多参数水质测量仪系统集成技术研究

海洋技术第28卷1引言海洋环境多参数水质测量仪主要应用于海洋调查船、海洋浮标、海洋站和其它监测平台上，定点测量海水各种生态环境要素，包括温度、盐度、电导率、氯化物、深度、溶解氧、pH 、浊度、氧化还原电位、叶绿素、蓝绿藻等，这些要素能够根据实际测量需求任意帅选，为海洋环境保护、海洋工程建设、海水水面养殖、海洋资源开发和海洋科学研究提供海洋环境调查资料。

多参数水质测量仪按其记录数据的形式不同分为直读式和自容式两大类。

直读式水质仪主要由水上机和水下机组成，二者通过水密传输电缆连接，在测量的同时直接读取数据。

自容式只有水下机，内置电源，可独立工作，在测量完成后一次性读取数据。

本文介绍一种集成有四个生态要素的多参数水质仪，能够同时实现直读和自容两种工作方式。

2工作原理将浊度、叶绿素a 、溶解氧、温度传感器集成在一起，通过RS232通讯方式，与多参数水质测量仪的主机相连接，其原理方框图如图1所示。

3系统硬件结构多参数水质测量仪的硬件主要有单片机、传感器电源控制电路、RS232通讯与扩展电路、数据处理、存储、时钟等硬件电路。

3.1单片机选用美国德州仪器公司（TI ）推出的超低功耗MSP430F149，具有位RISC 指令集。

它采用“冯-纽曼”结构，RAM 、ROM 和全部外围模块都位于同一个地址空间内，内置60KB Flash 和2KB RAM 。

共有48个IO 口控制端，内置两个硬件通用串行同步/异步模块（UART）。

同时开发工具简便，固化于FLASH 存储器内的程序易于在线升级和调试，性价比极高。

图2MSP430F149单片机3.2传感器电源控制电路传感器的电源属于常关闭状态，只有在工作时，才开启多参数水质测量仪系统集成技术研究任永琴，王宁，王世忠（国家海洋技术中心，天津300112）摘要：针对目前海洋多参数水质测量仪系统集成中的主要技术问题，介绍了一种四参数集成的水质测量仪的硬件电路和程序软件，可实现自容和直读两种工作方式。

关键词：传感器；集成电路；RS232通讯；自容；直读中图分类号：P71，TP368文献标识码：B文章编号：1003-2029（2009）04-0036-04第28卷第4期2009年12月海洋技术OCEAN TECHNOLOGY Vol.28，No.4Dec ，2009收稿日期：2009-06-12基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目(2006AA09Z132)。

图1多参数水质测量仪系统框图电源。

传感器的工作电压均有所不同，大概在5~12V 范围内，所需电流也不尽相同。

本文提出了两种解决方案，图3（a ）5V 固定电压输出方式，采用了DC-DC 变换芯片LT1763-5，输入电压范围1.8~20V ，最大输出电流500mA 。

图3（b ）为宽范围电压输出模式，输出电压值基本上能够达到电源输出大小，采用了贴片式PMOS 管SI4435，其与单片机之间使用了光电隔离器件TLP521，既能起到隔离效果，又能使两者的电平匹配。

图3（a ）5V 固定输出电源控制电路图3（b ）5V电源电压输出控制电路3.3RS232通讯与扩展电路多参数水质测量仪与上位机之间通信使用的是RS232串行通讯，水质仪与浊度、叶绿素a 、溶解氧传感器之间的通讯方式也是RS232通讯方式，而MSP430F149只有两个内置的USART ，为了使得水质仪与其他传感器连接具有方便性和互换性，需要扩展串口。

本项目使用了1扩3的通用异步串口扩展芯片GM8123，共有四个串口，一个母串口，三个子串口，它们都是全双工的串行通信口，允许同时接收和发送数据。

母串口与需要扩展的单片机的串口相连，子串口与其他串口设备相连，这样就实现了只有一个串口的单片机可与三个串口设备相连。

具体电路见图4。

3.4存储电路本项目使用了串行FLASH 芯片AT45DB081，其内部有4096页，每页能够存储264个字节，共计有8Mbit 的主存储器容量。

并且其还有2页SRAM ，每页也都可以暂存264个字节，如图3所示。

这里给出了MSP430与AT45DB081连接的标准电路（图5）。

MSP430的SIMO ，SOMI ，UCLK分别与图4串口通讯与扩展电路图5AT45DB081B 标准连接电路任永琴等：多参数水质测量仪系统集成技术研究第4期37海洋技术第28卷AT45DB081的SI ，SO 和SCK 相连接，组成了SPI 总线。

