楊習(xí)成　張永合　劉軍

摘要：激光測距傳感器技術(shù)及原理已很成熟，它具有設(shè)備小安裝使用方便、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)、已廣泛應(yīng)用在測量中。激光測距傳感器主要由一組激光發(fā)射和接受頭組成，由發(fā)射頭發(fā)射已編碼調(diào)制的激光束，投射到被測物反射后由接受頭接受，譯碼處理后得到被測物的距離，從而完成整個(gè)測距過程。通過解釋、分析激光傳感器的測距原因，軟件對(duì)潮位數(shù)據(jù)的采集精度的計(jì)算。合理的硬件設(shè)計(jì)和軟件編譯。

關(guān)鍵詞：激光傳測距感器 驗(yàn)潮儀 研制

中圖分類號(hào)：TS201 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0056-02

激光驗(yàn)潮儀的研制就是應(yīng)用激光測距傳感器的這種優(yōu)點(diǎn)研制的一種新型的驗(yàn)潮設(shè)備，它將所有開發(fā)的硬件電路以及用于數(shù)據(jù)通訊用的DTU（無線通訊機(jī)）一并安裝在一密封的機(jī)箱內(nèi)，通過密封的航空插頭連接到驗(yàn)潮井上端的水密的激光測距傳感器上。整個(gè)設(shè)備是密封的，這樣克服了海岸的鹽霧腐蝕，因此提高了設(shè)備的工作可靠性。設(shè)備整體框圖如下圖（圖1）。

鍵盤用于人與驗(yàn)潮設(shè)備的對(duì)話，主要完成對(duì)當(dāng)前時(shí)間的設(shè)置和驗(yàn)潮采集潮位數(shù)據(jù)的下載。顯示器顯示當(dāng)前的時(shí)間和潮位數(shù)據(jù)，顯示器在無人執(zhí)手時(shí)關(guān)閉亮度用于降低能耗。主控制器（CPU）是整個(gè)設(shè)備的心臟用于控制和管理整個(gè)設(shè)備的工作，它實(shí)時(shí)采集時(shí)鐘控制器的實(shí)時(shí)時(shí)間信息，判斷是否是潮位采集時(shí)間，如果是潮位采集時(shí)間則啟動(dòng)激光傳感器進(jìn)行潮位數(shù)據(jù)采集，考慮到海水的涌浪的影響，為了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)采用斷續(xù)多次采集，并將采集的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整理和處理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里并使顯示器顯示潮位數(shù)據(jù)，同時(shí)主控制器還要采集外部電瓶電量的使用狀況，并將采集的潮位數(shù)據(jù)和電瓶電能的使用狀況一同通過DTU經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳到監(jiān)控室，這樣監(jiān)控室的監(jiān)控人員可實(shí)時(shí)觀測到相應(yīng)驗(yàn)潮站的潮位和電瓶能耗狀況。軟件流程圖如下圖（圖2）。

考慮到海水的涌浪隨機(jī)起伏狀況，要采集到準(zhǔn)確的潮位數(shù)據(jù)是很重要的，因此在開發(fā)時(shí)針對(duì)潮位數(shù)據(jù)的采集采用上述的斷續(xù)多次采集外我們加入了數(shù)字濾波器以滿足潮位數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

當(dāng)今濾波器主要有兩種形式，一種是數(shù)字濾波器、另一種是模擬濾波器。而數(shù)字濾波比模擬濾波有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）數(shù)字濾波器是用軟件實(shí)現(xiàn)的，無需要增加硬件電路，因而可靠性高，穩(wěn)定性好，無需阻抗匹配的需要。

（2）模擬濾波器通常是各通道專用，而數(shù)字濾波器是各通道共享，從而降低成本。

（3）數(shù)字濾波器可以對(duì)頻率很低如幾赫茲的干擾信號(hào)濾波，而模擬濾波器由于受到阻容元件的限制，干擾信號(hào)頻率不可能作的很低。

（4）數(shù)字濾波器可以根據(jù)干擾信號(hào)的不同，靈活的采用不同的濾波方法和濾波參數(shù)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)靈活方便。

目前的數(shù)字濾波器形勢(shì)較多，針對(duì)海水浪涌的干擾歸納起來大致有三種方法，即A程序判斷濾波、B算數(shù)平均值濾波和C滑動(dòng)平均值濾波。

1 程序判斷濾波

方法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為A），每次檢測到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差<=A，則本次值有效。如果本次值與上次值之差>A，則本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。優(yōu)點(diǎn)是能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。

2 算數(shù)平均值濾波

方法：連續(xù)采樣N次（一般N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值.優(yōu)點(diǎn)是能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。缺點(diǎn)是快速變化的參數(shù)不宜。相應(yīng)的C程序如下。

3 滑動(dòng)平均值濾波

方法：滑動(dòng)平均值濾波是上訴算數(shù)平均值濾波一種改進(jìn)形式，每次數(shù)據(jù)采集時(shí)先扔掉隊(duì)首一個(gè)數(shù)據(jù)，再把行數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，然后計(jì)算平均值。

針對(duì)驗(yàn)潮儀的設(shè)計(jì)主要是考慮海水涌浪的影響，而涌浪的變化只是赫茲級(jí)別的干擾變化，設(shè)計(jì)中在采集潮位數(shù)據(jù)處理整理時(shí)采用程序判斷和改進(jìn)的滑動(dòng)平均值濾波相結(jié)合的綜合數(shù)字濾波方法，根據(jù)潮位數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，平均濾波器的N用15采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。這樣滿足潮水?dāng)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

由于驗(yàn)潮儀是安裝在海邊驗(yàn)潮站內(nèi)，工作中是無人值守，儀器的工作可靠性是非常重要的，考慮到驗(yàn)潮站的實(shí)際地理位置和現(xiàn)場環(huán)境，外部干擾主要是來往船只發(fā)動(dòng)機(jī)造成的電磁干擾、港口貨物裝卸起重機(jī)的工作對(duì)市電造成電源干擾（如果使用交流電供電）。開發(fā)中對(duì)儀器的硬件、軟件抗干擾設(shè)計(jì)是必須的，在硬件方面對(duì)輸入電源加裝了防電源浪涌保護(hù)電路以及電源的濾波器用于克服電磁干擾，軟件抗干擾方面主要考慮到由于電磁干擾可能造成CPU的程序跑飛而造成死機(jī)，因此CPU工作時(shí)軟件啟動(dòng)看門狗（watch dog）電路用來管理CPU，并在初始化CPU時(shí)將CPU內(nèi)部RAM相對(duì)位進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)程序進(jìn)行相對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)對(duì)相應(yīng)位進(jìn)行處理，以保證一旦由于干擾造成程序跑飛而死機(jī)，看門狗電路將會(huì)復(fù)位CPU并使CPU回到相應(yīng)的程序跑飛處繼續(xù)執(zhí)行，保證了設(shè)備工作的連續(xù)性。

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