可变参数式深水网箱系缆力采集仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可变参数式深水网箱系缆力采集仪，它主要由模拟量力传感器、信号调理装置、采样保持器、A/D转换器、微处理器、数据存储器、键盘和电源供应装置组成，其中，采样频率和低通滤波截止频率的数值较小，且可以用软件程序控制两者同时改变，从而使两者的比例关系在任何情况下都满足要求，避免系缆力采样数据混频失真；A/D转换器的位数多，故转换精度高。本发明解决了信号频率成分不完全确定时的系缆力不失真测量问题，在保证采样精度的前提下，科研人员可针对不同波浪情况和不同研究目标的需要灵活设置系缆力采样参数，此外，本发明采用键盘方式和无线传输两种方式输入命令，可同时满足现场采集和远程采集的需要。
【专利说明】可变参数式深水网箱系缆力采集仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量海洋浮体系泊力的仪器，具体是一种深水网箱系缆力采集 仪。
【背景技术】
[0002] 人类对食物不断增长的需求越来越依赖于海水养殖，一个HDPE C43深水网箱的产 出可以达到传统网箱的40倍，发展规模化深水网箱养殖是我国渔业发展的重要战略。然 而，深水网箱养殖存在致命的安全性问题。由于养殖地点位于开放海域，在强台风作用，网 箱上起系泊作用的系缆经常断裂，失去有效系泊功能的网箱在台风作用下将发生漂移、相 互撞击等现象，箱内养殖的鱼苗将大量死亡。例如，2011年9月底到10月初，纳沙和尼格两 大台风在湛江徐闻县连续登陆，造成徐闻县深水网箱业的重大经济损失。
[0003] 系缆力异常是引起网箱失效的直接原因，要解决深水网箱安全性问题，有必要掌 握系缆力的特点和变化规律。我国在深水网箱系缆力的研究上基本停留在实验室尺度模型 阶段，仅有个别研究机构开展了系缆力的实测研究工作。
[0004] 深水网箱系缆力是波浪和水流对网箱作用的结果，在台风天气时，波浪对系缆力 的影响较大。波浪是动态信号，其频率成分复杂。而且波浪频率不是固定值，存在各种1HZ 以下频率的波浪，这些波浪往往是非正弦波，因而存在各次谐波，波浪的高次谐波频率远大 于波浪频率，其频率较高。波浪是系缆的激励信号，则系缆力的动态特性和波浪相似，因而 系缆力也是动态信号，其频率成分复杂，主要为低频成分，也可能存在一些不能忽略的高次 谐波成分。
[0005] 动态信号的精确采集需要通过滤波将信号的频带截断，以将信号转变成有效的带 宽，防止出现混频失真的问题。此外，一个时刻点的信号值不能反映动态信号的全貌，动态 信号的测量需要一次采样多个点，以将完整的波形测量出来，两个相邻的采样点之间的时 间间隔通过设置采样频率来实现。根据测试理论，滤波的截止频率和采样频率要求以被测 信号的频率为依据，然而，鉴于在波浪频率成分上尚没有成熟的研究结论，系缆力的频率成 分不能完全确定，这使得系缆力采集中截止频率和采样频率的设置没有充分的依据。
[0006] 目前系缆力的测量方法主要采用固化截止频率和采样频率的方式，由于系缆力的 频率成分的不确定性，截止频率都采用通用的高频，例如，以1000Hz作为截止频率。这种方 式保留的信号成分较多，但遵照采样定理，要精确地测量到信号，采样频率至少需要为截止 频率的两倍，若采样频率设置得较低，则违背测试理论，测试结果可能失真，若采样频率设 置得较高，则单位时间内的采样次数过多，电能消耗过快，而深水网箱养殖点远离海岸，存 在能源供应的问题，通常采用蓄电池来供电，若采样太频繁，将造成蓄电池所蓄电能快速耗 尽。此外，在台风等恶劣天气下，因安全问题，测量人员不能出海，若采用远程传输的方式将 测量数据传输到陆地，因高频采样方式在单位时间内的采样数据大量增加，这些数据都需 要远程传输到陆地，这将增加远程传输系统的负担。在科学研究工作中，因为研究对象的未 知性，需要根据研究目的动态调整采样频率值，以较好地采集到所需要的系缆力特征，固化 截止频率和采样频率的测量方法不符合科研工作的要求。
[0007] 在其他领域有很多得到广泛应用的信号采集仪，由于测试对象的特性不同，不能 用于采集深水网箱的系缆力。例如机械工程领域的切削力测试仪，其采样频率也可以变化， 但由于其采用电网供电，本地数据采集方式，且切削力信号的频率较高，因此在硬件低通滤 波中采用固化的高截止频率，而这些不符合海洋浮体系泊力测量的要求，因而不能应用于 深水网箱系缆力测量。
