激光驗潮儀的研制及數據算法

楊習成，邊志剛，肖鴻飛

（天津海事測繪中心，天津 300222）

激光驗潮儀的研制及數據算法

楊習成，邊志剛，肖鴻飛

（天津海事測繪中心，天津 300222）

基于單片機技術，通過解釋、分析液位傳感器的工作原理和激光傳感器的測距原理，通過自主設計的激光傳感器和相關設計軟件，實現對所采集數據的精確計算，提出合理的硬件設計結構和軟件編寫，研制一種新型的驗潮儀。

激光測距傳感器；數字濾波技術；海水潮位

引 言

目前，潮位數據的采集主要是依托分布在沿海各主要港口和島礁上的驗潮站所配置驗潮儀實現的，將采集數據定時按要求通過通訊網絡回傳到后方監控中心的數據存儲服務器，登錄水文管理軟件即可對接收到的數據實施整合、管理、開發和利用。尋找一種新型的傳感器配合研發的采集設備組成的驗潮儀，對采集的數據定義新的算法，從而得到精確潮位。設計的傳感器便于收放，潮位數據采集穩定、精確度高，是該驗潮儀研發的主要特點。

1 常規液位傳感器

當下被廣為使用的的液位傳感器主要有壓力式、浮子式、超聲波式和雷達式。

1.1 壓力傳感器

其原理是將傳感器置于液體中，通過傳感器測得液體漲落變化所產生的壓力變化得到液位的數值變化，此種傳感器安裝較簡單，缺點是傳感器的金屬壓力感應片會因長時間使用產生“疲勞”造成采集精度下降。

1.2 浮子傳感器

傳感器的浮子漂浮在液面上，通過鋼絲連接到轉盤，浮子隨液面的上下變化帶動轉盤的轉動角度對應變化，從而得到液位變化狀態，浮子傳感器安裝較復雜，長期使用會因鋼絲與轉盤產生細小滑動導致測量精度下降。

1.3 超聲波傳感器

通過安裝在液面上方的傳感器發射超聲波，該波投射到液面反射后被接收，得到傳感器與液面之間的距離，超聲波是20 K以上的超聲頻率（通常是40 K），它的測距公式是S=VT/2（S是傳感器到液面的距離、V是聲速：340 m/s、T為時間）。由于超聲波在空氣中傳播衰減較大，測距受限通常在3 m左右，不太滿足海水潮差的變化，海水潮位檢測基本不適用。

1.4 雷達測距傳感器

其采集數據的數學公式是S=CT/2（C為光速，即電磁波的傳播速度），雷達波發射時有一定發射角度，通常為3°，缺點是監測較長距離時精度會有所下降，優點是傳感器的安裝較為便捷。

2 激光傳感器工作原理

激光發射頻率高于雷達的發射頻率，其傳播基本沒有散射，如若應用到海水潮位監測，所需的驗潮井直徑可以做到非常小，這對海水的涌浪干擾又極好濾除作用。激光測距傳感器原理是由一組激光發射和接收頭組成，由發射頭發射一組已編碼調制的激光束，投射到被測物反射后由接收頭接收，譯碼處理后得到被測物的距離，從而完成整個測距過程。它具有設備小巧，安裝方便，采集精度高，穩定性強，長期使用維護工作少等優點。

3 激光驗潮儀特點

激光驗潮儀是取激光測距傳感器的優點而研制的一種新型的驗潮設備，它通過編輯數據算法對所采數據處理，得到準確的潮位數據。其結構是將所有的硬件電路安裝在一密封的機箱內，通過密封的航空插頭連接到驗潮井上端的激光傳感器上。這樣既克服了鹽霧腐蝕，又提高了設備的可靠性。

4 硬件組成和工作原理

4.1 硬件組成

圖1 設備總體

4.2 主控制器

主控制器CPU采用STC89C52RC完成，它是51系列單片機的改進型，具有工作穩定可靠，有很強抗電磁干擾性，通過串口實現軟件下載，便于軟件更新，內置看門狗電路（Watch Dog）便于CPU的管理。

