摘要：提出一種拋棄式海水溫度測量儀數據傳輸系統(tǒng)的設計方案。針對傳輸信道距離長，波形畸變大的特點，采用頻率調制的方法克服傳輸信道自身和海洋環(huán)境的不利條件。系統(tǒng)選用單片調制解調芯片MSM7512B對信號進行FSK調制和解調，實現了水下探頭和水面控制單元的通信。采用低功耗的MSP430單片機作為運算處理器，軟件設計上充分利用其多種低功耗工作模式，降低了系統(tǒng)的功耗。
關鍵詞：海水溫度測量；拋棄式探頭；FSK調制；低功耗

0 引言
    溫度、鹽度等海洋水文環(huán)境參數的獲取日益重要。拋棄式溫探測系統(tǒng)是快速獲取大面積海域溫度剖面資料的儀器，為海洋調查、科學研究、軍事應用提供了先進的測量手段。國外發(fā)達國家自20世紀60年代開始，研制了機載可拋棄式海洋水文探測系統(tǒng)，其系列產品(已有溫、鹽、深、流)主要應用于美國海軍，能夠在一次任務航線上，利用同一種探測平臺快速獲取遠海目標海域的多要素實時數據，是至今機動性最好的遠海現場探測手段。其優(yōu)點是：海洋水文要素獲取的機動性強；遠海探測成本、信息獲取的機動性、實時性均顯著優(yōu)于船載系統(tǒng)。美國海軍使用的機載投棄式溫度計利用熱敏傳感器測量海水剖面溫度，溫度準確度達0．5℃。我國國家海洋局海洋技術研究所于1998年自主研制了機載投棄式溫深浮標，溫度準確度達±0．2℃。
    新型遠海機動水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(NMOHEMS)通過采用無人機機載方式，將多枚被投擲單元投放到目標區(qū)域，然后由被投擲單元受控釋放測溫探頭，實現多點、同步獲取海水剖面溫度的信息。

1 NMOHEMS被投擲單元的構成和工作原理
    NMOHEMS被投擲單元由被投擲單元主體和探頭組成，如圖1所示。探頭位于水下，包括數據采集單元和數據發(fā)送單元。數據采集單元完成海水剖面溫度的測量和數據處理，數據發(fā)送單元將測量數據經信號傳輸線發(fā)送到被投擲單元主體。被投擲單元主體位于水面，包括數據接收單元和控制處理單元。數據接收單元接收由水下探頭發(fā)送的溫度測量數據，控制處理單元負責對系統(tǒng)的控制和與地面主站的聯系。

    被投擲單元由無人機攜帶，抵達目標海域后投放，通過降落傘放慢下降速度，當觸及海面時降落傘自動脫落。當被投擲單元接收到測量控制信號時，探頭開始下沉測量海水剖面溫度。探頭內的數據采集單元采用低功耗、高性能、多外設的MSP430單片機作為微處理器同時完成數據的采集和處理任務，使用靈敏度高、響應速度快的NTC熱敏電阻作為溫度傳感器以獲得海水溫度。探頭在測量溫度的同時將測量數據發(fā)送到被投擲單元的主體，然后由控制處理單元通過流星余跡的通信方式將數據傳回地面主站。
    探頭與被投擲單元主體的通信為有線傳輸，傳輸信道處于復雜的海洋環(huán)境中，傳輸性能的好壞直接影響到測量結果的有效性和完整性，因此數據傳輸系統(tǒng)的設計是非常重要的。

2 傳輸信道的特性
    溫度測量過程中，被投擲單元要將測溫探頭釋放到水下1 000 m左右，二者使用信號線連接。系統(tǒng)采用1 000 m長，0．1 mm線徑的聚氨酯漆包線。由于線徑很細，傳輸導線的直流電阻很大，線間電容和等效電感的數值也很大，并且隨著線軸展開，傳輸信號的波形畸變較大，使數據在傳輸過程中產生嚴重衰減和形變。
    除了傳輸介質自身對信號傳輸的不利影響外，海洋環(huán)境噪聲的影響也是不容忽視的。海洋環(huán)境噪聲對于信號的干擾是很明顯的，噪聲的組成復雜，與海域的地理位置、探頭的深度、周圍船只都有關系。根據產生的原因可以分為以下幾類：
    (1)海洋動力噪聲。與海水的流動有關，包括海浪噪聲、雨噪聲等。
    (2)交通噪聲與工業(yè)噪聲。是人為產生的噪聲，包船只噪聲、海上油田噪聲。
    (3)地震噪聲。由地震、火山、海嘯等自然現象產生的噪聲。
    綜上所述，對此傳輸距離長、幅度衰減和波形畸變嚴重且信道參數快速時變的不利條件，需采取方法使信號適合在信道上傳輸。系統(tǒng)設計對傳輸信號進行調制處理，采用FSK調制，可以克服傳輸距離長、信道參數快速時變等不利條件導致的信號衰減、形變，保障數據傳輸的可靠性。