【发明内容】
[0008] 为了解决信号频率成分不完全确定时的系缆力不失真测量问题，克服现有的浮体 系泊力测量装置不能根据需要动态改变采样参数的不足，本发明提供一种可变参数式深水 网箱系缆力采集仪。该采集仪可以按照采集人员具体的采集需要动态改变采样频率和低通 滤波截止频率，从而对不同频率的波浪作用下的深水网箱系缆力都能实现不失真测量。
[0009] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是： 可变参数式深水网箱系缆力采集仪，它主要由模拟量力传感器、信号调理装置、采样 保持器、A/D转换器、微处理器、数据存储器、键盘和电源供应装置组成，所述模拟量力传感 器感知到系缆力信号并输出与系缆力大小相对应的微弱电压，经过信号调理装置中的放大 器放大成较强的电压，放大器输出的较强电压经过信号调理装置中的低通滤波器滤波后变 成低频电压信号，低频电压信号经过采样保持器中采样保持电路的采样保持后变成离散信 号，离散信号经A/D转换器后变成数字信号，该数字信号即为所采集的数据，所述微处理器 将该数据存储到数据存储器中；电源供电装置包括蓄电池和电源适配器，蓄电池通过电源 适配器给整个采集仪提供电源；键盘将采样频率设置信息和采样命令传送给微处理器，微 处理器将接收到的所设置的采样频率值的1/2作为截止频率值，并保存该采样频率和截止 频率值；微处理器接收到采样命令后，则按照所保存的截止频率值产生低通滤波器的截止 频率控制信号，该控制信号用以控制信号调理装置中的低通滤波器，并按照所保存的采样 频率值产生采样开关通断控制信号，该信号控制采样保持器中的采样开关。
[0010] 还包括无线传输模块，无线传输模块通过串行接口与微处理器电连接，微处理器 接收无线传输装置接收转发的采样频率设置信息和远程采样命令，并将接收到的所设置的 采样频率值的1/2作为截止频率值，再保存该采样频率和截止频率值；微处理器接收到采 样命令后，则按照所保存的截止频率值产生低通滤波器的截止频率控制信号，该控制信号 用以控制信号调理装置中的低通滤波器，并按照所保存的采样频率值产生采样开关通断控 制信号，该信号控制采样保持器中的采样开关；所述微处理器从数据存储器中读出采集的 数据并经过无线传输模块转发给陆地采集人员。
[0011] 所述模拟量力传感器采用6?10吨的模拟量力传感器。
[0012] 所述A/D转换器采用转换位数大于14位的A/D转换器。
[0013] 所述无线传输模块的传输距离为l〇km以上。
[0014] 所述采样保持器中，采样开关的有效通断频率大于40Hz。
[0015] 所述信号调理装置中，低通滤波器的最大有效截止频率大于等于10Hz。
[0016] 所述采样频率的设置范围为20?80Hz。
[0017] 所述低通滤波器采用MAX291CPA型低通滤波器，所述采样保持器采用Philips公 司生产的LF398型采样保持器，LF398型采样保持器内集成了采样保持电路和采样开关， 放大后的系缆力电压信号输入到MAX291CPA型低通滤波器的IN引脚，经过低通滤波后从 MAX291CPA型低通滤波器的OUT引脚输出，用MAX291CPA型低通滤波器的外部时钟控制其截 止频率。
[0018] 所述A/D转换器采用ADC1143J型多路16位A/D转换器；所述微处理器采用ATMEL 公司生产的AT89S52型控制器，用外部中断引脚P3. 2接收ADC1143J型多路16位A/D转 换器转换结束的中断信号，用P1. 4输出ADC1143J型多路16位A/D转换器的启动信号；高 位地址引脚P2. 6和RD引脚的输出信号作为74LS244 (1)的启动控制信号，高位地址引脚 P2. 7和RD引脚的输出信号作为74LS244 (2)的启动控制信号，微处理器的P0接口用于接 收74LS244 (1)和74LS244 (2)的输出数据；用P3. 4引脚输出采样开关的通断控制信号； 用P3. 5引脚输出低通滤波器的时钟信号，作为低通滤波截止频率的控制信号。
