适用于水下滑翔器的ctd传感器电路系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，包括电导率传感器、热敏电阻、压力传感器、电导率信号处理板和主控板；所述电导率传感器检测海水的电导率，生成感应信号经由电导率信号处理板传输至所述的主控板，以转换生成盐度参数；所述主控板连接热敏电阻和压力传感器，采集输入信号并转换成海水的温度参数和深度参数，传输至水下滑翔器。本实用新型的CTD传感器电路系统针对水下滑翔器搭载应用需求专门设计，系统电路功耗低且微型化，通过减少了电路系统冗余以最大程度地缩小电路板尺寸，能够很好地完成水下滑翔器实时连续测量海洋环境温度、盐度、深度数据的任务。
【专利说明】适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于海洋环境监测系统【技术领域】，具体地说，是涉及一种用于检测海水电导率、温度和深度的CTD传感器电路系统。
【背景技术】
[0002]水下滑翔器是一种新型的水面水下监测平台，能够满足当前海洋环境监测的需求。它是一种将浮标技术与水下机器人技术相结合、依靠自身净浮力驱动的新型水下滑翔器系统，具有浮标和潜标的部分功能。水下滑翔器采用内置的姿态调整机构和无外挂的驱动装置，减少了载体的外置装置，避免了对载体线型的破坏，大大改善了系统的水动力特性。水下滑翔器具有制造成本和维护费用低、可重复利用、投放回收方便、续航能力长等特点，适宜于大量布放，适用于大范围海洋环境的长期监测。水下滑翔器是海洋环境立体监测系统的补充和完善，在海洋环境的监测、调查、探测等方面具有广阔的应用前景。
[0003]CTD传感器是一种基本的海洋水文测量仪器，用于测量海洋海水的电导率(Conductivity)、温度(Temperature)和深度(Depth)三个参数。作为水下滑翔器的主要搭载仪器，CTD传感器应具有微型化、低功耗、重量轻等特点，能够快速响应，连续测量海洋的温度、深度和电导率等动力参数。
[0004]为了满足水下滑翔器的搭载需求，需要设计出完善可靠的微型化、低功耗的CTD传感器电路系统。而目前市场上还没有完善的适用于水下滑翔器搭载的CTD传感器，无法满足水下滑翔器搭载仪器的测量需求。
【发明内容】
[0005]本实用新型针对水下滑翔器的搭载应用需求设计了一种适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，满足了水下滑翔器对海洋动力参数的数据采集与测量要求。
[0006]为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现:
[0007]—种适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，包括电导率传感器、热敏电阻、压力传感器、电导率信号处理板和主控板；所述电导率传感器检测海水的电导率，生成感应信号经由电导率信号处理板传输至所述的主控板，以转换生成盐度参数；所述主控板连接热敏电阻和压力传感器，采集输入信号并转换成海水的温度参数和深度参数，传输至水下滑翔器。
[0008]进一步的，在所述主控板上设置有单片机、模数转换器和通讯接口电路；所述模数转换器连接电导率信号处理板、热敏电阻和压力传感器，接收模拟量输入信号并转换成数字信号发送至所述的单片机，经由单片机转换生成盐度参数、温度参数和深度参数，通过通讯接口电路传输至水下滑翔器。
[0009]优选的，在所述通讯接口电路中设置有RS232电平转换芯片和RS485电平转换芯片，对应连接在单片机与RS232串口之间以及单片机与RS485串口之间，所述RS232串口和RS485串口分别通过RS232串行总线和RS485串行总线连接所述的水下滑翔器。由此可以根据水下滑翔器的接口通讯要求，选择其中一种与其适配的串口通信方式，实现CTD传感器电路系统与水下滑翔器的连接通信。
[0010]为了对电导率传感器输出的感应信号进行前置处理，在所述电导率信号处理板上设置有放大器、比较器和滤波器，通过电导率传感器输出的感应信号依次通过放大器、比较器和滤波器处理后，输出至所述的模数转换器。
[0011 ] 进一步的，在所述主控板上还设置有一电源模块，接收直流输入电源并转换成不同幅值的工作电源，对应传输至CTD传感器电路系统中的不同用电负载。
