專利名稱：船用數(shù)據(jù)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種船用數(shù)據(jù)儀，屬于海洋海水溫度、鹽度監(jiān)測記錄技術(shù)領(lǐng)域。
本實(shí)用新型的船用數(shù)據(jù)儀由CPU、存儲器、溫度傳感器及其與CPU相連的A/D轉(zhuǎn)換器電路、鹽度傳感器及其與CPU相連的串行接口電路、GPS及其與CPU相連的串行接口電路、鍵盤、打印機(jī)、液晶顯示器、及其鍵盤、打印機(jī)、液晶顯示器與CPU相連的并行接口電路、轉(zhuǎn)發(fā)器及電源模塊組成，利用溫度傳感器和鹽度傳感器采集測量船所在海域的溫度、鹽度數(shù)據(jù)，利用GPS采集測量船所在海域的地理位置、并記錄時(shí)間數(shù)據(jù)，利用鍵盤將船上的其他數(shù)據(jù)(如魚獲量)錄入數(shù)據(jù)儀，CPU在主控程序的支持下控制數(shù)據(jù)儀工作，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、顯示、打印，并由轉(zhuǎn)發(fā)器傳送給數(shù)據(jù)中心。
本實(shí)用新型船用數(shù)據(jù)儀能夠采集各海域，特別是遠(yuǎn)洋海域的溫度、鹽度、魚獲量、地理位置、時(shí)間的多參數(shù)，并能直接轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集中心。本實(shí)用新型船用數(shù)據(jù)儀體積小、自動(dòng)化程度高。
CPU1選用INTEL公司16位單片機(jī)80C196，使用的晶振頻率為8MHZ，地址和數(shù)據(jù)總線均為16位總線。
存儲器2片外RAM使用的是帶內(nèi)置電池的62256(32K*8)SRAM，也可選用2片62256擴(kuò)展出16位總線，一片為偶地址(低地址)，另一片為奇地址(高地址)，兩片RAM通過80C196的WEH\和WEL\來區(qū)分，RAM地址總線的最低位接80C196鎖存后的地址總線的倒數(shù)第二位。RAM空間的分配在軟件部分實(shí)現(xiàn)。芯片內(nèi)部有內(nèi)置鋰電池，在數(shù)據(jù)儀掉電的情況下能夠保證10年數(shù)據(jù)不丟失。
存儲器2片外EPROM使用的是27C256(32K*8)EPROM，連線方法基本與RAM的連接方法相同，所不同的是，不用通過WEH\和WEL\來區(qū)分。調(diào)試好的程序通過編程器寫入EPROM，芯片中的內(nèi)容可以通過紫外線擦除。
液晶顯示器13選用的是12864的液晶模塊，使用的控制器是6963C，其背光是LED背光，液晶模塊使用并行接口電路14。
在溫度測量中，溫度傳感器3直接選用市售的溫度傳感器，通過A/D轉(zhuǎn)換器4，采集海水溫度。A/D轉(zhuǎn)換器4選用AD7713(24位的A/D轉(zhuǎn)換芯片)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，精度可保持在0.1℃。AD7713采用的是串行通訊方式，精度高，可以同時(shí)處理兩路的模數(shù)轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部自帶恒流源，可以自己提供參考電壓，在外部接上精密電阻后，可將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號進(jìn)行測量。
鹽度傳感器5是通過電導(dǎo)率來進(jìn)行鹽度測量的，傳感器內(nèi)部有測量單元和A/D轉(zhuǎn)換單元，將測量結(jié)果通過485串行接口進(jìn)行串行傳輸，傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?600bps，數(shù)據(jù)儀電路板中負(fù)責(zé)485電平轉(zhuǎn)換的芯片是MAX1480，內(nèi)部有電氣隔離，可以防止干擾信號的串入。數(shù)據(jù)儀通過串口與鹽度傳感器通訊。
GPS7有兩種連接方式，一種是內(nèi)置，另一種是外置，外置GPS是指利用數(shù)據(jù)采集船本身配有的GPS。外置GPS主要選用具有NMEA 183數(shù)據(jù)格式輸出的型號(這種數(shù)據(jù)格式中有$GPRMC數(shù)據(jù)行)。但由于船上GPS型號不統(tǒng)一，本實(shí)用新型的船用數(shù)據(jù)儀采用內(nèi)置GPS，內(nèi)置GPS為GPS25LP OEM板，其輸出格式可以通過軟件進(jìn)行設(shè)置，使用非常方便。內(nèi)外GPS通過切換接口實(shí)現(xiàn)。2種GPS的通訊方式均是RS232串口通訊，波特率為4800bps。硬件上是通過8251H串口與80C196通訊。上述所有芯片也可使用其他型號功能相同的芯片代換。