4.3 時鐘控制器

時鐘控制器采用DS12C887芯片，它是美國達拉斯芯片公司近期專為8位CPU接口設計的產品，有內置電池，在斷電的情況下，內置時鐘繼續行走，再次通電無需進行時鐘設置，十二和二十四小時制式任意轉換，該片另有113字節片內RAM可供CPU使用，增大了設備隨機存儲器的空間。

4.4 數據存儲器

數據存儲器是用來存放過去五十天內的潮位數據，由于設備常在無人值守狀態下工作，一旦因數據傳輸網絡不穩或通訊機（DTU）故障，所采集的潮位數據無法正?；貍鞯奖O控中心，則管理人員有充足時間到現場進行數據下載。通常潮位站水域的最大潮差一般不超過20 m（19.999 m）情形，將該數據壓縮用HEX（十六進制）表示是0X1E1F，即兩字節 HEX即可表示一次潮位數據，這樣每5 min采集一次潮位，一天需要采集288（24×60/5）次，50天共需要28 800字節（288×2×50）的存儲空間，選用32 K的RAM即可滿足要求，存儲的是當今向前50天的潮位數據。當前的RAM芯片主要有動態和靜態數據存儲器兩種，兩種RAM與CPU的連接基本相同，靜態RAM在斷電時數據不會丟失但芯片讀寫次數受限，驗潮儀的一年的數據采集次數要10多萬次（288×365），即10多萬次的芯片讀寫，如果采用靜態RAM作數據存儲器，不到一年就得更換RAM芯片，動態RAM芯片優勢在于沒有讀寫次數限制，但需要配備存儲電源以保持動態RAM的數據斷電時不丟失，一個3 V紐扣電池和一個隔離二極管即可實現。

4.5 串口電路

串口電路由 CH440和 MAX232芯片組成，CH440實際是一個可控制多路電子開關芯片，CPU控制它完成兩路的串口輸入輸出，一路串口連接激光傳感器，另一路連接DTU用于數據的傳輸。另外還并聯一路串口可用于管理人員到現場完成數據的下載，MAX232芯片完成串口電瓶轉換，即將CPU的TTL串口電瓶轉換成232串口電瓶。

4.6 主電源板

主電源板是為整個設備提供所需穩定的直流電壓，它由橋電路和保護二極管SA24CA以及開關穩壓芯片 K7805-2000和相應電容組成，橋電路的作用是防止直流電接入時正負極接反造成設備的損壞，保護二極管是防止電源干擾。由于設備常在無人值守狀態下運行，能耗是關鍵，采用開關電源芯片K7805是為了提高電源的利用效率。同時考慮到采用電瓶供電，這里加裝了電源電壓檢測電路，由LM311芯片完成，當電瓶電壓低于10.8 V時向CPU報警。

4.7 鍵盤和顯示器

用于實現人機對話和數據顯示，鍵盤主要用于對時鐘進行設置，顯示器顯示時鐘和潮位數據。

5 數據算法

5.1 數字濾波技術

1）程序判斷濾波法

方法是通常根據經驗確定兩次采樣允許的最大偏差值△X，若先后兩次采樣的數據相減值大于△X，表明是干擾數據，舍去，將上次采樣數據作為本次采樣數據，若小于或等于△X，則確定是本次采集的數據。

2）中值濾波法

中值濾波法是連續采集3個數據，從中選擇一個中間值作為正確的采集數據。

3）滑動平均值濾波法

該濾波方法是將采集數據進行循環排隊，每次數據采集時先去掉隊首的一個數據，再將新采的數據放到隊尾，再計算它們的平均值。

4）防脈沖干擾平均值濾波法

此種濾波法是一次采集N組數據，去掉數據中最大的和最小的數據，然后對其余N-2個數據作平均值處理。

5.2 潮位數據采集

海面是一個動態變化的曲面，對海水海浪、涌浪有效濾除方式是決定潮位數據采集準確與否的關鍵，多數驗潮站的驗潮井筒都有對海浪的有效慮除作用，但對涌浪的干擾消除不明顯，涌浪通常是較快的上下起伏變化，這對潮位的數據采集準確性影響較大，對此引入了數據算法技術用于抗涌浪的干擾，這樣可大大提高潮位數據采集的精確性，研發的激光驗潮儀的數據算法就是基于涌浪干擾的實際特征，經反復測試最終選用防脈沖干擾平均值濾波技術有效提升數據采集精度。