[0019] 本发明的有益效果：1.在保证采样精度的前提下，动态改变采样频率和低通滤波 截止频率，从而使得科研人员可以针对不同波浪情况和不同研究目标的需要灵活采集深水 网箱系缆力数据。2.采用键盘方式和无线传输两种方式输入命令，可同时满足现场采样和 远程采样的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明： 图1是本发明可变参数式深水网箱系缆力采集仪的结构框图； 图2是本发明模拟量力传感器和信号放大器的电路原理图； 图3是本发明电源适配器的电路原理图； 图4是本发明的低通滤波器和采样保持器的电路原理图； 图5是本发明的A/D转换器的电路原理图； 图6是本发明的微处理器的电路原理图； 图7是本发明的数据存储器的电路原理图； 图8是本发明的键盘电路原理图； 图9是本发明的地址锁存器的电路原理图； 图10是本发明的并行接口 8255A控制芯片和显示器的电路原理图。
【具体实施方式】
[0021] 如图1所示，可变参数式深水网箱系缆力采集仪，它主要由模拟量力传感器、信号 调理装置、采样保持器、A/D转换器、微处理器、数据存储器、键盘、显示器、无线传输模块和 电源供应装置组成，所述模拟量力传感器感知到系缆力信号并输出与系缆力大小相对应的 微弱电压，经过信号调理装置中的放大器放大成较强的电压，放大器输出的较强电压经过 信号调理装置中的低通滤波器滤波后变成低频电压信号，低频电压信号经过采样保持器中 采样保持电路的采样保持后变成离散信号，离散信号经A/D转换器后变成数字信号，该数 字信号即为所采集的数据，所述微处理器将该数据存储到数据存储器中；电源供电装置包 括蓄电池和电源适配器，蓄电池通过电源适配器给整个采集仪提供电源；键盘将采样频率 设置信息和采样命令传送给微处理器，微处理器将接收到的所设置的采样频率值的1/2作 为截止频率值，并保存该采样频率和截止频率值；微处理器接收到采样命令后，则按照所保 存的截止频率值产生低通滤波器的截止频率控制信号，该控制信号用以控制信号调理装置 中的低通滤波器，并按照所保存的采样频率值产生采样开关通断控制信号，该信号控制采 样保持器中的采样开关。另外，将电源适配器做在一块开关电路板上，将信号调理装置和采 样保持器集成在一块信号调理板上，将A/D转换器、微处理器、数据存储器、显示器及键盘 集成在一块信号控制板上，蓄电池、模拟量力传感器和无线传输模块均为独立的外购器件。
[0022] 如图2所示，为模拟量力传感器和放大器的电原理图，所述模拟量力传感器采用 YZC516型模拟量力传感器，YZC516型模拟量力传感器的量程为10吨，它有1个电源引脚， 1个电源地引脚，1个输出信号引脚，1个信号地引脚，YZC516型模拟量力传感器的输出信号 引脚和信号地引脚通过跳线JP2分别接信号调理装置的放大器中的INA118P型芯片的IN+ 和IN-输入端，放大后的系缆力电压信号从INA118P型芯片的OUT引脚输出；跳线JP1连接 电源适配电路的输出，为YZC516型模拟量力传感器供电。
[0023] 如图3所示，电源供应装置中，蓄电池采用Panasonic公司生产的LC-P1224型24V 蓄电池，用该蓄电池的输出作为电源适配器电路中的LM2940CT-12稳压器和LM2940CT-5 稳压器的输入，LM2940CT-12稳压器输出+12V电压，LM2940CT-5稳压器输出+5V电压，用 Maxim公司生产的ICL7660A型小功率极性反转电源转换器将12V电压转换为-12V电压输 出，电源适配电路共输出+12V、-12V和+5V三种电压，通过跳线JP5,为采集仪各部分供电。
[0024] 如图4所示，低通滤波器采用MAX291CPA型低通滤波器，所述采样保持器采用 Philips公司生产的LF398型采样保持器，LF398型采样保持器内集成了采样保持电路和采 样开关，放大后的系缆力电压信号输入到MAX291CPA型低通滤波器的IN引脚，经过低通滤 波后从MAX291CPA型低通滤波器的OUT引脚输出，用MAX291CPA型低通滤波器的外部时钟 控制其截止频率，MAX291CA的时钟引脚CLK接跳线JP3的引脚1 ;从LF398型采样保持器的 引脚8输入控制信号，控制LF398型采样保持器内部采样开关的通断，该引脚接跳线JP3的 引脚3,经采样后的离散信号接跳线JP3的引脚2。
