采集蓄电池端电压。
步骤513:根据蓄电池端电压变化幅度与输出电流的关系系数，计算水上助 航设施工作电流，下一步骤执行509。
权利要求1、一种水上助航设施二线式多参数测量装置，由水上助航设施和蓄电池构成，其特征是在蓄电池上连接了测量装置，其中(1)装置由电桥取样电路、差分放大器、电压-电流-电压变换电路、增益控制电路、信号整形电路、恒流放电电路、微处理器、ADC电路、供电电路、蓄电池电压采样电路、RS232通信电路、GPRS模块、GPS模块组成；(2)电桥取样电路、差分放大器、电压-电流-电压变换电路、增益控制电路、ADC电路、蓄电池电压采样电路(206)依次顺序串联，同时ADC电路(205)、GPS模块(208)、GPRS模块(209)、RS232通信电路(210)、供电电路(211)、恒流放电电路(212)、信号整形电路(213)分别与微处理器(207)相连。
2、 按照权利要求l所述的一种水上助航设施二线式多参数测量装置，其特征是 由电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R5构成电桥结构，其中电容C1与R1并 联且一端接地另一端电源正极输入端；电容C3与电阻R4并联后一端接地另一 端通过电阻R3与电源正极输入端相连。
3、 按照权利要求l所述的一种水上助航设施二线式多参数测量装置，其特征是 由运放U1B、 U3A、 U3B、 U4B，电阻R6、 R9、 RIO、 Rll、 R12、 R15、 R16, 电容C8、C10， 二极管D3构成电压-电流-电压变换电路,其中:UlB的7脚与CIO、 D3相连；CIO、 D3的另一端与U1B的6脚、U3B的5脚、R6、 C8相连；U3B 的7脚与6脚、Rll相连；U3A的1与RIO、 R15相连；U3A的2脚与R9、 R10 的另一端相连；U3A的3脚与R11另一端、R12相连；U4B的7脚与6脚、R12 的另一端相连；U4B的5脚与R15的另一端、R16相连。
专利摘要本实用新型涉及一种水上助航设施的二线式多参数测量装置。装置由电桥取样电路、差分放大器、电压-电流-电压变换电路、增益控制电路、信号整形电路、恒流放电电路、微处理器、ADC电路、供电电路、蓄电池电压采样电路、RS232通信电路、GPRS模块、GPS模块组成；电桥取样电路、差分放大器、电压-电流-电压变换电路、增益控制电路、ADC电路、蓄电池电压采样电路依次串联，同时ADC电路、GPS模块、GPRS模块、RS232通信电路、供电电路、恒流放电电路、信号整形电路与微处理器相连。该装置无需对原有水上助航设施的连接线进行任何改动，完成对工作电流、灯质、蓄电池工作电压等参数的测量，具有安装简单、可靠性高、可适应不同工作电压、不同类型水上助航设施等优点。
文档编号G01R31/44GK201359622SQ200920136889
公开日2009年12月9日 申请日期2009年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者刘华松, 宇 卢, 吴允平, 吴并辉, 吴进营, 李汪彪, 林锦霞, 苏伟达, 蔡声镇, 陈俊毅 申请人:福建师范大学;福州闽邮吉星数码科技有限公司