轉(zhuǎn)發(fā)器是將船用數(shù)據(jù)儀采集數(shù)據(jù)處理后將處理結(jié)果傳送給母船或陸地?cái)?shù)據(jù)中心的裝置，本實(shí)用新型的船用數(shù)據(jù)儀中的轉(zhuǎn)發(fā)器是利用船上的短波電臺實(shí)現(xiàn)的，CPU1處理的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器9傳送給短波電臺向母船或陸上基地轉(zhuǎn)發(fā)；除此之外，還可借助海事衛(wèi)星通訊。為此，本實(shí)用新型的船用數(shù)據(jù)儀中串行接口電路10帶切換電路，實(shí)現(xiàn)短波電臺通訊與海事衛(wèi)星通訊的切換。在短波電臺受到干擾，無法正常進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的情況下，為采集船提供海事衛(wèi)星通訊的手段。轉(zhuǎn)發(fā)器的調(diào)制解調(diào)器9及海事衛(wèi)星通訊與CPU1相連的串行接口電路10連接方法與GPS類似，通過74HC244來選擇短波電臺通訊還是海事衛(wèi)星通訊，通訊的波特率可以通過數(shù)據(jù)儀的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)來選擇。
打印機(jī)12選用TP16微型打印機(jī)，使用的接口為并行接口電路14。
本實(shí)用新型的船用數(shù)據(jù)儀電源模塊15可采用直流24V或交流220V供電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)儀內(nèi)部用5V繼電器進(jìn)行24V和220V電源自動(dòng)切換，當(dāng)24V和220V同時(shí)通電時(shí)，繼電器會(huì)將電路接通到220V供電。220V一5V的AC/DC模塊能夠處理直流220V-5V的電壓轉(zhuǎn)換。為了防止電源模塊對電路板和其他設(shè)備的干擾，在電源模塊的外部封閉一個(gè)屏蔽層。
輸入鍵盤11使用4*5的小鍵盤。
譯碼電路譯碼電路采用GAL16V8可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，使用PLD編程，在通過燒寫器寫入GAL，完成譯碼功能。
復(fù)位電路復(fù)位電路采用MAX196復(fù)位芯片，主要實(shí)現(xiàn)芯片的可靠復(fù)位、RAM掉電保護(hù)、數(shù)據(jù)儀手動(dòng)復(fù)位和看門狗監(jiān)視電路。196通過監(jiān)視電源電壓，保護(hù)RAM不會(huì)寫入無效數(shù)據(jù)，通過看門狗電路來監(jiān)視程序的運(yùn)行情況，防止程序跑飛。
本實(shí)用新型的船用數(shù)據(jù)儀在軟件的支持下完成數(shù)據(jù)采集海域的溫度、鹽度、地理位置、時(shí)間等參數(shù)，工作時(shí)利用溫度傳感器3和鹽度傳感器5采集測量船所在海域的溫度、鹽度數(shù)據(jù)，利用GPS7采集測量船所在海域的地理位置、并記錄時(shí)間數(shù)據(jù)，利用輸入鍵盤11將船上的其他數(shù)據(jù)(如魚獲量)錄入數(shù)據(jù)儀，CPU1在主控程序的支持下控制數(shù)據(jù)儀工作，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，存入存儲器2，打印機(jī)12和液晶顯示器13打印、顯示結(jié)果，并經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)器的調(diào)制解調(diào)器9傳送給母船或陸地?cái)?shù)據(jù)中心。
圖4給出了船用數(shù)據(jù)儀主程序流程圖。
本實(shí)用新型船用數(shù)據(jù)儀軟件包括芯片初始化部分、液晶模塊顯示部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)存儲部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和鍵盤處理部分。軟件功能如下1.顯示溫度、鹽度、時(shí)間、位置、日期等信息。
2.精確的測量海水的溫度、鹽度。
3.每天采集48個(gè)位置信息(每半小時(shí)采集一次，000、030…)4.每天采集4次溫度、鹽度數(shù)據(jù)(北京時(shí)間200、800、1400、2000)。