[0025] 如图5所示，跳线JP4集成在信号控制板上，其引脚和信号调理板的跳线JP3的引 脚对应。JP4的引脚1输入MAX291CPA型低通滤波器的时钟信号，引脚3输入LF398型采样 保持器的采样开关通断控制信号，引脚2输出采样后的离散信号，A/D转换器采用ADC1143J 型多路16位A/D转换器，ADC1143J型多路16位A/D转换器将跳线JP4输出的离散采样信 号作为第一路输入信号，ADC1143J型多路16位A/D转换器的高8位输出接第一片总线驱 动器74LS244 (1)，低8位输出接第二片总线驱动器74LS244 (2)，STATUS信号是该A/D转换 器的结束标识，输出到微处理器的中断引脚P3. 2,以将该信号作为中断请求信号，CC0M信 号是A/D转换的启动信号，由微处理器输入该信号。
[0026] 如图6所示，所述微处理器采用ATMEL公司生产的AT89S52型控制器，AT89S52型 控制器采用11. 059MHZ的时钟。用P3. 4引脚接跳线JP4的引脚3,输出采样开关的通断控 制信号；用P3. 5引脚接跳线JP4的引脚1，输出低通滤波器的时钟信号，作为低通滤波截止 频率的控制信号。
[0027] 用外部中断引脚P3. 2接收ADC1143J型多路16位A/D转换器转换结束的中断信 号，用P1.4输出ADC1143J型多路16位A/D转换器的启动信号。高位地址引脚P2.6和RD 引脚的输出信号作为74LS244( 1)的启动控制信号，高位地址引脚P2. 7和RD引脚的输出信 号作为74LS244 (2)的启动控制信号，微处理器的P0接口用于接收74LS244 (1)和74LS244 (2)的输出数据。微处理器的串行接口引脚RxD和TxD和无线传输模块的串行接口相连，以 和无线传输模块串行通信，微处理器接收无线传输装置接收转发的采样频率设置信息和远 程采样命令，所述微处理器从数据存储器中读出采集的数据并经过无线传输模块转发给陆 地米集人员。
[0028] 如图7所示，数据存储器采用6116型数据存储器，接收和发送6116型数据存储器 的数据，微处理器的高位地址P2. 0?P2. 2分别输出6116型数据存储器的三个高地址位。 高位地址P2. 3的输出取反后作为6116型数据存储器的片选信号。微处理器的RD引角输 出6116型数据存储器的读控信号。WR引角输出6116型数据存储器的写控信号。
[0029] 如图8所示，键盘采用3*4行列式键盘，微处理器的P1. 7?P1. 5分别接3*4行列 式键盘的第〇行?第2行。微处理器的P1. 3?P1. 0分别接键盘的第0列?第3列。微处 理器的外部中断引脚P3. 3接收有键按下的标识信号。
[0030] 如图9所示，还包括地址锁存器74LS373,其输出Q0?Q7作为6116的低8位地 址，Q0和Q1也作为8255A控制芯片的地址A0和A1。
[0031] 如图10所示，为并行接口 8255A控制芯片和显示器，所述显示器采用4个共阴极 LED显示器，用8255A控制芯片控制其显示。显示器采用动态显示的方式，8255A控制芯片的 A端口经过第三片74LS244后输出显示器的段码，8255A控制芯片的B端口的第4位ΡΒ0? PB3输出显示器的控制字。微处理器的高位地址P2. 3的输出作为8255A控制芯片的片选 信号。微处理器的RD引角输出8255A控制芯片的读控制信号。微处理器的WR引角输出 8255A的写控制信号。
[0032] 以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范 围，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等 同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1. 