[0012]为了降低系统功耗，适应水下滑翔器的工作需求，在所述电源模块中设置有一用于生成电导率信号处理板所需工作电源的第二稳压电源芯片，所述第二稳压电源芯片的输入端连接直流输入电源，使能端连接单片机，在单片机输出的使能信号的控制下分时输出工作电源至所述的电导率信号处理板。
[0013]为了获得最佳的低噪声输出性能，在所述第二稳压电源芯片中包含有一参考旁路引脚，所述参考旁路引脚通过一颗0.01 μ F的旁路电容接地。
[0014]为了提高供电的稳定性，在所述第二稳压电源芯片的输入端和输出端分别连接有并联接地的高频滤波电容和低频滤波电容，用于滤除电源的高频干扰和低频干扰。
[0015]进一步的，在所述电源模块中还设置有第一稳压电源芯片、第三稳压电源芯片和第四稳压电源芯片；所述第一稳压电源芯片接收所述的直流输入电源，并转换成3.3V工作电源分别传输至所述的单片机、模数转换器和通讯接口电路；所述第三稳压电源芯片接收所述的直流输入电源，并转换成模数转换器工作所需的2.5V参考基准电压输出至所述的模数转换器；所述第四稳压电源芯片接收所述的直流输入电源，并转换成两路5V基准供电电压输出至所述的压力传感器。
[0016]再进一步的，在所述主控板上还可以进一步设置时钟电路和存储器，分别连接所述的单片机，用于为单片机提供基准时钟和保存检测到的海洋动力参数。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是:本实用新型的CTD传感器电路系统针对水下滑翔器搭载应用需求专门设计，系统电路功耗低且微型化，通过减少了电路系统冗余以最大程度地缩小电路板尺寸，能够很好地完成水下滑翔器实时连续测量海洋环境温度、盐度、深度数据的任务。
[0018]结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型所提出的CTD传感器电路系统的一种实施例的电路原理框图；
[0020]图2是电源模块的一种实施例的电路原理框图；
[0021]图3是图2中第二稳压电源芯片的一种实施例的电路原理图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细地说明。
[0023]实施例一，本实施例的CTD传感器电路系统为满足水下滑翔器的特殊搭载要求，设置有电导率传感器、热敏电阻、压力传感器、电导率信号处理板和主控板等主要组成部分，参见图1所示。其中，所述电导率传感器连接电导率信号处理板，接收电导率信号处理板提供的激励信号，用于感测待测海域中海水的电导率，并生成感应信号(例如感应电势)回传至所述的电导率信号处理板。在所述电导率信号处理板上可以具体设置放大器、比较器和滤波器等信号处理电路，以用于对电导率传感器输出的感应电势进行前置处理。具体来讲，通过电导率传感器输出的感应电势首先通过放大器进行信号幅值的放大处理后，依次输出至比较器和滤波器进行信号波形的整形处理，进而输出稳定的模拟信号传输至所述的主控板。所述主控板根据海水的电导率即可间接地换算出海水的盐度参数。
[0024]所述主控板作为整个CTD传感器电路系统的控制核心，分别连接所述的热敏电阻和压力传感器，通过检测热敏电阻的阻值变化，可以间接地换算出海水的温度参数；通过采集压力传感器感应输出的压力信号，可以间接地换算出水下滑翔器当前所处的海水深度。主控板将换算生成的盐度参数、温度参数和深度参数上传至水下滑翔器，以满足水下滑翔器对海水动力参数的采集和测量需求。
[0025]作为本实施例的一种优选设计方案，在所述主控板上优选设置有单片机、模数转换器、通讯接口电路和电源模块，参见图1所示。其中，所述模数转换器分别连接电导率信号处理板、热敏电阻和压力传感器，采集模拟量输入信号并转换成数字信号发送至单片机，通过单片机完成各项海水动力参数的换算处理任务。所述单片机作为主控板的核心控制部件，一方面输出控制信号，控制CTD传感器电路系统中其他各功能模块协调工作；另一方面接收模数转换器输出的数字信号，并结合其内部存储的对应关系表或者对应关系换算公式，换算出待测海域海水的盐度参数、温度参数和深度参数，通过通讯接口电路上传至水下滑翔器。
[0026]在本实施例的通讯接口电路中，优选设置两种串口通讯电路，例如RS232串口电路和RS485串口电路，在实际使用过程中可以选择其中一种连接水下滑翔器，满足水下滑翔器与CTD传感器电路系统之间的数据传输要求。
