黃 蓉，劉敬彪，于海濱

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018)

0 引言

目前海洋科學考察設備多采用同軸纜或者光電復合纜與考察船連接，完成信息交互［1］。取樣設備進行水下作業(yè)時，由于電纜無法監(jiān)測，時有被海底巖石勾掛，或釋放過長被考察設備誤傷而受到損傷?；厥者^程中極有可能導致電纜在損傷處斷裂，造成重大人員財產損失。目前國際上對于有光照淺水區(qū)電纜監(jiān)測，采用水下攝像頭或者潛水員來監(jiān)測［2］，但此方法局限于海域與光照條件。而在深海區(qū)域內，國內主要通過觀察纜的承重以及設備的傾斜度來估算電纜狀態(tài)［3］或懸掛浮球以盡量避免電纜彎曲。此法依賴于人工判斷，誤差大且操作有一定的遲滯。本文介紹的監(jiān)測系統(tǒng)采用CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，利用已有水下設備將數(shù)據(jù)傳輸至考察船集控中心，經過運算，可以實時反映電纜姿態(tài)，對異常狀態(tài)及時做出示警，保障作業(yè)安全。

1 系統(tǒng)工作原理

水下電纜姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測系統(tǒng)、取樣設備和母船組成。本系統(tǒng)主要依靠附著于鎧裝電纜上的多個存放于高壓防水倉中的監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測鎧裝纜的姿態(tài)信息，并通過CAN總線將發(fā)送姿態(tài)信息以及節(jié)點標號給水下取樣設備的主控倉，主控倉將數(shù)據(jù)打包通過混合傳輸系統(tǒng)或者光纖傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳給母船上位機。上位機對比分析不同節(jié)點間的角度差與布放距離，經計算擬合，確定電纜當前姿態(tài)。利用現(xiàn)有主控倉CPU，無需單獨添加設備，降低設計復雜度，并且節(jié)約成本。

由于監(jiān)測節(jié)點布放間距相對較遠，本文需要采用傳輸距離較遠的通信協(xié)議。目前工業(yè)上多采用RS485和CAN總線［4］。RS485是單主網絡，需要采用輪詢的方式通信，通信實時性不足以保證。且當RS485某個節(jié)點存在故障時會導致整個系統(tǒng)的癱瘓，維護成本高，安全性大打折扣。而CAN總線屬于現(xiàn)場總線范疇，以國際標準化組織制定的ISO模型為基礎，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測、鏈路維護等問題。數(shù)據(jù)通信實時性強，安全性高，穩(wěn)定性好，傳輸距離遠，有很好的容錯機制。特別適合在環(huán)境惡劣的海洋環(huán)境中使用。且取樣設備主控倉采用C8051F040 CPU，它內置了CAN模塊外設，開發(fā)難度大大降低。監(jiān)測節(jié)點采用自帶電池組供電，無需提供電源接口，減少對外連接通道，提高了系統(tǒng)安全性。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 監(jiān)測節(jié)點硬件設計

節(jié)點微處理器采用ST公司生產的STM8S208S6［5］。此款處理器運行速度快，穩(wěn)定性好，小巧精致，特別適合小微型的監(jiān)測節(jié)點。主頻高達24MHz、采用高級STM8內核、具有3級流水線的哈佛結構、工作電壓與溫度范圍寬、內置多路AD以及高性能CAN接口，滿足節(jié)點對傳感器數(shù)據(jù)實時采集與傳輸?shù)男枰?。?jié)點硬件結構如圖1所示。

2.2 姿態(tài)傳感器

節(jié)點采用兩片VTI SCA60單軸傾角傳感器在板上垂直分布來監(jiān)測鎧裝電纜節(jié)點處的雙軸角度X和Y。它的測量范圍為±90°，單極性5V電壓供電，工作溫度范圍寬。傳感器按照角度以等比例電壓輸出，經過精密電阻分壓，高頻電容濾波后得到質量較好的輸出電壓送入STM8S208S6進行AD轉換。

當輸出電壓為0.5V時表示此時角度為－ /2，當輸出電壓為4.5V時為 /2，輸出電壓與對應角度成線性關系。如下:

圖1 硬件結構圖

式中，A表示實際角度值，Data為AD轉換的數(shù)字結果，Vref為ADC的參考電壓，△d為精密電阻分壓比。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 監(jiān)測節(jié)點軟件設計

程序主流程圖如圖2(a)所示，定時中斷流程圖如圖2(b)所示。程序的設計主要分為以下幾個步驟:

(1)開始和系統(tǒng)的初始化;

(2)設置ADC連續(xù)采集模式;

(3)定時器產生溢出中斷，讀取數(shù)據(jù);

(4)輪轉采集通道;

(5)數(shù)據(jù)轉換，CAN發(fā)送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)上電瞬間，初始化系統(tǒng)時鐘，定時器，AD轉換器，CAN以及中斷響應機制。設置ADC處于連續(xù)工作模式。設置定時器使其每100ms觸發(fā)一次溢出中斷，將AD采集結果存入全局數(shù)據(jù)變量，同時切換轉換通道。最后在While主循環(huán)中，將數(shù)據(jù)打包，通過CAN發(fā)送給主控倉CPU。主控倉CPU是水下探測設備的控制核心，僅需在其原有上行數(shù)據(jù)包末尾添加節(jié)點姿態(tài)數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)。