一种可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：它主要由模拟量力传感器、 信号调理装置、采样保持器、A/D转换器、微处理器、数据存储器、键盘和电源供应装置组成， 所述模拟量力传感器感知到系缆力信号并输出与系缆力大小相对应的微弱电压，经过信号 调理装置中的放大器放大成较强的电压，放大器输出的较强电压经过信号调理装置中的低 通滤波器滤波后变成低频电压信号，低频电压信号经过采样保持器中采样保持电路的采样 保持后变成离散信号，离散信号经A/D转换器后变成数字信号，该数字信号即为所采集的 数据，所述微处理器将该数据存储到数据存储器中；电源供电装置包括蓄电池和电源适配 器，蓄电池通过电源适配器给整个采集仪提供电源；键盘将采样频率设置信息和采样命令 传送给微处理器，微处理器将接收到的所设置的采样频率值的1/2作为截止频率值，并保 存该采样频率和截止频率值；微处理器接收到采样命令后，则按照所保存的截止频率值产 生低通滤波器的截止频率控制信号，该控制信号用以控制信号调理装置中的低通滤波器， 并按照所保存的采样频率值产生采样开关通断控制信号，该信号控制采样保持器中的采样 开关。
2. 根据权利要求1所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：还包括无 线传输模块，无线传输模块通过串行接口与微处理器电连接；所述微处理器从数据存储器 中读出采集的数据并经过无线传输模块转发给陆地采集人员。
3. 根据权利要求1或2所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：所述 模拟量力传感器采用6?10吨的模拟量力传感器。
4. 根据权利要求3所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：所述A/D 转换器采用转换位数大于14位的A/D转换器。
5. 根据权利要求3所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：所述无线 传输模块的传输距离为l〇km以上。
6. 根据权利要求3所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：所述采样 保持器中，采样开关的有效通断频率大于40Hz。
7. 根据权利要求3所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：所述信号 调理装置中，低通滤波器的最大有效截止频率大于等于10Hz。
8. 根据权利要求3所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：所述采样 频率的设置范围为20?80Hz。
9. 根据权利要求3所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：所述低通 滤波器采用MAX291CPA型低通滤波器，所述采样保持器采用Philips公司生产的LF398型 采样保持器，LF398型采样保持器内集成了采样保持电路和采样开关，放大后的系缆力电压 信号输入到MAX291CPA型低通滤波器的IN引脚，经过低通滤波后从MAX291CPA型低通滤波 器的OUT引脚输出，用MAX291CPA型低通滤波器的外部时钟控制其截止频率。
10. 根据权利要求9所述的可变参数式深水网箱系缆力采集仪，其特征在于：所述A/ D转换器采用ADC1143J型多路16位A/D转换器；所述微处理器采用ATMEL公司生产的 AT89S52型控制器，用外部中断引脚P3. 2接收ADC1143J型多路16位A/D转换器转换结束的 中断信号，用P1. 4输出ADC1143J型多路16位A/D转换器的启动信号；高位地址引脚P2. 6 和RD引脚的输出信号作为74LS244 (1)的启动控制信号，高位地址引脚P2. 7和RD引脚的 输出信号作为74LS244 (2)的启动控制信号，微处理器的P0接口用于接收74LS244 (1)和 74LS244 (2)的输出数据；用P3. 4引脚输出采样开关的通断控制信号；用P3. 5引脚输出低 通滤波器的时钟信号，作为低通滤波截止频率的控制信号。
【文档编号】G01L5/00GK104089734SQ201410335847
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】刘璨, 何真, 刘乐, 赵耀 申请人:广东海洋大学