潮汐自动测量设备及其实现方法
苏章良
摘要：潮汐水位测量设备也称为潮汐水位计，它是一种在特定场合用于液位测量设备的测量仪器。该设备可广泛用于防洪液位检测，水库水位检测，海口潮汐等水位检测。本文介绍了设备的设计方案，并从硬件和软件两个方面对设备的基本组成框架进行了分析，最后简要介绍了其实现方法。
关键字：潮位计；压力;测量;传感器
中文图书馆分类号：P731文档标记代码：A
1方案设计
该程序的基本原理是，压力传感器使用水压与水位之间的比例关系来计算水面深度。压力传感器的基本工作方法是使用硅油将压力从不锈钢，钛合金或镍合金膜片传递到传感元件，从而测量表压，绝对压力或压差。该程序使用单片机系统读取压力传感器的测量值，并通过内置程序或后处理方法转换并存储原始数据比率。
设备的总体程序框架主要由以下六个方面组成。 1）数字信号处理器，它读取，转换，存储和传输收集的信号。 2）传输接口，用于将存储的压力值或其他设备信息传输到PC。 3）电源系统为每个模块供电，以确保每个功能元件的可靠和稳定运行。 4）压力传感器，用于将水体的压力值转换为可读的电信号[1]。 5）精密ADC转换器，它将传感器的模拟信号转换为可由单片机读取的数字信号。 6）内存芯片，用于存储测量的信息。基本功能框架如图1所示。
电源系统为整个系统组件供电。 ADC转换器收集压力传感器的模拟量后，通过内部多路复用器实现两个差分输入，并且信号由PGA放大。内置的16位ADC通过数字滤波和数字接口转换并传输到单片机。单片机定期读取数据后，将其存储在存储芯片中。当用户需要读取数据时，通过外围RS-232接口将其连接到单片机，以读取存储在芯片中的压力数据。
潮汐测量仪设备永久放置在水体下面。由于其特殊的应用场合和使用环境，有必要确保设备长期稳定运行。同时，为了满足小型化设计的需要，所有组件的选择原则是尽可能选择小型功能设备。
2硬件设计
2. 1 MCU设计
选择STM32超低功耗：STM32Lx系列单片机，该单片机的待机模式功耗低至0. 28 uA，低功耗运行模式为1 0. ] 9 uA。主要功能和接口包括14通道ADC，2通道DAC，两个I2C接口，两个SPI接口和三个UART接口。闪存：64 K，EEPROM：4 K，RAM：32K。丰富的接口资源和超低功耗可满足设备的设计要求。其工作电压范围为1. 65 V〜3. 6 V，可以适应在单个电池供电的环境中工作。工作温度为-40℃〜+ 105℃，确保在恶劣环境下稳定运行。在此设计中，资源分配通过SPI 1接口连接到存储芯片，I2C 1接口连接到ADC放大器，UART 1接口连接到外部接口，以通过RS-与PC进行通信。 232转换芯片。
2. 2电源设计
整机设备要求无故障工作4到5年的超长时间，这对整机的电源设计和功耗提出了严格的要求。该二次电源系统使用AA型不可充电锂电池供电，电池材料为亚硫酰氯锂
（Li-SOCl 2），这种电池具有高容量自动测量设备，高电流输出特性，适用于各种苛刻的高低温环境，以及高容量，高电压要求。电池的标称电压是3. 6 V，-60℃〜+ 85℃的超宽工作温度范围，可以满足各种温度使用环境，有效期为10年，可以确保对设备进行测量。在水底很长时间没有间断。
通过DC / DC降压-升压电源芯片将整个机器调节至3. 3 V，以向其他组件和设备供电。稳压芯片采用TI生产的TPS63802芯片，体积仅为3mm×2mm。作为低功率系统，功率芯片的IQ值参数的选择尤为关键。该芯片的工作静态电流（IQ）仅11 uA，这极大地降低了功耗，并在极小的负载条件下实现了高效率。该芯片具有省电模式和PWM模式，可以在定义的阈值内切换模式，以避免在模式内进行不必要的切换，从而减少输出电压纹波。同时，在芯片的输入和输出端放置合适的高容量和低容量偏置电容器以及旁路电容器，以减少电源波动并消除高频纹波。该芯片是可调节的输出DC / DC，可以通过FB引脚配置来调节输出电压。典型的工作电路如图2所示。