[0027]具体来讲，在所述RS232串口电路中具体设置有RS232电平转换芯片和RS232串口，参见图1所示。将所述RS232电平转换芯片连接单片机，接收单片机输出的上行数据并转换成RS232协议的串行数据，通过RS232接口经由RS232串行总线上传至水下滑翔器。通过水下滑翔器输出的下行控制指令可以通过RS232接口传输至RS232电平转换芯片，进而经由RS232电平转换芯片转换成满足单片机接口接收要求的数据格式，发送至所述的单片机，以实现水下滑翔器对CTD传感器电路系统的控制。
[0028]同样的，在所述RS485串口电路中可以具体设置RS485电平转换芯片和RS485串口，参见图1所示。将所述RS485电平转换芯片连接在单片机与RS485串口之间，将所述RS485串口通过RS485串行总线连接所述的水下滑翔器，由此可以采用RS485串行通信方式，满足水下滑翔器与CTD传感器电路系统之间的双向数据传输要求。
[0029]在所述主控板上还设置有用于为CTD传感器电路系统中各个用电负载供电的电源模块，接收直流输入电源，例如12VDC，并转换成不同幅值的工作电源，对应传输至CTD传感器电路系统中的不同用电负载。
[0030]作为本实施例的一种优选设计方案，在所述电源模块中优选设置四颗稳压电源芯片，参见图2所示，分别为第一稳压电源芯片、第二稳压电源芯片、第三稳压电源芯片和第四稳压电源芯片。将四颗稳压电源芯片的输入端分别连接至所述的直流输入电源，接收12V直流供电。其中，第一稳压电源芯片将12V直流输入电源转换成3.3VDC的工作电源，为单片机、模数转换器和通讯接口电路等需要3.3V工作电源的用电负载供电；第二稳压电源芯片将12V直流输入电源转换成一路5VDC的工作电源，为电导率信号处理板供电；第三稳压电源芯片将12V直流输入电源转换成2.5VDC的工作电源，为模数转换器提供参考基准电压，以提高模数转换器的转换精度；第四稳压电源芯片将12V直流输入电源转换成两路5VDC的工作电源，输出至压力传感器，为压力传感器提供基准供电电压，以确保压力传感器输出信号的稳定。
[0031]为了达到降低系统功耗的目的，将第二稳压电源芯片U7的使能端EN连接单片机，结合图1、图3所示，具体连接单片机的其中一路IO 口 RB0，接收单片机输出的使能信号，以对第二稳压电源芯片U7的运行进行开关控制，进而通过第二稳压电源芯片U7对电导率信号处理板进行分时断续供电，以降低系统功耗，满足水下滑翔器的工作需求。
[0032]具体来讲，当单片机通过其RBO 口输出高电平的使能信号时，第二稳压电源芯片U7进入工作状态，通过其输出端VOUT输出5VDC工作电源，为电导率信号处理板供电，并采集电导率传感器输出的感应信号；当单片机通过其RBO 口输出低电平的使能信号时，第二稳压电源芯片U7进入休眠状态，关断其电源输出，使电导率信号处理板和电导率传感器停止运行，以降低系统功耗。
[0033]作为本实施例的一种优选设计方案，将所述第二稳压电源芯片U7的输入端VIN连接直流输入电源12VDC，并连接对地并联的两颗电容C25和电容CTlI。利用电容C25滤除直流输入电源中的高频干扰，利用电容CTll滤除直流输入电源中的低频干扰，以提高直流输入电源12VDC的稳定性。同样的，为了提高通过第二稳压电源芯片U7输出的5VDC工作电源的稳定性，在所述第二稳压电源芯片U7的输出端VOUT还连接有并联接地的电容CT12和电容C26，参见图3所示，分别对通过第二稳压电源芯片U7输出的5VDC工作电源进行低频滤波和高频滤波，以降低电源干扰。
[0034]此外，在所述第二稳压电源芯片U7的参考旁路引脚BYP上还连接有一颗0.01 μ F的旁路电容C27，参见图3所示。所述旁路电容C27接地，用于滤除输入信号的高频噪声，以获得最佳的低噪声输出性能。
[0035]另外，在本实施例的主控板上还可以进一步设置时钟电路和存储器，参见图1所述，分别连接主控板上的单片机。通过时钟电路可以为单片机提供其工作所需的基准时钟；通过存储器可以保存单片机换算生成的海水动力参数，供监测人员日后调用。但是，为了降低系统功耗，可以将CTD传感器电路系统配置成直读式传感器系统，省略这两部分电路，以减少系统几余。
[0036]本实施例的CTD传感器电路系统针对水下滑翔器搭载应用需求而专门设计，体积小、功耗低，可以实时连续测量海洋海水的温度、盐度、深度参数，并可根据水下滑翔器的控制指令配置系统参数，改变数据采样频率与格式，除可适用于水下滑翔器搭载外，还可以应用在AUV、ROV等水下机器人以及其它水下自航式潜水器等载体上。