3.2姿態(tài)定位算法

姿態(tài)定位算法采用曲線逼近的方法對水下鎧裝電纜進行模擬。本算法在甲板集控室上位機中實現(xiàn)。上位機軟件使用Visual C#語言［6］進行設計，在VS2008平臺上編輯。對電纜姿態(tài)進行動態(tài)跟蹤，且對危險操作及時發(fā)出警報。

X，Y，Z坐標示意圖如圖3所示。X軸為平行于水平面沿著船寬的方向。Y軸為平行于水平面，沿船舶行駛方向。Z軸為垂直于水平面方向。節(jié)點布放時需緊貼電纜。Z軸電纜旋轉不影響X，Y軸數(shù)據(jù)。

圖2 設計流程圖

科學考察船在設備施放時，一般處于0.2至1節(jié)的慢速航行或者動力定位狀態(tài)，且鎧裝電纜釋放至海底時有4 000至7 000m，在長距離的稀釋下，X方向角度偏差很小。采用近似三角形計算其余弦的方法計算出電纜在Z軸方向的投影。原理如圖4所示。監(jiān)測節(jié)點按步長K分布，節(jié)點n－1的X軸方向傾斜角度為X，該段弧線可近似為一段直線，再利用三角公式得到節(jié)點n－1至節(jié)點n之間的電纜在垂直方向的投影長度為KcosX。此后將電纜視為只存在Y軸的偏角，且節(jié)點之間布放距離為KcosX。

由于鎧裝電纜質地堅韌，不易大幅度卷曲，彎曲輕微，形態(tài)近似為圓弧。節(jié)點n－1處的Y軸傾角為Yn－1，節(jié)點n處的Y軸傾角為Yn。原理如圖5所示。在圖中可以方便地得到從兩節(jié)點引出的切線夾角為 －(Xn－1－Xn)，那么圓弧所對應的圓心角為 Xn－1－Xn，又有弧長公式 L=θR 得 KcosX=(Yn－1－Yn)R，進而得到圓弧所在圓的半徑公式:

圖3 坐標示意圖

兩節(jié)點間的電纜存在于與兩節(jié)點相切，且半徑為R的圓弧中。該圓弧即為電纜近似形狀。上位機可參照式2與圖5對電纜狀態(tài)進行解析。從而對電纜姿態(tài)進行監(jiān)測。操作人員可對照電纜姿態(tài)及時調整電纜的收放。如果電纜鉤掛或釋放過長沉放在海底，此時上位機即發(fā)出警報。

圖4 X軸傾角剖視圖

圖5 Y軸傾角剖視圖

4 系統(tǒng)調試

采用1m的硬質金屬絞纜進行模擬調試。節(jié)點布放在纜的同一側，同時保證在纜垂降狀態(tài)時雙軸輸出角度值為0。節(jié)點采用階梯式分布的方法。在近地端分布3個節(jié)點，相互之間步長為0.1m，分布相對密集。中間分布2個節(jié)點步長為0.2m。頂部分布1個節(jié)點，計6個節(jié)點。纜繩的最下采用C8051F020主板作為主節(jié)點來模擬水下設備主控倉。纜的最上端固定在高處，最下方人為牽引產生彎曲，模擬電纜實際使用時的狀態(tài)。節(jié)點傾角數(shù)據(jù)如表1所示，在近地端Y軸角度明顯增大，所以監(jiān)測節(jié)點布放應更密集。且X軸角度變化輕微平緩，所以可簡單等效為直線。在變換位置后上位機界面可以及時跟蹤。實驗證明該系統(tǒng)可準確地定位電纜姿態(tài)并能夠對危險操作和異常狀態(tài)及時做出預警。測試效果見圖6。

表1 傾角數(shù)據(jù)

圖6 軟件效果圖

5 結束語

本文提出的水下電纜姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有適應近地端傾斜較大的特點，有效利用水下設備CPU無需添加主控單元，降低設計復雜度，節(jié)約成本。在實驗室環(huán)境下可監(jiān)測電纜的實時姿態(tài)，對電纜異常狀態(tài)發(fā)出警告，為海洋科學考察安全作業(yè)提供了思路。本設計下一步進行海上試驗，以檢驗水下的運行效果。

［1］鐘川源，劉敬彪，陳順舉.基于同軸電纜混合傳輸技術的研究［J］.杭州電子科技大學學報，2008，28(1):4－7.

［2］李士濤，商濤.淺談海纜敷設工藝中的監(jiān)控手法［C］.太原:中國海洋工程學會，2011:445－447.

［3］陳鷹.海底熱液科學考察中的機電裝備技術［J］.機械工程學報，2002，38(z1):207－211.

［4］胥清華，李強.CAN總線發(fā)展與其他總線的比較［J］.電氣技術，2011，(7):46－49.

［5］潘永雄.STM8S系列單片機原理與應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2008:202－213.

［6］劉麗霞，李俊民.C#范例開發(fā)大全［M］.北京:清華大學出版社，2010:225－256.