Zaman serisi sediment tuzağı için kontrol sistemi tasarımı
Yu Haibin 1, 2, Sheng Xufeng 1, Yu Xiaofei 1
(1. Elektronik Bilgi Okulu, Hangzhou Dianzi Üniversitesi, Hangzhou 310018, Zhejiang; 2. İletişim Mühendisliği Okulu, Hangzhou Dianzi Üniversitesi, Hangzhou 310018, Zhejiang)
Çok alanlı deniz araştırmalarında deniz sedimanlarının uygulanmasını amaçlayan bir zaman serisi sediman tutucu kontrol sistemi tasarlanmıştır. Sistem, tuzağın bir yıl boyunca deniz dibinde otomatik olarak tortu toplama ve çalışma durumu bilgilerini kaydetme gereksinimine ulaşmak için MSP430 işlemcisini çekirdek olarak kullanır ve bir saat çipi, bir kademeli motor ve çeşitli sensörler ile birlikte kullanılır. Testten sonra, ekipman kararlı ve güvenilirdir ve tasarım gereksinimlerini karşılar.
Tortu tutucu; MSP430; düşük güç tüketimi; otomatik kontrol
TP273
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.11.011
Çince alıntı biçimi: Yu Haibin, Sheng Xufeng, Yu Xiaofei. Zaman serisi tortu tuzağı kontrol sistemi tasarımı Elektronik teknoloji uygulaması, 2016, 42 (11): 46-48, 55.
İngilizce alıntı biçimi: Yu Haibin, Sheng Xufeng, Yu Xiaofei. Zaman serisi sediment tuzağı kontrol sisteminin geliştirilmesi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (11): 46-48, 55.
0 Önsöz
Deniz partikül maddesi, oluşumu, değişimi ve yerleşimi sırasında biyolojik aktiviteler ve fiziksel ve kimyasal etkiler hakkında birçok bilgiyi kaydeder.Bu nedenle partikül madde akışı araştırmaları, deniz sedimentoloji araştırmaları, küresel değişim araştırmaları ve deniz ortamı tespit araştırmaları için önemlidir. önemi. En eski tortu tuzakları yalnızca tek bir zaman içinde sedimantasyon partiküllerini örnekleyebilir.Zaman çözünürlüğüne sahip örnekler elde etmek istiyorsanız, bunları birden çok kez yerleştirmeniz gerekir, bu da zaman alıcı ve yoğun emek gerektirir. Zaman serisi sediman tutucu, belirli bir derinliğe kadar suya batırılan ve önceden belirlenmiş çalışma prosedürüne göre sudaki tortulaşmış partikül maddeyi otomatik olarak toplayan bir numune alma cihazıdır.Toplanan numuneler hem doğru zamana hem de doğru miktara sahiptir. Ayrıca yüksek zaman çözünürlüğüne sahiptir, bu nedenle deniz tortu parçacıklarını toplamak için önemli bir araç haline gelmiştir. Ekipmanın bir yıla kadar su altında çalışması gerektiğinden, düşük güç tüketimi kontrolü ve ekipman yedekliliği tasarımı araştırma zorluklarıdır.
1 Sistem çalışma prensibi
Yakalayıcı kontrol sisteminin yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Ana bilgisayar, RS232 seri bağlantı noktası aracılığıyla kontrol deposu ile iletişim kurar ve çalışma süresini, yerleştirme konumunu (enlem ve boylam), yerleştirme süresini ve iş istasyonu numarasını ayarlar. Suya girdikten sonra, ekipman otomatik olarak çalışır.Toplama şişesi, huni tarafından toplanan tortul partikül maddeyi korur.Önceden belirlenmiş bir çalışma süresinden sonra, kontrol odası, toplama şişesinin değiştirilmesini tamamlamak için döner tablayı belirli bir açıda döndürmek için bir kademeli motor kullanır.Manyetik anahtar, toplama şişesinin konumunu algılar Yerinde döndürülüp döndürülmeyeceği. Yerinde dönerse, kontrol bölmesi çalışmak için sıcaklık ve eğim sensörlerini kontrol eder ve alınan algılama bilgilerini kaydeder ve ardından uyku moduna girer. Aksine, kontrol bölmesi dönmeye devam etmek için adım motorunu kontrol eder. Ekipman işten sonra kurtarıldıktan sonra, üst bilgisayar, depolanan çalışma durumu bilgisini dışa aktarmak için kontrol deposu ile tekrar iletişim kurar. Toplama şişesini değiştirme işlemi sayesinde, farklı toplama şişeleri, farklı zaman dilimlerinde toplanan tortulaşma partiküllerini depolayabilir.Bu tür zaman çözünürlüklü örnekler, okyanusun çeşitli alanlarındaki araştırmalar için çok değerlidir.
