一种自动潮位测量设备及其实现方法
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摘 要：潮位测量设备也叫潮位仪，是液位测量设备中一种在特定场合使用的测量仪器。该设备可广泛应用于防洪液位检测、水库水位检测、海口潮汐等水位检测。该文介绍了该设备设计方案，并从硬件和软件2个方面对其基本组成框架进行了分析，最后对其实现方法进行了简要说明。
关键词：潮位仪;压力;测量;传感器
中图分类号：P731 文献标志码：A
1 方案设计
该方案的基本原理是压力传感器利用水体压强与水位深度成比例关系，来计算水面的深度。 而压力传感器的基本工作方式是利用硅油将压力从不锈钢、钛或者镍合金隔膜传递到感应元件上，从而测量出表压、绝压或者差压。该方案使用单片机系统读取压力传感器的测量值，通过内置程序或后处理的方式，对原始数据比例进行转换并存储。
设备的整体方案框架主要由以下6个方面组成。1） 数字信号处理器，对采集到的信号进行读取、转换、存储以及传输。2）传输接口，用于把存储的压力值或其他设备信息传输到PC端。3）电源系统，给各个模块供电，保证各个功能元件可靠稳定运行。4）压力传感器，用于把水体的压力值转换成可读取的电信号[1]。5）精密ADC转换器，把传感器的模拟信号转换成可用于单片机读取的数字信号。6）存储芯片，用于把测量的信息存储起来。基本功能框架如图1所示。
电源系统给整个系统元件供电，ADC转换器采集到压力传感器的模拟量后，通过内部复用器实现两路差分输入，经过PGA对信号进行放大。内置的16 Bit ADC转换，经过数字滤波和数字接口传输给单片机。单片机通过周期性读取到数据后，存储到存储芯片上。在用户需要读取数据时，通过一个外围RS-232接口连接到单片机，读取存储在芯片内的压力数据。
潮位仪设备长期固定放置在水体下。由于其特殊的应用场合和使用环境，因此必须保证设备的长时间稳定工作，同时为满足小型化设计，所有元件选型的原则是尽量选择小尺寸的功能器件。
2 硬件设计
2.1 单片机设计
选择STM32超低功耗：STM32Lx系列单片机，该单片机的待机模式功耗低至0.28 uA，低功耗运行模式下为10.9 uA。主要功能和接口包括14通道ADC，2通道DAC，两路I2C接口，两路SPI接口，3路UART接口。Flash：64 K，EEPROM：4 K，RAM：32 K。丰富的接口资源和超低功耗，满足设备的设计需求。其工作电压范围为1.65 V～3.6 V，能够适应在单电池供电的环境下工作。工作温度为-40 ℃～+105 ℃，保证在严苛的环境下能够稳定工作。该次设计在资源分配上，通过SPI 1接口连接到存储芯片，I2C 1接口连接ADC放大器，UART 1接口通过RS-232转换芯片，连接到外接接口与PC端连接通信。
2.2 电源设计
整机设备要求在4～5年的超长时间内无故障工作，对电源设计及整机功耗提出了严苛的要求。该次电源系统选用AA型非充电锂电池供电，电池材质为锂-亚硫酰氯
（Li-SOCl2），该种电池具有高容量、高电流的输出特点，适用于各种严苛的高低温环境，以及高容量、高电压的需求。电池标称电压为3.6 V，超宽的工作温度范围-60 ℃～+85 ℃，满足各种温度使用环境。具备10年的超长有效期，确保设备在水底可以长时间测量而不会中断。
整机通过一个DC/DC升降压电源芯片稳压到3.3 V，给其他元件设备供电。稳压芯片采用TI生产的TPS63802芯片，体积仅有3 mm×2 mm。作为一个低功耗的系统，电源芯片的IQ值参数选择尤为关键。该芯片的运行静态电流（IQ）仅11 uA，极大地减少了电源能量的损耗，并能在极小的负载条件下实现高效率工作。芯片具有省电模式和PWM模式，可在定义的阀值内进行模式切换，避免不必要的模式内切换，以此减少输出的电压纹波。同时，在芯片的输入和输出端放置合适的高低容量偏置电容和旁路电容，减少电源的波动并消除高频纹波。该芯片为可调输出DC/DC，可通过FB管脚配置调整输出电压。典型工作电路如图2所示。