5.3 潮位數據采集流程

潮位數據采集流程如圖2。

圖2 數據采集軟件流程

5.4 數字濾波器的部分C語言片段

1）數據采集

6 軟件流程圖

圖3 軟件流程

從流程圖可以看出整個程序包括3部分，即主程序、時鐘中斷子程序和鍵盤中斷子程序。時鐘控制器每一秒鐘申請一次中斷。

7 數據傳輸格式

第一行是ID碼和PC機當時的時間，下一行的Data是驗潮儀回傳的數據，兩組數據時間上稍有不同是因為PC機的時間和驗潮儀的時鐘稍有不同造成的。

AA開頭碼06140855表示6月14日8時55分，0006050001表示當前潮位是06.501 m，CC結束碼而且電瓶電壓正常，如果電壓低于 10.8V，CC為33。

為評估該激光驗潮儀采集潮位數據的可靠性，在某標準水文站安裝一套激光驗潮儀和浮子式驗潮儀。該型浮子式驗潮儀測量范圍0～1 000cm，準確度±1cm，分辨率1 mm，滿足水運工程測量規范（JTS 131-2012）中關于水位觀測的相關要求。故在測試激光驗潮儀采集數據質量時，以浮子式驗潮儀采集的數據作為參照標準。將上述兩種設備采集的數據進行差值比對，比對結果如表1所示。

表1 激光驗潮儀與浮子式驗潮儀采集數據比對

由比對結果看，誤差符合正態分布，說明該套激光驗潮儀的穩定性較高，采集的潮位數據穩定。

8 結 語

激光驗潮儀的最大特點是，通過尋找出一種新的潮位采集器即激光傳感器，根據激光傳感器的工作特點和海面特性，確定合適的數據算法以獲得準確的潮位數據，具有設備安裝簡便，操作簡單。該驗潮儀2015年3月已獲由國家知識產權局頒發的實用新型證書（專利號：ZL 2014 2 0544239.0），其驗潮方法2016年7月已獲由國家知識產權局頒發的發明證書（專利號：ZL 2014 1 0484927.7）。通過測試，該設備潮位數據采集準確，數據回傳到監控中心迅速，完全滿足驗潮站的潮位采集要求。

[1]黃志偉.STM32F32位 ARM 微控器應用設計與實踐[M].

[2]趙效敏.開關電源的設計與應用[M].

[3]王鴻鈺.實用電源技術手冊[M].

[4]林國榮.電磁干擾及控制[M].

[5]沈德金.MCS-51系列單片機接口電路與應用程序實例[M].

[6]黃繼昌.傳感器工作原理及應用實例[M].

[7]王幸之.單片機應用系統抗干擾技術[M].

[8]沙占友.新型特種集成電源及應用[M].

Development and Data Algorithm of Laser Tide Gauge

Yang Xicheng,Bian Zhigang,Xiao Hongfei
(Tianjin Hydrographic Center,Tianjin 300222,China)

Based on single-chip technique,by analyzing the operational principle of liquid level sensor and the ranging principle of laser sensor,the self-designed laser sensor and design software are used to achieve the accurate calculation of the collected data,put forward reasonable hardware structures and software programs,and develop a new type of tide gauge.

laser range sensor; digit-filtering technique; tidal level

P716+.23

：A

：1004-9592（2016）06-0107-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160627

2016-08-12

楊習成（1959-），男，高級工程師，主要從事電子設備研發工作。