Sistem tasarım gereksinimleri aşağıdaki gibidir:
(1) Tuzak su altında birkaç günden birkaç haftaya kadar numune alabilir ve en uzun çalışma süresi bir yıldır.
(2) Ekipman kararlı bir şekilde çalışır, toplama şişesi önceden ayarlanan zamana göre otomatik olarak değiştirilir ve çalışma durumu bilgileri tamamen kaydedilir.
2 Sistem donanımı tasarımı
Ana kontrol modülü, sensör modülü, saat modülü, step motor sürücü modülü ve güç kaynağını içeren sistemin donanım tasarımı Şekil 2'de gösterilmektedir.
Bu sistemin güç tüketimi kontrolünde katı gereksinimleri olduğundan, Texas Instruments'ın 16-bit ultra-düşük-güçlü tek-çipli MSP430F149'u ana kontrol modülü işlemcisi olarak seçilmiştir. Çalışma voltajı 1.8 V ~ 3.6 V, normal çalışma modunda akım 280 A ve ayrıca beş seviyeli güç tasarrufu moduna sahiptir.RAM tutma modunda minimum güç tüketimi sadece 0.1 A'dır. Bekleme modundan çalışmaya devam etmek yalnızca 6 s'den az sürer. Ek olarak, hassas donanım çoğaltıcıları, 14 kanallı 12 bit dijitalden analoğa dönüştürücü, USART ve SPI iletişim bağlantı noktaları, PWM çıkışını destekleyen iki 16 bit zamanlayıcı ve sistemi tamamen tatmin edebilecek diğer işlevler dahil olmak üzere çok sayıda yonga üzerinde çevre birimi modülüne sahiptir. Tasarım kaynağı ve güç tüketimi gereksinimleri.
Okyanus akıntılarının veya dalgalarının etkisi altındaki tortu tuzaklarının eğimi, gerçek çökme akışının aşırı tahmin edilmesine veya belirli bir dereceye kadar eksik tahmin edilmesine yol açacaktır. Bu nedenle, enstrümanın eğim parametrelerine göre düzeltilmesi gerekir:
Formülde, F düzeltilmiş sedimantasyon akısıdır, FT gerçek sedimantasyon akısıdır, eğim açısıdır ve T örnekleme aralığıdır.
Eğim sensörü, bir duruş çözücüyü entegre eden ve dinamik bir ortamda modülün mevcut duruşunu 0.01 ° hassasiyetle doğru bir şekilde çıkarmak için dinamik Kalman filtre algoritmasıyla birlikte çalışan MPU6050 modülünü kullanır. Yüksek hassasiyetli cayro ivmeölçer MPU6050'yi kullanarak, MPU6050'nin ölçüm çıkışı işlemci üzerinden okunur ve seri bağlantı noktasından çıkar. Bu nedenle X ve Y yönlerinde gerekli eğim değeri doğrudan seri port üzerinden okunabilir. Sıcaklık sensörü, küçük boyut, düşük donanım maliyeti, güçlü parazit önleme yeteneği ve yüksek hassasiyet özelliklerine sahip DS18B20'yi kullanır.Mikroişlemci MSP430 ile iki yönlü iletişim gerçekleştirmek için yalnızca bir bağlantı noktasına ihtiyaç duyar.