[0037]当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式而已，应当指出的是，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应被视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:包括电导率传感器、热敏电阻、压力传感器、电导率信号处理板和主控板；所述电导率传感器检测海水的电导率，生成感应信号经由电导率信号处理板传输至所述的主控板，以转换生成盐度参数；所述主控板连接热敏电阻和压力传感器，采集输入信号并转换成海水的温度参数和深度参数，传输至水下滑翔器。
2.根据权利要求1所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述主控板上设置有单片机、模数转换器和通讯接口电路；所述模数转换器连接电导率信号处理板、热敏电阻和压力传感器，接收模拟量输入信号并转换成数字信号发送至所述的单片机，经由单片机转换生成盐度参数、温度参数和深度参数，通过通讯接口电路传输至水下滑翔器。
3.根据权利要求2所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述通讯接口电路中设置有RS232电平转换芯片和RS485电平转换芯片，对应连接在单片机与RS232串口之间以及单片机与RS485串口之间，所述RS232串口和RS485串口分别通过RS232串行总线和RS485串行总线连接所述的水下滑翔器。
4.根据权利要求2所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述电导率信号处理板上设置有放大器、比较器和滤波器，通过电导率传感器输出的感应信号依次通过放大器、比较器和滤波器处理后，输出至所述的模数转换器。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述主控板上还设置有一电源模块，接收直流输入电源并转换成不同幅值的工作电源，对应传输至CTD传感器电路系统中的不同用电负载。
6.根据权利要求5所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述电源模块中设置有一用于生成电导率信号处理板所需工作电源的第二稳压电源芯片，所述第二稳压电源芯片的输入端连接直流输入电源，使能端连接单片机，在单片机输出的使能信号的控制下分时输出工作电源至所述的电导率信号处理板。
7.根据权利要求6所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述第二稳压电源芯片中包含有一参考旁路引脚，所述参考旁路引脚通过一颗0.0l μ F的旁路电容接地。
8.根据权利要求6所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述第二稳压电源芯片的输入端和输出端分别连接有并联接地的高频滤波电容和低频滤波电容。
9.根据权利要求6所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述电源模块中还设置有第一稳压电源芯片、第三稳压电源芯片和第四稳压电源芯片；所述第一稳压电源芯片接收所述的直流输入电源，并转换成3.3V工作电源分别传输至所述的单片机、模数转换器和通讯接口电路；所述第三稳压电源芯片接收所述的直流输入电源，并转换成模数转换器工作所需的2.5V参考基准电压输出至所述的模数转换器；所述第四稳压电源芯片接收所述的直流输入电源，并转换成两路5V基准供电电压输出至所述的压力传感器。
10.根据权利要求5所述的适用于水下滑翔器的CTD传感器电路系统，其特征在于:在所述主控板上还设置有时钟电路和存储器，分别连接所述的单片机。
【文档编号】G01D21/02GK203479329SQ201320561080
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】吴承璇, 杜立彬, 吕斌, 贺海靖, 刘杰, 雷卓, 祁国梁, 张 浩, 王秀芬, 陈超, 李先欣 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所