单片机作为系统的核心控制终端，直接使用电池供电，避免了DC / DC电源带来的效率损失，并优化了整个系统的电源输出。当不需要读取数据时，需要将整台机器控制在最低功耗水平。单片机控制外围设备的电源关闭，并使自身进入睡眠状态。在设置的读取周期时间内，设备会立即唤醒以收集读数值并将其存储。
2. 3传感器设计
压力传感器采用86C系列型号。这种类型的传感器使用316不锈钢隔离膜来传导压力，并真空封装在316不锈钢外壳中，该外壳可以适应各种腐蚀性测量液体。为了长时间满足设备的测量精度，必须保证压力传感器的性能具有低温度漂移和自动补偿功能。根据不同的测量范围，会有不同的补偿范围。选择压力范围≥0. 1 MPa的压力传感器，并具有在-20℃至+85℃的工作范围内的自动温度补偿技术。传感器的陶瓷基板包含一个激光校正电阻，该电阻可以对传感器执行温度补偿和偏移校正。同时，基板上还有另一个激光校正电阻，可调节外部差分电路放大器并提供1％的范围互换性。温度传感器具有±0. 1％Span /年的长期稳定性和±0. 1％Span /年的长期偏移，可以确保长期的测量数据稳定性。时间。
该设备使用TI的ADS1xx系列模数转换芯片，并且封装尺寸仅为3 mm×3 mm。该芯片具有可编程的16位精密模数转换器（ADC），并集成了多种功能，以降低成本并减少小型传感器应用中的组件数量。该芯片具有一个输入多路复用器（MUX），可以实现2个搜索输入或4个单端输入；以及一个低噪声可编程增益放大器（PGA），可以放大和采样传感器增益。当采样率设置为20 SPS时，可获得16位无噪声分辨率，并提供50 Hz和60 Hz抑制。系统使用AIN0和AIN1作为连接传感器的差分输入端子，将AIN2配置为可编程电流源，并将1 mA电流输出设置为压力传感器的激励电流源。
完成上述初始化后，系统读取传感器值，在软件内部转换压力和水深比，并将其存储在系统内存中。同时，原始数据可以直接存储并保存到PC进行后处理[2]。
3个软件驱动程序
设备通过配置单片机来配置和控制每个功能模块，并且必须将单片机配置为低功耗模式。具体模式如下：当不需要处理数据时进入睡眠模式，在处理数据时以1 0. 9 uA的低功耗运行模式运行，将存储芯片配置为1 uA掉电模式，配置ADC芯片在睡眠模式下运行，仅在需要读取或写入芯片时才唤醒存储芯片。
单片机通过I2C接口与ADC芯片进行数据传输。加载软件后，首先初始化I2C总线，以确保单片机可以与ADC芯片正常通信。配置ADC芯片的多路复用器MUX以实现搜索和除法的输入功能，将可编程增益放大器的放大增益配置为128自动测量设备，并以20 SPS的采样率进行采样。
4个应用程序实现
潮汐液位计设计为圆柱状，压力传感器安装在圆柱体下方。整个机器组装完毕后，将打开电源。系统配置每个模块的功能，初始化传感器和ADC模数转换器，并读取空气中的压力值以进行差值匹配。测量时，将设备通过电缆（不锈钢绳）放入要测量的水体中，并使隔离膜与水面平行。设备通常在一个测量时间段内取出水面，通过防水的RS-232接口与PC通讯，读取设备中存储的压力值，并可以通过该时间段查看该时间段内的液位/潮位。后处理软件变化的趋势和价值。
潮汐水位计当前的主要应用方向是各种海洋工程，水路工程，防洪工程和水库测量工程。作为一种自动测量工具，它代替了原来的手动测量工作，大大提高了测量工作的效率，节省了时间和人力资源成本。
参考
[1]刘传喜，袁昭平，陈丽萍。传感器与检测技术第二版[M]。北京：机械工业出版社，201 7.
[2]吴建平。传感器原理与应用[M]。北京：机械工业出版社，201 6.