5.溫度精確到0.2℃，鹽度精確到0.5。
6.可以存儲8天數(shù)據(jù)。
7.每天可以輸入7條魚獲量信息。
8.可以通過短波電臺或海事衛(wèi)星與母船通訊。
9.打印一天的數(shù)據(jù)。軟件結(jié)構(gòu)第一，初始化部分主要是設(shè)置芯片的工作方式和工作參數(shù)，確保芯片穩(wěn)定正常工作。
第二，液晶顯示部分，主要是將采集到的溫鹽數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)通過液晶顯示出來，顯示的內(nèi)容有溫度、鹽度、時(shí)間、日期、經(jīng)度和緯度。其次，液晶還提供給用戶一個(gè)菜單操作界面，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場要求設(shè)置數(shù)據(jù)儀的工作狀態(tài)和錄入魚獲量信息。
第三，數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)采集部分主要包括溫度采集、鹽度采集和GPS數(shù)據(jù)采集。鹽度采集是通過485串行通訊方式與鹽度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，讀取溫度值和鹽度值，串行通訊的波特率為9600bps。溫度采集是通過A/D芯片AD7713將溫度傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在通過軟件算法轉(zhuǎn)換為溫度值，其通訊方式也為串行通訊。GPS數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)儀按照232串行通訊方式接收GPS發(fā)送的ASCII數(shù)據(jù)，通訊波特率為4800bps。
第四，數(shù)據(jù)存儲部分，數(shù)據(jù)存儲是將數(shù)據(jù)儀采集到的溫度數(shù)據(jù)、鹽度數(shù)據(jù)位置信息和魚獲量按日期的順序存入外置RAM單元，一共可以存儲8天數(shù)據(jù)每天數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行刷新，信息采集船可以通過短波通訊和海事衛(wèi)星通訊方式將這8天數(shù)據(jù)發(fā)送給信息轉(zhuǎn)發(fā)船。為了保證存儲的信息安全可靠，每天的數(shù)據(jù)都分別存在RAM中的3個(gè)不同的區(qū)域，軟件中經(jīng)常進(jìn)行冗余校驗(yàn)，以防止數(shù)據(jù)區(qū)被干擾。
第五，數(shù)據(jù)發(fā)送部分，通過標(biāo)準(zhǔn)的232串口進(jìn)行串行通訊，軟件主要是控制數(shù)據(jù)儀和短波MODEM的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是母船先發(fā)送呼叫信息，被呼叫的子船收到后，發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)，握手信號完成后，母船再發(fā)送數(shù)據(jù)請求包，子船按照呼叫包的要求發(fā)送數(shù)據(jù)包。
第六，鍵盤處理部分，主要是要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、魚獲量輸入。魚獲量輸入允許用戶每天輸入7天的魚獲量數(shù)據(jù)，以備日后查詢使用。
為確保本實(shí)用新型的船用數(shù)據(jù)儀的可靠性對硬件和軟件都采取了抗干擾措施。
硬件抗干擾措施本實(shí)用新型的船用數(shù)據(jù)儀具有更好的抗干擾性和更標(biāo)準(zhǔn)的外觀結(jié)構(gòu)，解決了電磁屏蔽和電源切換問題。電磁屏蔽主要是為了防止數(shù)據(jù)儀中的高壓單元和高頻部分影響自身和船上其它用電設(shè)備的正常工作。其措施是在電源模塊15外部加一個(gè)屏蔽罩，減小電源部分對主板的干擾；在整個(gè)的數(shù)據(jù)儀外部也加一個(gè)屏蔽罩，減小數(shù)據(jù)儀對外部用電器的電磁干擾(主要是短波電臺)。電源切換是為了保證數(shù)據(jù)儀在船上沒有交流220V電源供電而只有直流24V電源供電的情況下正常工作而設(shè)計(jì)的?？梢栽鰪?qiáng)數(shù)據(jù)儀的適應(yīng)能力。除此之外為了防止潮濕環(huán)境對數(shù)據(jù)儀的影響，數(shù)據(jù)儀的外殼均用鋼制材料，電路板進(jìn)行三防處理。