而AT45DB081的/CS ，/RESET 和RDY 引脚使用通用IO 口连接即可。

3.5时钟电路选用的时钟芯片是X1226，具有时钟和日历的功能，时钟依赖时、分、秒寄存器来跟踪，日历依赖日期、星期、月和年寄存器来跟踪，日历可正确显示至2099年，并具有自动闰年修正功能。

拥有强大的双报警功能，能够被设置到任何时钟/日历值上，精确度可到1s 。

由于测量仪长期在海水中工作，根据工作方式可选择定点测量或者间隔测量，因此需要有一个时钟来确定其开始工作的时间。

在传感器不工作的时候，单片机处于低功耗状态，到测量时间时，时钟给单片机一个中断信号，把单片机从低功耗状态唤醒，完成此次测量任务，同时写入下一次传感器需要工作的时间。

4多参数水质测量仪软件本系统既可以在直读模式下工作,又可以在自容模式下工作。

在直读模式下工作时,系统根据上位机发送下来的指令进行工作，在这种模式下，用户通过上位机不但可以对下位机的参数（线性化参数,采样时间参数等）进行设定，而且可以读取下位机的采样数据。

在自容模式下工作时，下位机在固定的时刻被时钟电路唤醒，进行数据采集，采集完成后，自动将数据存储在FLASH 中，然后进入休眠状态，其具体的工作流程可以参看图6。

其中，图6（a ）是软件的总体流程，图6（b ）是采集数据时的软件流程。

在采集的过程中，软件自动判断采集探头是否连接，如果连接了，就执行相应的采集程序，如果没有连接，则跳过该采集过程，以保证程序的正常执行。

图6(a)软件总体流程图6(b)采集数据时的软件流程5多参数水质仪机械结构设计机械结构见图7，全部使用不锈钢加工而成。

前部是由各种传感器组成，线路板、电池在测量仪外壳内部。

水下机与上位机之间通讯使用水密接插件来连接。

6结论综上所述，本多参数水质测量仪可以在自容或直读两种方式下工作，能够方便快捷地实现水质参数的测量、记录以及上传。

能够很好地满足海洋环境水质监测的多参数等要求。

1.水密电缆；2.测量仪外壳；3.温度传感器；4.浊度传感器；5.叶绿素a 传感器；6.溶解氧传感器图7多参数水质仪结构图38参考文献：[1]郭心顺,袁志伟.多参数水质仪在海洋调查中的应用和质量控制[J].海洋技术，2008，27（3）：115-117.[2]周欣.基于MSP43012X2的SPI 进行大容量数据存储器扩展[J].现代电子技术，2007，30（2）.[3]孙世君.基于GM8123的串口扩展硬件解决方案[J].电子设计工程，2007，（6）：53-55.[4]1扩3通用一部串口扩展芯片GM8123数据手册.国腾微电子有限公司，2004.[5]武汉力源信息技术服务有限公司.单片机控制实时时钟X1226的应用设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2005，（3）：42-46.[6]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计[M].北京：清华大学出版社.The Integration Technology Of Multiparameter Water Quality InstrumentREN Yong-qin,WANG Ning,WANG Shi-zhong（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China ）Abstract ：The general design of the hardware composition and software structure of a four-parameter water quality monitoring instru -ment are introduced aiming at existing problems.Which can be used in both self-content mode and direct-reading mode.Its main technical problems with respective solutions are analyzed finally.Key words:sensor;integrated circuit;serial communication (RS232);self-content;direct-reading任永琴等：多参数水质测量仪系统集成技术研究第4期Standardization and Finalize of SZF Wavy BuoyLI Chen,TANG Yuan-guang(Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China)Abstract ：SZF wavy buoy is the achievement of the Ninth Five-Year 863plan and obtains Tenth Five-Year 863plan marine moni -toring technology achievements of standardization project.The process and solved problems are introduced,followed with test and ex -periment of buoy finalize.Finally,the application and promotion is briefly introduced.Key words:wavy buoy;standardization;finalize参考文献：[1]赵进平，朱光文.海洋监测仪器设备成果标准化[M]:北京，海洋出版社，2004.（上接第10页）39。