基于AD7791的海水温度和深度测量系统的设计

摘   要： 针对海洋环境恶劣、测量仪器投放和回收困难等问题，描述了一个大容量、高精度和低功耗的测量温度和深度的设计方案及其工作原理。该系统以AVR单片机ATmega64为控制芯片，运用比值法计算得到温度及其压力的AD值，再经过一系列计算得到所需的温度和深度。
关键词： 温度； 深度； 大容量； 高精度； 低功耗

    在开发利用海洋的过程中，温度和深度扮演着非常重要的角色，这使它成为海洋观测中的重点观测对象。因长期地球变化或其他地理因素变化引起海洋温度和深度的变化，这关系到近海资源的开发和利用[1]。因此,本文设计了一种大容量、高精度和低功耗的测量温度和深度的系统以满足对其测量的需求。该系统可以采集不同区域、不同深度水域环境要素的温度、压力，然后通过对压力进行分析和一系列计算得到海洋深度。
1 系统总体设计
    本系统采用Atmel公司的ATmega64单片机作为控制芯片，主要分为A/D数据采集部分、时钟定时控制部分以及数据存储部分。系统总体结构图如图1所示。ATmega64是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega64的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

    本系统由CR123A 3 V锂电池供电,晶振为3.686 4 MHz，使系统功耗非常低；采用24位精度高、功耗低的AD7791模/数转换器，将采集到的温度和压力模拟量转化为数字量；采用带有I2C总线接口的、具有极低功耗的PCF8583作为时钟控制芯片,将采样时间、采样间隔、采样频率等写入PCF8583来控制单片机工作或休眠，大大降低了功耗；由于测量采集时间长久且采集数据量大，所以采用具有非易失性和读写速度快的大容量NAND存储器[2]。
2 系统电路分析
    AD7791是美国ADI公司推出的一种高分辨率24位模/数转换器件,精度高、功耗低，其灵活的串行接口使AD7791可以很方便地与微处理器或移位寄存器相连接。由于AD7791采用了和-差(∑-Δ)转换技术,使它不受噪声环境的影响,适用于宽动态范围、低频信号的测量。所以温度采集电路和压力采集电路的A/D都选用AD7791。温度采集电路和压力采集电路都采用比值法的思想，避免了因电源电压不稳引起的漂移，大大提高了温度和压力的测量精度。
2.1 温度采集电路
    温度采集电路如图2所示。U1在温度采集电路中起到了电压跟随器的作用，Rt采用NTC热敏电阻，电阻R1和Rt及U1和AD7791由相等电压供电。由图2可知，Vo=VCC×Rt/(R1+Rt),AD7791输入电压AIN=Vo,参考电压VREF=VCC。

    输出码值为：Code=2N×Rt(AIN/VREF),采用电阻比值法计算出的温度AD值Code=2N×Rt/(R1/Rt),与电路供电电压无关，从而消除了由于电源电压不稳引起的漂移，提高了测温电路的精确度。如果把模拟地和数字地大面积直接相连，会导致互相干扰。R2为0 赘电阻,相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制，提高电路的稳定性[3]。
    测温电路通过固定电阻R1和热敏电阻Rt分压，得到热敏电阻的电压值;再经过电压跟随器，将AD采集到的热敏电阻的电压送给单片机进行数据分析。
2.2 压力采集电路
    压力传感器选用keller压力传感器，它是一种压阻式OEM压力传感器。当压力传感器上有压力产生时，电阻会发生形变，相对的两个电阻阻值变大，另外相对的两个电阻阻值变小，压力传感器两端电压不变。
    只有电桥中间产生压差，即引起电桥输出电压的变化，产生的电压变化作为输出来反映压力的大小。由于电桥输出的变化电压非常小，所以将压力变化值经过运算放大器U6进行放大，送入AD7791，再将得到的AD值送入单片机，压力采集电路如图3所示。

    R8和U5构成恒流源，流过R8的电流I=VCC/R8。由于流过电桥两支路的电流相等,则V32=V3-V2=0.5I×(R9-R10)。U6起差分放大的作用，其输出电压Vout=V32×G，G为放大增益。信号放大后送入AD7791进行模/数转换。输出码值为：Code=2N×(AIN/VREF),参考电压VREF=VCC，AD7791输入电压AIN=Vout。
    由计算得到Code=2N-1×(R9-R10)×G/R8，即通过比值法最后得到的AD值与电压的大小无关，从而消除了电压变化引起的温漂，提高了系统的稳定性和压力采集数据的精度。
2.3 时钟控制电路
    PCF8583是一个时钟控制芯片，带有256 B的静态RAM，使用I2C总线接口传输地址和数据。PCF8583带有内部32.768 kHz晶振，并且前8 B用于时钟、日历和计数功能；其后的8 B可作为闹钟寄存器；剩余的240 B是自由RAM区，可用来存放数据及其他标志位或采样间隔等常数。
    Y1为PCF8583提供稳定的32.768 kHz晶振，电路如图4所示。单片机通过I2C总线给PCF8583设定采样时间、采样间隔等采样参数。当 PCF8583 定时器计数溢出时，产生定时器溢出中断来控制单片机在采样、待机和休眠3种状态间转换，降低了功耗。

2.4 数据存储
    由于该系统用于测量海洋等恶劣环境，受客观因素影响，其投放和回收都很困难，并且要想观测的温度和深度信息准确必须采集长期大量的数据，因而必须要有大的数据存储容量来满足测量需要。鉴于此，本系统采用三星公司的 K9F1G08,它是128 M×8 bit NAND Flash。K9F1G08由1 046个块组成， 每一个块包含64个页， 而一页是2 KB+64 B=2 048 B+64 B=2 112 B。K9F1G08以页为基本单元进行存储 ,以块为基本单元进行擦除,具有很快的写入和擦除速度,是一种比硬盘驱动器更好的存储设备。
    单片机先将采集的数据放到自身RAM中，等数据达到一页时再存入K9F1G08，从而提高了时间利用率，降低了系统功耗。
3 系统软件设计
    系统软件主要完成了数据采样、数据存储、外部中断和定时中断控制等功能，主程序由中断控制工作在采样、休眠和待机3种状态，大大降低了系统功耗。程序流程图如图5所示。
    

    2012年10月将此测量系统投放到青岛中苑码头进行标定，该测量系统被投放到码头水平面下8 m左右的地方进行采样。投放24 h后将测量系统取出与计算机连接，通过相应的后台软件将采集到的A/D数据从大容量存储器NAND读出，通过上述计算方法将温度、压力、深度算出并绘制成图。温度如图6所示，压力如图7所示，深度如图8所示。

    通过对采集数据进行分析，可得温度精度达到±0.002℃(ITS－90标准),深度传感器精度为满量程的0.05％，满足了高精度、低功耗的测量要求。
    本文介绍了温度和深度的测量方法和工作原理，整个测量系统性能可靠，存储量大，功耗低，精确度高，因此在海洋温深测量方面具有非常广阔的应用前景。
参考文献
[1] 毕永良，孙毅，黄漠涛，等.海洋测量技术研究进展与展望[J].海洋测绘，2004，24(3):65-7.
[2] 王盛安,龙小敏,陈俊昌,等.大容量快闪存储器在压力式波潮仪中的应用[J].仪表技术与传感器, 2000(10):31-
32.
[3] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京：高等教育出版社,1999.
[4] FOFONOFF N, MILLARD R. Algorithms for computation of  fundamental properties of seawater[J].UNESCO Technical Papers in Marine Science,1983(44):1-53.