3 系統(tǒng)硬件電路
    系統(tǒng)采用日本OKI公司的可編程異步頻移鍵控調制解調芯片MSM7512B實現FSK調制和解調。它具有體積小、功耗低、溫度適應范圍廣、外圍元件少、有較寬的電壓工作范圍等特點，使用和調試也很方便。MSM7512的基本特征是：符合ITU2T V．23規(guī)則，半雙工工作方式，1 200 b／s；具有75 b／s的反向傳輸信道；3～5 V電源工作范圍；低功耗，工作模式25 mW(VDD=5 V)，9 mW(VDD=3 V)，節(jié)能模式100 μW；內置混合阻容回路；內置模擬回路環(huán)自檢功能；內置3．58 MHz晶體振蕩回路；數字輸入／輸出接口與TTL電平兼容。1 200 b／s可以滿足探頭和被投擲單元主體之間的數據傳輸要求；3 V的工作電源與數據采集單元相同，簡化了電源電路；低功耗特性適用于系統(tǒng)的工作環(huán)境；TTL電平方便與單片機接口。
    MSM7512B的引腳MOD1和MOD2為工作方式選擇端，可選擇四種工作方式。方式一和方式二的工作狀態(tài)如表1所示。方式三(MOD1=0，MOD2=1)為自環(huán)測試模式，此模式下MSM7512B的發(fā)送端與接收端內部相接，發(fā)送濾波器、接收濾波器都與同一個信道相連。測試時，發(fā)送數據應與接收數據一致。方式四(MOD1=1，MOD2=1)為節(jié)能模式。

    系統(tǒng)工作在方式一模式下。為測試信道的頻率幅度特性，使用信號發(fā)生器模擬MSM7512B的發(fā)送頻率信號，通過1 000 m導線后用示波器接收，3 V電源測量結果如下：信號頻率2 100 Hz時，示波器顯示3．26 V，信號頻率為1 300 Hz時，示波器顯示3．14 V，可以看出信號幅度基本不變，理想狀況下可由MSM7512B芯片直接連接傳輸信道。由于海洋環(huán)境復雜，有動力噪聲、環(huán)境噪聲、地震噪聲等各種干擾因素，可在信道兩端增加信號放大器。
    MSM7512B支持TTL電平，可與MSP430單片機直接相連，接口電路如圖2所示。

    數據接收端“RD”和數據發(fā)送端“XD”與MSP430單片機串行通信模塊USART接口相連，實現與MSP430單片機之間的數據通信。由MSP430單片機的I／O口輸出控制電平控制MSM7512B的工作方式選擇、載波檢測、信號使能以及環(huán)路自檢功能。X1和X2之間內置了1 MΩ的反饋電阻，同時X1和X2對地分別接了一個近似10 pF的電容，3．58 MHz的晶體振蕩器可直接與X1和X2引腳相連。接收端“AI”和發(fā)送端“AO”通過2．2μF的電容與外部信號相連，電容起到通交流隔直流的作用。與電源相連的“VDD”端通過去耦電容接地，消除交流分量。

4 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)利用MSP430單片機內部的USART0模塊實現串口通信。數據傳輸程序采用中斷方式，主程序和中斷服務程序的流程圖如圖3所示。首先進行系統(tǒng)初始化；然后設置串口參數，主要設置通信波特率和通信模式；最后進入低功耗狀態(tài)等待中斷發(fā)生。當數據采集單元完成測量時產生中斷，發(fā)送測量數據。系統(tǒng)在不發(fā)送數據時處于低功耗工作模式，MSP430單片機的低功耗工作模式耗電量非常低，有效降低了系統(tǒng)的功耗。

    數據傳輸主程序如下：
   
   

5 結語
    NMOHEMS探頭和被投擲單元主體通過長距離的有線信道進行通信。系統(tǒng)采用MSM7512B調制解調芯片對傳輸信號進行FSK調制，可以克服傳輸信道自身和海洋環(huán)境的不利條件導致的信號衰減、形變，保障數據傳輸的可靠性。MSP430單片機和MSM7512B調制解調芯片均為低功耗芯片，軟件設計充分利用MSP430的低功耗模式，降低了系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)設計電路簡單，易實現，可以推廣應用到其他拋棄式測量系統(tǒng)的通信中。