单片机作为系统核心控制端，直接使用电池供电，避开DC/DC供电时产生的效率损失，并优化整个系统的电源输出。在不需要读取数据时，整机需要控制在最低的功耗水平下。单片机控制关断外围设备供电，并使自身进入休眠状态。通过设定的读取周期时间，立刻唤醒设备采集读取数值并进行存储。
2.3 传感器设计
压力传感器采用86C系列型号。该类型传感器使用316不锈钢隔离膜传导压力，并真空封装在316不锈钢外壳内，能够适应各种腐蚀性的测量液体。为满足设备在超长时间内测量的准确性，压力传感器的性能必须保证具备低温漂和自动补偿功能。根据不同的测量范围具有不同的补偿范围，选用量程≥0.1 MPa的压力传感器，在-20 ℃～+85 ℃工作范围内具备自动温度补偿技术。传感器的陶瓷基板上包含一个激光修正电阻，可对传感器进行温度补偿和偏移修正。同时，基板上还另带一个激光修正电阻，该电阻可调节外部差分电路放大器并提供1%的量程互换性。该温度传感器具备±0.1%Span/year的长期稳定性和±0.1%Span/year的长期偏移性，可保证长时间内的测量数据的稳定性。
該设备选用TI公司的ADS1xx系列模数转换芯片，尺寸封装仅有3 mm×3 mm。该芯片带有可编程16位精密模数转换器（ADC），集成了多种特性，能够降低成本并减少小型传感器应用中的组件数量。该芯片具有输入多路复用器（MUX），实现2个查分输入或4个单端输入，具备一个低噪声可编程增益放大器（PGA），可对传感器增益进行放大采样。设置采样速率在20 SPS时，实现16位无噪声分辨率，并提供50 Hz和60 Hz的抑制。该系统使用AIN0和AIN1作为连接传感器的差分输入端，配置AIN2为可编程电流源，并设置1 mA的电流输出作为压力传感器的激励电流源。
系统通过以上初始化后，对传感器数值进行读取，在软件内部进行压力水深的比例转换后，存储到系统存储器中。同时也可以直接存储原始数据，保存到PC端进行后处理[2]。
3 软件驱动
设备通过配置单片机对各个功能模块进行配置和控制，同时单片机必须配置在低功耗模式下。具体的模式如下：在不需要处理数据的时候进入休眠模式，在处理数据时运行在10.9 uA的Low Power Run Mode模式，配置存储芯片处于1 uA的Power Down模式下，配置ADC芯片运行在睡眠模式下，仅在需要读写芯片的时候唤醒存储芯片。
单片机通过I2C接口与ADC芯片进行数据传输，在软件加载时，首先进行I2C总线初始化，保证单片机芯片能够正常和ADC芯片进行通信。配置ADC芯片的多路复用器MUX实现查分输入功能，配置可编程增益放大器的放大增益为128，并以20 SPS的采样速率进行采样。
4 应用实现
潮位仪设计成圆柱状，压力传感器装配在圆柱体的下方。整机装配完成后即开始上电工作，系统对各个模块进行功能配置，并对传感器和ADC模数转换器进行初始化，读取到空气中的压力值进行差值匹配。测量时把设备通过缆绳（不锈钢绳）投放于待测量的水体中，保持隔离膜平行于水面。设备一般在一个测量时间周期内取出水面，通过一个防水的RS-232接口和PC端进行通信，读取存储在设备中的压力值，通过后处理软件能够查看到该时间段内液位/潮位的变化趋势和变化值。
潮位仪目前主要的应用方向为各种海洋工程、航道工程、防汛工程、水库测量工程。作为一种自动测量工具，代替了原始的人工测量工作，极大地提高了测量工作的效率、节约时间成本和人力资源成本。
参考文献
[1]刘传玺，袁照平，陈丽平.传感器与检测技术第二版[M].北京：机械工业出版社，2017.
[2]吴建平.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2016.
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