軟件抗干擾措施由于船上工作環(huán)境干擾嚴(yán)重，有線和無線的電磁噪聲很容易干擾數(shù)據(jù)儀的正常工作和數(shù)據(jù)存儲。首先，由于船上的電源插座大部分使用的是同一條線路，其它用電設(shè)備在工作時(shí)可能會(huì)將噪聲通過地線串入數(shù)據(jù)儀中，影響數(shù)據(jù)儀的正常工作。其次，船上有許多大功率設(shè)備，例如短波電臺，這樣干擾可能會(huì)通過空間直接影響數(shù)據(jù)儀。干擾所帶來的后果，第一，影響CPU內(nèi)部寄存器單元，影響標(biāo)志位或標(biāo)志寄存器，使程序由于錯(cuò)誤判斷而失控。第二，影響關(guān)鍵芯片的控制字和狀態(tài)，使芯片不能正常工作。第三，干擾程序指令的讀取，使程序失控。第四，在通訊時(shí)加入噪聲，使通訊不能正常進(jìn)行。第五，干擾片外RAM數(shù)據(jù)區(qū)中的內(nèi)容。現(xiàn)場主要表現(xiàn)為短波電臺在通話時(shí)影響數(shù)據(jù)儀液晶屏幕的正常顯示和數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間斷性的發(fā)送，多次接收的數(shù)據(jù)不相同?；谝陨系母蓴_問題，在軟件中主要做了以下幾項(xiàng)抗干擾措施1.在程序中多處加入冗余指令，防止程序跑飛。
2.多次對芯片進(jìn)行初始化設(shè)置，防止關(guān)鍵芯片非正常工作。
3.將要存儲的數(shù)據(jù)保存在片外RAM中三個(gè)不同的單元，在程序中多次比較三塊數(shù)據(jù)區(qū)中的內(nèi)容，對錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。
4.加入看門狗電路，在程序中時(shí)時(shí)對其進(jìn)行監(jiān)視，防止程序跑飛。
5.在片外ROM未使用的空間中寫入陷阱程序，防止程序跑飛。
通過結(jié)合硬件中的防干擾措施，數(shù)據(jù)儀的抗干擾性將會(huì)大大提高。
權(quán)利要求1.一種船用數(shù)據(jù)儀，其特征是由CPU(1)、存儲器(2)、溫度傳感器(3)及其與CPU(1)相連的A/D轉(zhuǎn)換器(4)、鹽度傳感器(5)及其與CPU(1)相連的串行接口電路(6)、GPS(7)及其與CPU(1)相連的串行接口電路(8)、轉(zhuǎn)發(fā)器的調(diào)制解調(diào)器(9)及其與CPU(1)相連的串行接口電路(10)、鍵盤(11)、打印機(jī)(12)、液晶顯示器(13)、及與CPU(1)相連的并行接口電路(14)、和電源模塊(15)組成，CPU(1)、A/D轉(zhuǎn)換器(4)、串行接口電路(6)、串行接口電路(8)、串行接口電路(10)、并行接口電路(14)、及電源模塊(15)組裝在儀器箱(16)內(nèi)的電路板(17)上，鍵盤(11)、打印機(jī)(12)、液晶顯示器(13)安裝在儀器箱(16)殼體面板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用數(shù)據(jù)儀，其特征是所述的串行接口電路(8)帶內(nèi)置GPS和外置GPS的切換電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用數(shù)據(jù)儀，其特征是所述的串行接口電路(10)帶短波電臺或海事衛(wèi)星通訊的切換電路。
專利摘要一種用于監(jiān)測記錄海洋海水溫度、鹽度、監(jiān)測海域位置、監(jiān)測時(shí)間的船用數(shù)據(jù)儀，由CPU、存儲器、溫度傳感器及其與CPU相連的A/D轉(zhuǎn)換器電路、鹽度傳感器及其與CPU相連的串行接口電路、GPS及其與CPU相連的串行接口電路、鍵盤、打印機(jī)、液晶顯示器、及其與CPU相連的并行接口電路、轉(zhuǎn)發(fā)器及電源模塊組成，利用溫度傳感器和鹽度傳感器采集測量船所在海域的溫度、鹽度數(shù)據(jù)，利用GPS采集測量船所在海域的地理位置、并記錄時(shí)間數(shù)據(jù)，利用輸入鍵盤將船上的其他數(shù)據(jù)(如魚獲量)錄入數(shù)據(jù)儀，CPU在主控程序的支持下控制數(shù)據(jù)儀工作，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、顯示、打印，并由轉(zhuǎn)發(fā)器傳送給數(shù)據(jù)中心。
文檔編號G01D21/02GK2536996SQ0223307
公開日2003年2月19日 申請日期2002年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月23日
發(fā)明者吳小波, 陸公良 申請人:北京二十一世紀(jì)科技發(fā)展有限公司