Konum tespiti, bir manyetik alan sinyali tarafından kontrol edilen bir anahtarlama elemanı olan SMC manyetik anahtarı D-Y7PW tarafından tamamlanır. Şekil 3'te gösterildiği gibi, numune şişesi konumuna döndürüldüğünde (durum A), manyetik anahtar ile numune şişesi arasındaki mesafe tetikleme mesafesinden daha azdır ve manyetik anahtar MSP430'a bir elektrik sinyali gönderir. Dönüş yerinde değilse (B durumu) ve ikisi arasındaki mesafe tetikleme mesafesinden daha büyükse, MSP430 manyetik anahtarın elektrik sinyalini algılayamaz Bir süre sonra, MSP430 motoru konum bilgisi algılanana kadar dönmeye devam etmesi için kontrol eder.
Saat modülünün seçtiği şey, PHILIPS Company'nin PCF8563 çok işlevli saat / takvim çipidir, geniş voltaj ve düşük güç tüketimi özelliklerine sahiptir. I2C seri veriyolunu kullanır, maksimum iletim hızı 400 kb / s'dir ve programlanabilir bir saat çıkışı ve bir kesme çıkışı sağlar. İkincisi, MSP430'u bekleme modunda uyandırmak için kullanılır.
Motor, bir redüksiyon kademeli motor dişli aktarım yöntemiyle çalıştırılır ve sürücü modeli SD366'dır. SD366 üç fazlı hibrit kademeli sürücü, çalışmak için servo prensibini benimser, giriş voltajı 18 V ~ 60 V DC, maksimum sürücü fazı akımı 6,0 A, darbe "+" yönü ve çift darbe sinyali, kararlı ve güvenilir performansa sahip kademeli motoru kontrol etmek için kullanılır , Düşük ısı üretimi ve diğer avantajlar.
Kapanın gücü kabindeki lityum manganez pil takımı ile sağlanır ve tek hücre voltajı 3.0 V'tur. Sualtı çalışması sürecinde, güç kaynağı makinesi, 21 V güç kaynağı elde etmek için seri bağlı 7 pil ile çalıştırılır. Mikroişlemcinin ve her sensörün ihtiyaç duyduğu 3,3 V güç kaynağı, voltaj azaltıldıktan sonra pil takımı tarafından sağlanabilir.
3 Sistem yazılım tasarımı
Bu sistemin yazılım tasarımı üç bölümden oluşmaktadır: ana kontrol programı, motor sürücüsü ve sensör veri toplama. Yazılım akış şeması Şekil 4'teki gibi gösterilmektedir.
3.1 Ana kontrol programı
(1) Sistem başlatma
Watchdog zamanlayıcısını ve sistem saatini, G / Ç bağlantı noktasını, ADC'yi, kesintiyi, saat yongasını başlatma ve seri bağlantı noktasını kapatma dahil.
(2) Çalışma modunu ayarlayın
MSP430 seri bağlantı noktası kesmesini aldıktan sonra, ana bilgisayar tarafından gönderilen veri paketinin içeriğini çıkarır ve geçerli saati I2C veri yolu üzerinden PCF8563 bellek adresi 02H ~ 08H saat sayacına yazar. Görev döngüsünü 0FH hafıza adresindeki sayaca ve 0EH'deki kontrol yazmacına yazın. 8 bitlik sayaç, zamanlayıcının geri sayım değerini saklar.Kontrol kaydı, zamanlayıcı saat kaynağını ayarlamak için kullanılır (4096 Hz, 64 Hz, 1 Hz veya 1/60 Hz).
(3) Düşük güç tüketimi modu
Çalışma modu ayarı tamamlandıktan sonra, işlemcinin, saat yongası veya seri bağlantı noktası uyanmak için bir kesme gönderene kadar düşük güç tüketimi moduna girmesi gerekir. MSP430, 5 düşük güç tüketim moduna sahiptir, LPM0 ~ LPM4. Seri bağlantı noktası saatinin ACLK saatini kullanması gerektiğinden, yalnızca ACLK saatinin çalıştığı LPM3 modu seçilir.
3.2 Motor sürücüsü
SD366 sürücüsünün darbe zamanlama diyagramı Şekil 5'te gösterildiği gibi gösterilmiştir. T1 değeri 5 s'den büyük olmalıdır; bu, yön sinyalinin önce darbe sinyali ile oluşturulması ve darbe sinyalinden sonra kaybolması gerektiği anlamına gelir; T2, 2 s'den büyük olması gereken etkin seviye genişliği anlamına gelir; T3, 2 s'den büyük olması gereken geçersiz seviye genişliği anlamına gelir; Motor dönmeden önce, serbest durumdan kilitli şaft durumuna girmek için gereken süre 20 s'den fazladır. Bu zamanlama diyagramına göre, MSP430 önce I / O portu üzerinden düşük seviyeli bir etkinleştirme sinyali gönderir, T4 gecikmesinden sonra bir yön sinyali gönderir ve ardından PWM dalgasının darbe sayısı ile motorun dönüş açısını kontrol eder ve her 1200 darbede 1.8 ° döner .
3.3 Sensör veri toplama
Sıcaklık sensörü veri toplama, DS18B20 başlatma, sıfırlama ve sıcaklık dönüşümünü içerir. Eğim sensörü verileri doğrudan seri port 2'den elde edilebilir. MSP430, sıcaklık, eğim ve konum algılama verilerini paketler ve SPI veri yolu aracılığıyla Flash'ta depolar.
4 Sistem hata ayıklama
Bir hafta boyunca laboratuvar ortamında test edin, güç kaynağı voltajı 27 V ve numune şişesi sayısı 7 olarak ayarlandı. Deney sonrası motor her gün öğlen 12'de zamanında dönmekte, dönüş açısı 18 ° olup, örnekleme verileri tam olarak kaydedilmektedir. Uyku modunda tüm sistemin ölçülen akımı 0,87 mA ve motor dönerken akım yaklaşık 429,5 mA'dır. Bir yıl çalışıyorsa uyku modu süresi yaklaşık bir yıl, güç tüketimi 7,62 Ah, motor dönüş süresi 4 dk, güç tüketimi 0,03 Ah ve toplam güç tüketimi 7,65 Ah'dir. Akü paketinin kapasitesi, sistemin düşük güç tüketimi gereksinimlerini karşılayan 10,5 Ah'dir.
Bu metin, yazılım ve donanımın düşük güç tüketimi ve hata işleme tasarımı ile yakalama cihazının kontrol sisteminin düşük güç tüketimi ve güvenilirliği gerekliliğini gerçekleştirmiştir. Sistem ayrıca, sistemin genişletilmesini ve yükseltilmesini kolaylaştırmak için tasarımdaki bazı sensör arayüzlerini de korur.
Referanslar
WAKEHAM S G. Deniz organik kimyasında gelecek on yıl için örnekleme ve deneysel zorluklar - bir prospektüs.Marine Chemistry, 1992,39 (s1-3): 239-242.
Zhu Guangwen. Deniz ortamı gözlemi için numune alma teknolojisi Meteorolojik, Hidrolojik ve Deniz Araçları, 1996 (1): 1-4.
Zhang Yi, Sun Siping, Zilmai, vd., Deniz tabanı otomatik izleme sisteminin merkezi kontrol ünitesinin tasarımı ve deneyi. Journal of Ocean Technology, 2007, 26 (4): 1-3.
BONNIN J, RAAPHORST WV, BRUMMER GJ, ve diğerleri.Faeroe-Shetland Kanalında partikül maddenin yoğun orta eğimli yeniden süspansiyonu: tabana yakın tortu tuzaklarının kısa vadeli yayılması Derin Deniz Araştırması Bölüm I Oşinografik Araştırma Raporları, 2002, 49 (8): 1485-1505.
Jiang Xingjie, Yang Fenghui. Yazılım güvenilirliği analizi ve tasarımı Modern Elektronik Teknolojisi, 2011, 34 (7): 135-137.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
